变焦镜头如何限制长焦端的最大光圈？

光圈环是否将光圈锁定在镜头远摄端的长度上，例如5.6？镜头是否会在光圈环上引入障碍物，从而无法再将镜头打开到望远端的光圈以外？

为何镜头仍会如此表现？为什么它们在整个焦距范围内都没有恒定的光圈？

入射光瞳受前元件直径的限制，通常限制远摄变焦镜头的最大光圈，而不是孔径光阑的物理尺寸。

膜片的物理尺寸只是决定镜头最大光圈（以f值表示）的一部分。镜头前部和光圈位置之间的放大倍数也起一定作用。光圈的f值由镜头焦距除以入射光瞳直径（通常称为有效光圈）的比率确定。用简单的语言来说，入射光瞳直径是由从镜头前部观察时光圈开口出现的宽度定义的。

当移动恒定光圈变焦镜头以更改焦距时，通常改变的是镜头前部和光圈之间的放大倍率，而不是光圈的物理尺寸。放大倍率的变化使入射光瞳在较长的焦距下显得较大，而在较短的焦距下显得较小。一个70-200mm f / 2.8镜头的入射光瞳在70mm和f / 2.8时直径为25mm。在200mm处，f / 2.8时的入射光瞳宽约71mm。在这两种情况下，实际的物理膜片大小相同。变化的是光圈组件和镜头前部之间的放大倍数。

请注意，可变光圈变焦镜头通常也具有相同的原理。以一个18-300mm f / 3.5-5.6变焦镜头为例。f / 3.5的入瞳为18mm时，宽度约为5.14mm。在300mm处，f / 5.6的入射光瞳是53.6mm宽的十倍。请注意，大多数最大在300mm和f / 5.6处的变焦镜头的前端元件的直径略大于54mm。原因是所需的入瞳尺寸！如果300mm处的入射光仍像18mm和f / 3.5一样宽5.14mm，则300mm处的最大光圈将为f / 58！

那么，为什么所有变焦镜头都没有使用足够的放大倍率在整个变焦范围内保持恒定的光圈呢？主要是与生产恒定光圈镜头所需的额外尺寸，重量和复杂性相关的成本。

对于窄视角的镜头，入射光瞳不能大于镜头前部元件的直径。在200mm的f / 5.6光圈下，入射光瞳直径将近36mm。当前大多数可互换镜头的直径至少都很大，因为大多数现代可互换镜头相机上的安装法兰的直径约为42-54毫米。（请注意，我们所说的是安装法兰上孔的宽度，而不是传感器/胶片平面前面的安装法兰距离，即定位距离。）另一方面，在200mm f / 2.8孔径需要约71.4mm宽的入射光瞳。这就要求透镜的直径要比安装法兰上的孔大得多。

不仅镜筒和包围光路的所有镜片零件都需要更大，因此需要更多的原材料来制造，而且实际的光学元件的直径也必须都更大。为了保持相同的折射角而更厚。较大的镜头元件还会引入更多需要校正的像差。通常，镜片中最昂贵的材料是用于制造这些矫正光学元件的材料。添加元素来校正诸如色差之类的元素可能会带来其他问题，例如几何畸变，而不是需要更多的其他元素来进行校正。因此，不仅整个透镜和内部的许多光学元件都需要更大，而且还需要更多由更昂贵的材料制成的光学组件。

对于大多数人来说，除非他们真的需要更大的光圈，否则他们会随身携带更轻，更小巧的镜头，而他们所花的费用要少得多。

考虑到遇到的所有制造问题，现代变焦镜头的质量非常出色。制作者最喜欢的就是在整个变焦过程中保持最大光圈恒定。说起来容易做起来难。

f数是一个比率。在数学上，我们将焦距除以工作孔径直径以计算f值。我们需要将此值作为比率，因为比率是无量纲的。换句话说，f / 4镜头将相同的光能传递给胶片或传感器，而不管镜头的尺寸如何。例如，直径为25mm的光圈的100mm镜头的光圈为f / 4。这种间隙提供了与天文望远镜系统相同的图像亮度，该系统的焦距为4000mm，工作孔径为1000mm。两者都暴露相同的远景。

