Dlaczego obiektywy superzoom są małe, ale gigantyczne teleobiektywy są ogromne?

W tym tygodniu przeczytałem dwie wiadomości o dwóch różnych obiektywach aparatu, które mogą powiększać obiekty, które są bardzo daleko.

Pierwszym jest Nikon Coolpix P900 , który jest aparatem typu wyceluj i strzelaj, który kosztuje 600 USD, ma 83-krotny superzoom optyczny („to samo pole widzenia, co obiektyw 2000 mm w aparacie pełnoklatkowym”) i pozwala widzisz kratery księżyca.

Drugi to obiektyw Canon EV 1200 mm f / 5.6 L USM , który waży 36 funtów, kosztuje 180 000 USD i może wykonywać portrety ludzi o pół mili.

Nie-fotograf może zapytać: „Dlaczego ktoś miałby oszczędzać swoje życie na gigantycznym teleskopie obiektywu, skoro można robić odległe zdjęcia za pomocą aparatu ręcznego za 1/300 ceny?”

Cóż, w zasadzie nie jestem fotografem i chciałbym zadać to pytanie. Co daje ci ten duży, czego ten mały nie zapewnia? Rozumiem, że niewielkie zmiany w soczewkach mogą mieć duży wpływ na wielkość i cenę, ale wydaje się, że ma to zupełnie inną skalę.

Co się dzieje z optyką obiektywów, która sprawia, że ​​ta mała może być taka mała, a duża musi być ... duża?

Staram się uzyskać podstawową intuicję, co odróżnia soczewki, i zdaję sobie sprawę, że nie rozumiem wystarczająco dobrze, jak działają soczewki, aby nawet wiedzieć, jak porównać te jabłka i arbuzy.

Przywoływany przez ciebie obiektyw 1200 mm jest czymś w rodzaju aberracji, ponieważ jest zbudowany na zamówienie, a nie do powszechnego rynku - zobacz Dlaczego niektóre duże teleobiektywy są tak drogie w porównaniu do teleskopów? i dlaczego niektóre obiektywy są tak drogie? . Ale obowiązuje ogólna zasada: obiektywy do lustrzanek cyfrowych i większości aparatów bezlusterkowych są gigantyczne w porównaniu do obiektywów superzoom. Istnieją trzy ogólne przyczyny:

1. Czujnik w tych kamerach superzoom jest zwykle niewielki - zwykle 1 / 2,3 ", co oznacza„ miniaturę ". Natomiast czujniki w wysokiej klasy lustrzankach cyfrowych są zwykle wielkości tradycyjnych filmów 35 mm i tych ze średniego zakresu a niższe lustrzanki cyfrowe i aparaty bezlusterkowe nadal są zasadniczo w tym boisku, i wiele razy większe niż w superzoomie. Oznacza to, że obiektyw musi wystawać o wiele mniejszy okrąg i może z kolei być mniejszy.
2. Nie zawsze, ale często te duże, ciężkie obiektywy mają szybsze maksymalne przysłony. Że wymaga większej przedni element (co najmniej!) - co oznacza więcej szkła, więcej wydatków, większą wagę. Byłoby możliwe zaprojektowanie aparatu superzoom z szybszym (szerszym maksymalnym otworem) obiektywem, ale dzięki temu obiektyw stałby się większy (i prawdopodobnie trudniejszy do zrobienia przy tak gigantycznym zakresie ogniskowych). Byłoby to sprzeczne z celem projektowym, więc ogólnie go nie widzisz. Innymi słowy, jest to rodzaj tautologii: aparaty superzoom mają małe obiektywy z dużym zakresem zoomu, ponieważ to robią .
3. Znowu nie zawsze, ale także często: od lustrzanek oczekuje się więcej, więc są one zaprojektowane tak, aby spełniać wyższe oczekiwania. Cała konstrukcja obiektywu jest kompromisowa pod względem wielkości, wagi, kosztu lub jakości obrazu w wielu różnych odmianach - zobacz Jakie cechy jakości obrazu czynią obiektyw dobrym lub złym? . Większość projektów superzoom ma takie priorytety i pozwala ludziom żyć z wynikami (zakładając, że mniej wybredni kupcy na tym rynku) lub automatycznie zastosować szeroką korektę oprogramowania.

Ten niesamowity zakres zoomu jest całkiem fajny, a maksymalny odpowiednik ogniskowej wydaje się niesamowity. Ale płacisz cenę. Mniejszy czujnik z natury ogólnie gromadzi mniej światła, tylko dlatego, że jest go mniej. To oznacza więcej hałasu i nie ma sposobu, aby oszukać fizykę na tym. W rzeczywistości możesz po prostu wyciąć środek z obrazu DSLR jednym z tych dużych obiektywów i prawdopodobnie uzyskać mniej więcej równoważny wynik, nawet jeśli rozdzielczość byłaby nominalnie niższa (chyba że masz bardzo wysokiej klasy lustrzankę cyfrową). Jest tak, ponieważ z praktycznego punktu widzenia zoom jest praktycznie nie do odróżnienia od kadrowania .

