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不幸的是，其他答案只不过暗示着选择一个或另一个设计可能涉及的动机。它们都没有真正暗示固定和可变光圈变焦的真正区别。
还有就是其实在设计上相当根本的区别。几乎所有镜头中的光圈（形成光圈的部分）都在镜头中间附近。在固定光圈变焦中，只有光圈后面的元素会移动来进行变焦。在可变光圈缩放中，光圈后面和前面的元素都会四处移动以进行缩放。
至少在通常情况下，光圈的直径不会随着变焦而改变。这很容易验证-以不同的变焦倍率和最大光圈拍摄一些对焦不清晰的照片。至少对于典型的变焦镜头而言，失焦的高光在所有焦距下都将保持圆形，表明光圈始终保持敞开状态（圆形）。将镜头停下来几步，您将开始从光圈叶片的闭合处看到形状（尽管具有很多叶片的镜片，尤其是圆形叶片，会比其他叶片保留几乎是圆形的高光）。
当/如果光圈前面的元素在缩放过程中四处移动，您正在更改镜头那部分的（有效）焦距。然后，您将通过固定直径的光圈传输光线，这意味着（有效）f /光圈会发生变化。由于它仅受光阑前面元件的有效焦距变化的影响，因此该变化（通常）与总有效焦距的变化不完全相关-将元件移动到光阑后面会改变有效焦距长度而不改变有效光圈（例如，我的28-135具有近5：1的变焦范围，但光圈仅从f / 4.0变为f / 4.5）。
它们具有不同的光学器件，并且在相同的焦距范围内通常是大得多的镜头（将70-200mm f / 2.8与70-300mm f / 4.5-5.6比较，发现后者相对较小）。要在长端获得恒定的光圈，您需要具有更大的镜筒，因为光圈是焦距的比率。但是，如果您对示例进行数学计算：
18mm f / 3.5表示5.14mm的开口55mm f / 5.6表示9.82mm的开口
17mm f / 4.0表示4.25mm的开口40mm f / 4.0表示10mm的开口
很明显，两种情况下光圈的物理直径都可以更大。因此，无论哪种情况，您都可以得出这样的结论：在最广的范围内，您应该能够达到f / 2.0或大约f / 2.0，然后您的沙袋场景将适用于这两种情况。另一方面，对于后者，可以简化光学器件，从而最终达到最佳质量。所以...权衡。
在任何情况下，变焦都涉及相当复杂的结构，远比定焦镜头要复杂得多，因此，围绕着各种焦距的光学校正，光圈对校正的影响等都存在很多考虑因素。考虑到镜片的设计和相关的成本，尝试在短端变宽可能会导致图像中的柔和度或某些其他形式的像差，这是非常不可接受的。
最后，可以肯定的是，两者之间存在不同的光学结构。哎呀，相同配置但不同制造商的镜头之间的光学结构不同。归结为成本与收益，到最后，对于给定结构的镜片，市场将承受什么价格。
简而言之，比率f / 4.0表示光圈的有效尺寸是焦距除以4-对于600mm f / 4.0而言，这并不意味着光圈叶片实际上有一个150mm的孔，只是镜头表现得好像。（如果您看一下佳能600 f / 4.0的设计，很明显镜头中间没有150mm的开口）。
这是恒定光圈镜头背后的原理，尽管脸部的物理光圈显然保持不变，但虚拟光圈的大小会在整个变焦范围内变化。
所有变焦都会改变虚拟光圈或有效光圈的大小，而变焦时，“恒定光圈”（真正恒定的f比率）只需更改光圈就足以使光圈与焦距的比率保持相同。“恒定光圈”透镜的设计没有根本不同，只是表观光圈变化的程度不同。
为了窃取约翰的答案中的数字（以免再次计算），提到的两个镜头的虚拟光圈大小为：
