Почему суперзум-объективы маленькие, а гигантские телеобъективы огромны?

На этой неделе я прочитал две новости о двух разных объективах фотоаппаратов, которые могут усиливать очень далекие вещи.

Первая - это Nikon Coolpix P900 , которая представляет собой камеру типа «наведи и снимай» стоимостью 600 долларов США, оснащена объективом с 83-кратным оптическим увеличением («то же поле обзора, что и у объектива 2000 мм на полнокадровой камере») и позволяет Вы видите кратеры луны.

Второй - объектив Canon EV 1200 мм f / 5,6 л USM , который весит 36 фунтов, стоит 180 000 долларов и может снимать портреты людей за полмили.

Не фотограф может спросить: «Зачем кому-то тратить свои сбережения на гигантский телескоп объектива, когда вы можете делать снимки на расстоянии с помощью ручной камеры за 1/300 цены?»

Ну, я в основном не фотограф, и я хотел бы задать этот вопрос. Что дает большой, чего не дает маленький? Я понимаю, что небольшие изменения в объективах могут иметь большое значение в размере и цене, но, похоже, это совершенно другой масштаб.

Что происходит с оптикой линз, которая позволяет маленькому быть таким маленьким, а большой - таким ... большим?

Я пытаюсь понять основы того, что отличает линзы, и я понимаю, что недостаточно разбираюсь в том, как работают линзы, чтобы даже знать, как сравнивать эти яблоки и арбузы.

Объектив 1200 мм, который вы цитируете, является чем-то вроде аберрации, поскольку он построен по заказу, а не объектив для общего рынка - см. Почему некоторые большие телеобъективы так дороги по сравнению с телескопами? и почему некоторые линзы такие дорогие? , Но общее правило остается в силе: объективы для зеркальных и большинства беззеркальных камер гигантские по сравнению с объективами в суперзум-камерах. Для этого есть три основные причины:

1. Сенсор в этих суперзум-камерах имеет тенденцию быть небольшим - обычно 1 / 2,3 "класса, что означает« размер миниатюры ». Напротив, датчики на высококачественных зеркальных фотокамерах обычно имеют размер традиционной 35-мм пленки, а датчики - на среднем диапазоне и более низкие зеркалки и беззеркальные камеры по-прежнему находятся в основном на этом этапе, и во много раз больше, чем у суперзума. Это означает, что объектив должен проецировать гораздо меньший круг и, в свою очередь, может быть меньше.
2. Не всегда, но часто эти большие, тяжелые объективы имеют максимальные максимальные значения диафрагмы. Это требует большего переднего элемента (по крайней мере!) - что означает больше стекла, больше расходов, больше веса. Можно было бы сконструировать камеру с увеличенным зумом с более быстрым объективом (с более широкой максимальной апертурой), но это сделало бы объектив больше (и, возможно, его было бы сложнее сделать с таким гигантским диапазоном увеличения). Это пошло бы вразрез с целью проектирования, и поэтому вы обычно этого не видите. Другими словами, это своего рода тавтология: у суперзум-камер маленькие объективы с большим диапазоном зума, потому что они есть .
3. Опять же, не всегда, но также часто: от зеркальных линз ожидается больше, поэтому они рассчитаны на более высокие ожидания. Вся конструкция объектива является компромиссной по размеру, весу, стоимости или качеству изображения во многих различных вариациях - см. Какие характеристики качества изображения делают объектив хорошим или плохим? , Большинство суперразумов придают этому приоритетное значение и либо позволяют людям жить с результатами (при условии, что на этом рынке будет меньше требовательных покупателей), либо автоматически применяют обширную коррекцию программного обеспечения.

Этот удивительный диапазон масштабирования довольно крутой, а максимальный эквивалент фокусного расстояния кажется потрясающим. Но вы платите цену. Меньший датчик по сути собирает меньше света в целом только потому, что его меньше. Это означает больше шума, и на этом нет никакого способа обмануть физику. На самом деле, вы могли бы просто обрезать центр из DSLR-изображения с помощью одного из этих больших объективов и, возможно, получить примерно эквивалентный результат, даже если разрешение было бы номинально ниже (если только у вас не очень высокая зеркальная камера). Это потому, что с практической точки зрения зум практически неотличим от кадрирования .

В качестве примера, вот кадрирование из изображения, которое Кила Дюамель взяла со своего заднего двора и разместила на Flickr под лицензией CC-BY, используя масштабирование на уровне потребителя для DSLR на уровне потребителя. Даже при этом кадре это не заполняет кадр, но я думаю, что фактические детали примерно сопоставимы с тем в видео, которое вы связали.