我们需要f数系统，因为它可以消除混乱。设置为与其他任何透镜相同的f值的任何透镜，都可以提供相同的图像亮度。这是因为焦距和光圈直径交织在一起。放大到更高的放大倍率时，图像会变暗。考虑将投影机从白墙上移得越来越远。当您将投影机从墙壁上移开时，墙壁上的投影图像会变大，并且由于光线必须覆盖更多的表面积，因此图像会变暗。与变焦镜头相同。

镜头制造商必须以某种方式补偿或无法在整个变焦过程中保持恒定的f值。大多数变焦无法保持恒定的f值。由于您已将自己定价于市场之外，因此它变得制造成本太高，并且销售将流失。

如何在整个变焦过程中保持恒定的f值？虹膜光圈位于移动镜头组的后面。前组的作用就像一个放大镜，使虹膜的表观直径看起来从前部看起来更大。随着镜头变焦到越来越大的放大倍数，该位置允许越来越多的光通过虹膜。前透镜元件的这种放置和作用引起必须校正的畸变和像差。此校正需要必须精确移动的复杂镜头元件。这增加了成本。底线是恒定光圈变焦非常昂贵。

变焦镜头是恒定光圈还是可变光圈首先与设计有关，其次与诸如打开或关闭光圈的机械因素有关。

变焦镜头通过移动某些元件来改变焦距而起作用。之所以有效，是因为厚透镜的焦距方程：

（1）菲= phi_1 + phi_2-（t / n）* phi_1 * phi_2

（2）EFL = 1 /披披

其中Phi是厚透镜的总光焦度，phi_1和phi_2是第一和第二表面的光焦度，t是它们之间的厚度，n是透镜的折射率。EFL代表有效焦距，俗称“焦距”。

包含任意数量元素的任何光学系统都可以精确地建模为单个薄透镜。该方程式也适用于薄透镜，但是当t = 0时，t / n项消失了。50mm f / 1.8镜头可以建模为焦距为50mm的单个薄镜头，设置为50mm的18-300mm镜头也可以建模。

您也可以使用此公式为2个薄镜片建模。只要镜头为正，您就可以看到，将它们进一步推开，t / n项将变大。随着焦距的增大，焦距会减小，焦距也会变大。

这是变焦镜头的本质。

将孔径光阑引入光学系统后，您就拥有了所谓的入射和出射光瞳。入射光瞳是由其前面的元素形成的孔径光阑的图像，而出射光瞳是由其后的元素形成的孔径光阑的图像。

光瞳的位置和大小就像镜头元件或实际的光圈挡块一样。镜头的f /＃可以近似为

（3）f /＃= EFL / EPD

其中f /＃是“焦距比”，EFL是有效焦距，EPD是入射光瞳直径。

让我们在两个被空气隔开的薄镜头中间放一个孔径光阑。如果我们通过向前移动镜头来增加镜头系统的EFL，则EPD会随之改变。如果我们通过向后移动镜头来增加镜头的EFL，则EPD不会随之改变，因为该镜头不会以任何方式影响入射光瞳。

碰巧的情况是，除非您进行非常大的变焦，否则用于EPD的光圈将以与焦距相同的速率增大。由于（3）的分子和分母都改变了相同的相对量，因此该比率仍然相同，因此我们的镜头可能已从70mm移至200mm，并保持了f / 4的光圈。

如果我们将镜头向后移动，通过将镜头从70mm放大到200mm，镜头的速度将减慢到f / 10左右。

现代变焦镜头具有3或4个变焦组，因此比这个简单的解释要复杂得多。如果它们都在光圈挡片的前面，这仍然是正确的。如果它们中的大多数都位于孔径光阑的前面，制造商将倾向于在镜头变焦时对光圈进行编程以使其打开/关闭，并仅仅欺骗间隙以使其表现得像恒定光圈镜头。

您可能想知道为什么不将所有小组放在停靠点的前面并完成它-有两个主要动机：

1）如果您强制所有变焦发生在光圈挡块的前面，则镜头的长度必定要比其两侧都能变焦的镜头更长。

2）如果允许您更改两侧元件的位置，则设计校正良好的镜头会更容易。