佳能EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 5.14mm @ 18mm-9.82mm @ 55mm
佳能EF 17-40mm f / 4.0 4.25mm @ 17mm-10mm @ 40mm
如果18-55的光学元件在较长的一端设置了15mm的虚拟光圈，则它将是恒定光圈镜头（@ f / 3.5），这将是非常昂贵的，但是由于[相对]较大的变焦范围，这就是为什么便宜的镜头，仍然是f / 5.6
在恒定光圈镜头中没有沙包，在镜头的广角端尽力而为，这是因为它的设计使其在长焦端表现得更快！
我的问题是：这些优质的镜头是在较宽的设置下打沙包，还是它们具有不同的光学系统，可在整个变焦范围内保持相同的光圈？
请记住，使用f值表示光圈时，它表示为焦距的一小部分，因此在变焦时，相同的光圈有效直径表示为不同的数。20mm时的f / 2.8是40mm时光圈有效直径的一半。因此，恒定的光圈变焦实际上并不是这样“在整个变焦范围内保持相同的光圈”。实际上，在整个变焦范围内保持相同的光圈有效直径的18-55变焦将类似于f / 3.5-10.7。
因此，这两种变焦镜头都无法真正保持相同的光圈有效直径。 注意，有效直径也不一定是光圈环的真实直径，因为部分缩放效果是光圈环本身被放大了。但是有效直径是相关的。
镜头设计师努力解决许多问题，包括色差，畸变，锐度和渐晕。对于变焦镜头，这更加困难，因为它们不仅要解决单个焦距问题，还要解决整个变焦范围的问题。但是，所有镜片的设计都会因为存在许多相反的作用力而做出折衷。对于变焦镜头，镜头设计者可以决定在变焦范围内的每个焦距下，它们可以消除的光圈，而不会出现过多的柔化或诸如渐晕之类的其他问题。
理想的是，变焦镜头在望远端的光圈有效直径要比在广角端的光圈有效直径大得多，因为随着图像的放大，需要更多的光才能使相同量的光落在传感器/胶片上。也就是说，您需要使其宽度更大才能达到相同的f值。
较便宜的变焦通常比更昂贵的变焦更能损害远端的速度。
恒定光圈变焦（如您提到的佳能EF 17-40mm f / 4.0 L）做出了不同的折衷。他们付出了更多的努力才能在望远端获得更大的有效光圈。结果，尽管如此，他们使用了更多的玻璃并制作了更重的镜头。由于一切也是折衷方案，因此他们不希望在长焦端获得更大的光圈来增加广角端的柔度或渐晕，从而限制了广角端的最大光圈。因此，与更便宜，更轻的“可变”（实际上，实际光圈直径的变化实际上更少）光圈变焦相比，您可以获得不同的光圈大小平衡，而它真正取决于的是在哪种情况下进行了权衡镜头设计。
适当地组合凹凸元素可以减少整个变焦范围内的光损失。尽管f / 4.0似乎让您在更快的光圈上受骗，但这更多是由于获得了清晰的图像而没有色差，同时在整个变焦和焦距范围内保持一致的定时和照明而造成的。
佳能有很多很好的文献来解释这一切，以及在一些较新的镜头中如何使用光学衍射来抵消以前常规光学的所有缺点。我会在再次找到它后将其发布。
有趣的是，（当前）接受的答案完全错误了。从传感器的侧面（不会有太大的意义），而不是前透镜，可以看到其“光圈之前”和“光圈之后”的术语。
入射光瞳，即通过前透镜看到的光圈开口的图像，其直径与以恒定数值光圈变焦时的焦距成正比（这是摄影师使用的光圈，通常对应于物理光圈的开口尺寸叶片）。显然，这种表观尺寸的改变要求在光圈和前透镜之间改变透镜元件。这种变化足以影响恒定数值下所需的焦距变化简单设计的光圈；但是，现代变焦镜头所包含的要素远远超过确定焦距的要素：还涉及许多校正要素。因此，除了前组之外，任何后组是否移动都取决于确切的光学方法。