Dla przykładu, oto kadr ze zdjęcia, które Kyla Duhamel wzięła ze swojego podwórka i opublikowała na Flickr na licencji CC-BY, używając zoomu na poziomie konsumenta dla lustrzanki cyfrowej na poziomie konsumenta Nawet przy tej uprawie nie wypełnia klatkę, ale myślę, że rzeczywisty szczegół jest mniej więcej porównywalny z tym w połączonym filmie.

To o wiele soczewek nas również nazwać „superzoom” (terminologia jest niesamowicie mylące czasami!), Canon 18-200mm f / 3.5-5.6. Ten obiektyw waży około 1,3 funta i ma 4 cale długości - profesjonalny model Canon 70–200 mm f / 2,8 (zwróć uwagę na zmniejszony zakres zoomu, mimo że oba kończą się na 200 mm!) Waży ponad dwa razy więcej niż 2,9 funta i prawie dwa razy tak długo i prawdopodobnie może zrobić to nieco lepiej w szczegółach - ale księżyc nie jest tak naprawdę głównym wyróżnikiem tych modeli. Zamiast tego zwiększa ostrość, zmniejsza zniekształcenia i inne artefakty, szybszy maksymalny otwór, bardziej solidną budowę i tak dalej.

Nadal masz jednak większy rozmiar, wagę i koszty. W zamian, ogólnie rzecz biorąc, uzyskujesz lepszą jakość obrazu poza sytuacją „zepsutą do końca” (i wcale nie o wiele gorzej w tym przypadku).

Obiektyw Canon ma ogniskową 1200 mm i maksymalną przysłonę f / 5.6, podczas gdy obiektyw Nikon ma ogniskową (na długim końcu) 357 mm i maksymalną przysłonę f / 6.5. Tak więc obiektyw Canon jest dłuższy i ma szybszy otwór, co wymaga większego elementu przedniego, 214 mm w stosunku do 55 mm. Jest to istotna różnica, która powoduje, że Canon jest większy, cięższy i droższy.

Nikon widzi dalej, ponieważ ma mniejszą matrycę, jest to naprawdę odpowiednik robienia zdjęcia i przycinania niewielkiej części w odległości zwykłego obrazu i wysadzania go w powietrze. Spowoduje to uchwycenie mniejszej liczby szczegółów. W związku z tym obiektyw Nikon wyświetla znacznie mniejszy okrąg obrazu i przechwytuje mniej światła, w rzeczywistości 15 razy mniej, co oznacza obraz z większym poziomem szumów.

Więc chociaż obiektyw Canon jest droższy, daje jaśniejszy, ostrzejszy obraz.

Rozmiar obiektywu i czujnika są podobne. Olbrzymi teleobiektyw działa przeciwko czujnikowi, który jest 6 razy dłuższy i 6 razy szerszy niż czujnik mini kamery superzoom.

Rezultatem jest soczewka, w której każdy element ma 6-krotną średnicę i 6-krotną grubość. Odległości między elementami są również powiększane 6-krotnie, a wynik: 6 * 6 * 6 = 216 razy większy! Natomiast soczewka o długości 8 cm będzie miała 48 cm długości (3 vs 18 cali).

Następnie właściciel dużego obiektywu chce również, aby działał lepiej niż ten mini zoom - jest więc bardziej precyzyjny i może ma więcej komponentów o jeszcze większej średnicy.

A w górę cena i rozmiar ...

Dlaczego miałbyś kupować dobry obiektyw? Ponieważ robi dobre zdjęcia. Wszystkie inne rzeczy są jednakowe, jakości obrazu i przysłony o stałej długości ogniskowania nie można uzyskać za pomocą obiektywu zmiennoogniskowego o tej samej cenie.

Zoom ma z zasadniczych powodów więcej wewnętrznych soczewek, które wprowadzają więcej błędów i więcej odbić, i musi maskować te błędy przy mniejszym otworze.

Dlaczego pożądany jest duży otwór? Daje swobodę grania z głębią pola, rozmycie tła; i oczywiście pozwala zrobić lepsze zdjęcie przy słabym świetle. ¹ Duży otwór przysłony jest również wskaźnikiem jakości obiektywu (jeśli założymy, że producent ma taki sam minimalny standard jakości obrazu dla każdego obiektywu przy maksymalnym otworze). Obiektyw o dużej aperturze powinien zapewniać lepszą jakość obrazu przy aperturze tańszego, mniejszego obiektywu o takiej samej ogniskowej.

Jako przykład znaczenia jakości i głębi ostrości: Kiedyś zrobiłem to zdjęcie Nikonem 135 mm / f2 (chociaż nie pamiętam faktycznego ustawienia przysłony):

Porównanie z Coolpix jest nieco niesprawiedliwe, ponieważ obraz został wykonany na kliszy 35 mm, co ułatwia uzyskanie małej głębi ostrości; w każdym razie zakładam, że nie można zrobić tego zdjęcia z tym 83-krotnym super zoomem. Rama tak; ale tło byłoby znacznie mniej rozmyte.

Główną wadą obiektywów o dużej aperturze jest ich rozmiar, waga i wartość. Nie jest niczym niezwykłym, że ludzie kupują bardzo drogi sprzęt, a następnie nigdzie go nie zabierają, ponieważ jest nieporęczny, a także może zostać skradziony lub uszkodzony, więc zawsze kończą przy użyciu taniego, małego sprzętu na co dzień.