Это с объективом, который многие из нас также называют «суперзумом» (терминология иногда очень запутанная!), Canon 18-200mm f / 3.5-5.6. Вес этого объектива составляет около 1,3 фунта, а длина - 4 дюйма. Профессиональная модель Canon 70-200 мм f / 2,8 (обратите внимание на уменьшенный диапазон зума, несмотря на то, что оба объектива имеют длину 200 мм!) Весит более чем в два раза больше - 2,9 фунта и почти вдвое больше. до тех пор, пока, возможно, в деталях будет лучше, но на самом деле Луна не является основным отличием между этими моделями. Вместо этого это увеличило резкость и уменьшило искажения и другие артефакты, более быструю максимальную апертуру, более твердое телосложение и так далее.

У вас все еще есть больше размера, веса и стоимости, хотя. В обмен на это вы обычно получаете лучшее качество изображения за пределами этой ситуации "изо всех сил" (и на самом деле не намного хуже в этом случае).

Объектив Canon имеет фокусное расстояние 1200 мм и максимальную диафрагму f / 5,6, в то время как объектив Nikon имеет фокусное расстояние (на длинном конце) 357 мм и максимальную диафрагму f / 6,5. Таким образом, объектив Canon длиннее и имеет более быструю диафрагму, что требует большего переднего элемента, 214 мм против 55 мм. Это существенная разница и делает Canon больше, тяжелее и дороже.

Nikon может видеть дальше из-за наличия меньшего сенсора, это на самом деле эквивалентно фотографированию, обрезанию крошечной части на расстоянии обычного изображения и ее взрыву. В результате вы получаете меньше деталей. Соответственно, объектив Nikon проецирует намного меньший круг изображения и захватывает меньше света, фактически в 15 раз меньше, что означает изображение с большим шумом.

Таким образом, хотя объектив Canon более дорогой, он дает более яркое и четкое изображение.

Объектив и датчик связаны по размеру. Гигантский телеобъектив работает против сенсора, длина которого в 6 раз больше, а ширина в 6 раз больше, чем у сенсора мини-камеры Superzoom.

В результате получается линза, в которой каждый элемент в 6 раз больше диаметра и в 6 раз больше толщины. Расстояния между элементами также увеличиваются в 6 раз. И результат: 6 * 6 * 6 = 216 раз тяжелее! Объектив с удлинением на 8 см будет иметь длину 48 см (3 против 18 дюймов).

Кроме того, владелец большого объектива также хочет, чтобы он работал лучше, чем этот мини-зум, поэтому он более точный и, возможно, имеет больше компонентов даже большего диаметра.

И идти вперед цена и размер ...

Почему вы покупаете хороший объектив? Потому что это делает хорошие снимки. При прочих равных условиях качество изображения и диафрагму с фиксированной фокусной длиной невозможно получить с помощью зум-объектива той же цены.

Зум имеет по принципиальным причинам больше внутренних линз, которые вносят большую погрешность и больше отражения, и должны маскировать эти ошибки с меньшей апертурой.

Почему желательна большая апертура? Это дает вам свободу играть с глубиной резкости, размытым фоном; и это, очевидно, позволяет сделать лучшую фотографию при слабом освещении. ¹ Большая диафрагма также является показателем качества объектива (если предположить, что производитель имеет одинаковый минимальный стандарт качества изображения для каждого объектива с максимальной диафрагмой). Объектив с большой апертурой должен обеспечивать лучшее качество изображения при апертуре более дешевого объектива с меньшей апертурой и одинаковым фокусным расстоянием.

В качестве иллюстрации важности качества и глубины резкости: однажды я сделал этот снимок на Nikon 135 мм / f2 (хотя я не помню фактическую настройку диафрагмы):

Сравнение с Coolpix немного несправедливо, потому что изображение было сделано на 35-мм пленке, что облегчает получение небольшой глубины резкости; в любом случае я предполагаю, что это изображение будет невозможно сделать с этим 83-кратным супер-зумом. Кадр, да; но фон будет гораздо менее размытым.

Основными недостатками линз с большой апертурой является их размер, вес и стоимость. Нередко люди покупают чрезвычайно дорогое оборудование, а потом никогда его не берут, потому что оно громоздко, а также может быть украдено или повреждено, поэтому они всегда заканчивают тем, что используют свое дешевое, маленькое повседневное оборудование.