Nem sei se o certo é diâmetro da lente, visto que o termo usado é " tamanho do filtro"ou " filter size".Enfim, por que existe essa diferença ?
O tamanho da 17-40 é maior que o da 17-50 que é maior que o da 18-55mm.
A qualidade é melhor por causa do tamanho do filtro ou o tamanho é maior por causa da qualidade da lente ? Ou não tem nenhuma relação ?
Simplificando, quanto mais clara (maior a abertura para entrar mais luz) maior o elemento frontal. Quanto mais grande angular, maior o elemento frontal.
Lentes teles e superteles teoricamenet poderiam usar filtro com diâmetro pequeno, mas para que sejam menos escuras o elemento frontal acaba sendo bem grande. Como exemplo tanto a 400mm f5.6, como a 24-105L, 70-200 f2.8L, como a 17-40L todas usam filtros com 77mm. Já a 70-200 f4, por exmeplo, usa filtro de 67mm. A Canon costuma usar bastante filtros com 58mm, 67mm e 77mm. Com menos frequência 72mm, 52mm e mais recentemente um par de lentes usa filtros de 82mm. Algumas lentes Sigma usam filtros de 105mm…
Boas fontes:
http://www.amazon.com/Science-Curious-Photographer-Introduction-Photography/dp/1568815816
O segundo livro eu comprei por engano (cliquei no “buy with one click” da versão para kindle). Ao final achei o livro bom. Cheio de curiosidades, como explicação técnica da cor branca de algumas lentes Canon, bem como lentes radioativas 
Uma lente precisa ter um diâmetro maior para entrar mais luz. Exemplo, uma 100m. f/4, em sua abertura máxima, precisa de um diâmetro do diafragma de 25mm. Se essa lente fosse de abertura máxima f/2.0, precisaria de um diâmetro de 50mm. Mais dois exemplos reais, compare o tamanho da Canon 70-200 f/4, com a 70-200 f/2.8, essa última é absurdamente maior que a primeira.
Ambas as minhas 50mm e 85mm sao f1.8 mas a 85mm tem diametro maior. Talvez seja por causa da expessura.
Sou absolutamente ignorante em projeto de elementos ópticos, mas as lentes que tenho aqui contradizem o que está sendo colocado pelos colegas.
70-300 4-5.6 52 mm
18-135 3.5-5.6 67 mm
40 2.8 filtro 52 mm (mas o elemento frontal é BEM menor)
50 1.8 52 mm
A mim a princípio não salta aos olhos uma relação tão direta entre abertura, DF e tamanho do elemento frontal.
Heim???
Algumas lentes antigas usaram material radioativo. Vai ser mais fácil colocar abaixo um trecho curto sobre o tema:
https://dl.dropboxusercontent.com/u/12909423/mf/LenteRadioativa.jpg
Leitura é sempre saudável…
O f-stop de uma lente é uma relação entre a distância focal e a abertura. Por isso que uma 2.8 30mm é muito menor que uma 200mm 2.8.
Explicando melhor, hipotéticamente falando, pois a abertura da lente não é de fato medida em mm:
50mm/25mm = 2
200mm/x = 2?
Sendo x o diametro do elemento frontal, este teria que ter 100mm de diametro.
Mas e lentes antigas que tem grandes aberturas mesmo com um elemento frontal pequeno? Tenho uma Jena Tessar 50 2.8 e o primeiro elemento deve ter uns, sei lá 30mm.
Não entendi essas contas. Poderia exemplificar melhor?
o tamanho do elemento frontal e do diâmetro de filtro tem relação direta com a distância focal (os mm da lente), a abertura máxima, o ângulo de visão…
Não tem como ser tudo igual, a não ser que todas fossem por exemplo 82mm de rosca de filtro… mas não tem lógica isso.
o número f (f-number) é a razão direta do comprimento focal e o diâmetro de abertura do diafragma (não necessariamente do elemento frontal, apesar de guardar certa relação)
Se o diafragma abre 25mm em uma lente 50mm, o f/ dela é 2.0 …
Se o diafragma abre 50mm em uma lente 100mm o f/ também é 2.0 … por isso cada lente tem que ter medidas diferentes de filtros.
Acredito que por serem totalmente mecânicas/manuais, não precisando acomodar partes eletrônicas, elas ficam menores. Por exemplo, ao desmontar uma lente eletrônica atual, a parte ótica é bem mais fina, e por volta disso ficam as partes eletrônicas.
É isso mesmo, Luciano. Acho que tava faltando alguém explicar essa realação. 
O f-number nada mais é que a distância focal dividido pela abertura do diafragma. Numa lente 200mm f2.8 a abertura do diafragma é de 71,43mm (já que 200 dividido por 71,43 é igual a 2.8). E quanto maior a abertura do diafragma, maiores serão os elementos ópticos. É meio óbvio, não?
Agora, o tamanho do filtro é questão do fabricante. É meio arbitrário. Depende da construção da lente, do tamanho da “carcaça” da mesma. Mas é óbvio que o filtro não pode ser menor que os elementos ópticos.
Ainda não vejo a relação direta de abertura e DF com diâmetro do elemento frontal, ou mais precisamente, do máximo diâmetro da pupila com o elemento frontal (a não ser, claro, que este deve ser maior que aquela).
Por exemplo, a 50 1.8 tem máximo diâmetro de 50/1.8=25 mm.
A 18-135 3.5-5.6 tem máximo diâmetro em 135 mm de 24 mm.
Duas lentes com diâmetros de abertura similares mas com elementos frontais bem diferentes.
Não sei o tamanho da 18-135 em relação à 50mm 1.8, mas você está comparando uma lente EF com uma EF-S.
Lentes EF-S foram feitas para sensor APS-C. Como as bordas das lentes EF não aparecem no sensor APS-C, é como se eles tivessem “retirado” as bordas para economizar vidro.
Acontece que a EF-S tem o vidro MAIOR (67 mm contra 52 mm da cinquentinha, considerando o diâmetro do filtro).
Eh mais ou menos o que eu quis dizer…
E quanto a essa lente Nikon Nikkor AF-S 200 mm f/2G… Pelo tamanho dela deveria ser f/0.8 ou mais.
É só colocar em uma fórmula:
DF = Distância Focal
A = Abertura
F = F-Stop
F = DF/A
Pegar a 50mm 1.8 e a 35mm 1.8.
50mm/1.8 = 27mm de abertura
35mm/1.8 = 19mm de abertura
Portanto para uma mesma abertura de lente, o tamanho do BURACO onde a luz entra pode ser menor, para ter a mesma proporção.
Isso é basicamente o tamanho do elemento frontal.
Outro exemplo:
A 18-135 tem 5.6 de abertura em 135 mm. Isso quer dizer (em 135 ela tem abertura 5.6):
135mm / 5.6 = 24 mm
Isso também não significa que o elemento frontal será de 24mm, mas sim que nao deve ser MENOR do que isso. É apenas um parametro. A pergunta básica é porque uma lente 400mm 2.8 vai ser GIGANTE. A resposta está no cálculo:
400mm / 2.8 = 142 mm
http://www.adorama.com/images/300x300/nk40028afvru.jpg
As dimensões: Aproximadamente 16.00 x 36.83 cm. Veja que o elemento frontal tem tamanho parecido com os 142mm que encontramos no cálculo.
Na prática é um pouco mais complicado que isso. Esses nossos cálculos apenas aproximam a ideia da proporção. Uma explicacao mais detalhada tem na wikipedia. f-number - Wikipedia
Porque???
Pela aproximação o elemento frontal nao pode ser menor do que 10cm:
200mm / 2 = 100mm.