Как производители получают высокие (83x) уровни масштабирования на гибридных камерах?

Очевидно, что самый большой гибридный зум на рынке (Nikon Coolpix P900, я думаю) не имеет фактической длины от 24 мм до 2 метров, но какие оптические системы используют производители, чтобы довести оптическое увеличение до таких высоких (83x) уровней?

Эти гибридные камеры с большим зумом сравнительно дешевы по сравнению с обычными супер телеобъективами DSLR, поэтому, похоже, они вообще не используют одни и те же дорогие оптические элементы. Им удается упаковать 83x в 20 см или около того, в то время как лучшие 600-миллиметровые DSLR-линзы примерно вдвое длиннее, примерно в 12 раз, поэтому мне интересно, как они это делают, сколько света теряется в процессе и т. Д.

Другая нить о артефактах P900 заставляет меня задуматься, включает ли в себя то, что они называют 83-кратным «оптическим» зумом, некоторую электронную обработку.

Я думаю, что использование термина 83X, хотя это правда, вводит в заблуждение. Coolpix делает замечательную работу, когда дело доходит до его оптического диапазона, который составляет 83X. Это на самом деле называется диапазоном масштабирования. Математика такова: мощность объектива камеры регулируется от 4,3 мм широкоугольного до 357 мм телеобъектива, что составляет 357 ÷ 4,3 = 83. Другими словами, диапазон увеличения составляет 83X. Для этого объектив сконструирован с использованием 16 отдельных стеклянных объективов , Некоторые склеены, некоторые воздушные пространства. Есть 12 групп линз, каждая из которых разделена воздухом. При увеличении расстояние в воздушном пространстве изменяется, и это приводит к изменению силы объектива. Диапазон увеличения от широкоугольного на 4,3 мм до телефото на 357 мм.

Когда фотографы обсуждают свои объективы, тот факт, что диапазон увеличения составляет от 4,3 мм до 357 мм, мало понятен. Это связано с тем, что в качестве критерия, определяющего характеристики объектива, используется гораздо более крупная пленочная камера. Это 35-мм пленочная камера, которая была у нас почти 100 лет. Из-за его популярности мы говорим о объективах камер в терминах, которые на самом деле относятся только к этим почтенным типам камер. Однако мы можем сделать сравнения

Это выглядит так: Nikon Coolpix P900 - супер миниатюрная камера, поэтому она создает миниатюрные изображения, размер которых составляет всего около 18% от размера уважаемой 35-мм камеры. 35 мм на самом деле в 5,6 раза больше. Таким образом, мы умножаем 4,3 X 5,6 = 24 и 357 X 5,6 = 2000. Теперь мы можем сказать, что Coolplix работает так, как будто диапазон масштабирования составляет 24-2000 мм. Теперь 50 мм считается «нормальным». Короче объектив называется «широкоугольным». Линза длиннее называется телеобъективом. Поскольку при полном увеличении «50 мм» является «нормальным», что эквивалентно 2000 мм, объекты будут выглядеть на 2000 ÷ 50 = 40X больше. Другими словами, птица на дереве в 1000 футах будет изображаться так, как если бы она была всего в 25 футах.

Как они добираются до 83х?

Размер сенсора (1 / 2,3 "), физическая длина, потеря диафрагмы (f / 2,8-8).

В телефоне Samsung S9 + используется сенсор 1 / 2,55 ", в Nikon P900 и P1000 - сенсор 1 / 2,3".

Очевидно, что самый большой гибридный зум на рынке (Nikon Coolpix P900, я думаю) не имеет фактической длины от 24 мм до 2 метров, но какие оптические системы используют производители, чтобы довести оптическое увеличение до таких высоких (83x) уровней?

Фокусное расстояние объектива:

P900 : 4,3-357 мм (угол обзора эквивалентен объективу 24-2000 мм в формате 35 мм) 67-мм фильтр

Объектив f / -номер: f / 2.8-6.5, Конструкция объектива: 16 линз в 12 группах, Увеличение объектива: 83x

P1000 : 4,3-539 мм (угол обзора эквивалентен объективу 24-3000 мм в формате 35 мм) 77 мм фильтр

Объектив f / -номер: f / 2.8-8, Конструкция объектива: 17 линз в 12 группах, Увеличение объектива: 125x

Длина без тела: 7,2 дюйма (181,3 мм). Полностью увеличенный вдвое.

Эти гибридные камеры с большим зумом сравнительно дешевы по сравнению с обычными супер телеобъективами DSLR, поэтому, похоже, они вообще не используют одни и те же дорогие оптические элементы. Им удается упаковать 83x в 20 см или около того, в то время как лучшие 600-миллиметровые DSLR-линзы примерно вдвое длиннее, примерно в 12 раз, поэтому мне интересно, как они это делают, сколько света теряется в процессе и т. Д.

Nikon AF-S 200-500 мм f / 5.6E ED VR, 95 мм фильтр. Прибл. Размеры (диаметр х длина): 4,2 дюйма х. 10.5 в . Этот объектив не удваивает свою длину при увеличении и не темный или длинный зум; Кроме того, он стоит 1300 долларов США, больше, чем 1000 долларов США, или более чем в два раза дороже 600 долларов США.

Объектив f / -number: f / 5.6, Конструкция объектива: 19 элементов в 12 группах, Zens Zoom: 200/35 = 5.71 и 500/35 = 14.29, если вы хотите сравнить его таким образом.

Sigma 300-800 мм F5.6 HSM APO CONV EX DG D, задний фильтр 46 мм, прибл. Размеры (диаметр х длина): 6,2 х 21,3 в . Конструкция объектива: 18 элементов в 16 группах. Увеличение объектива: 300/35 = 8,57 и 800/35 = 22,86, если вы хотите сравнить это таким образом. Цена U $ 8000 (доступно в августе 2018).

Сравните эти потребительские объективы с профессиональными объективами Fujifilm UA107x8.4BESM.

Fujifilm UA107x8.4BESM 8,4-900 мм и со встроенным 2-кратным удлинителем 16,8-1800 мм, это 214x . Во время футбольного матча камера на расстоянии 1000 футов окажется на расстоянии менее 5 футов. Размер фильтра: более 250 мм (10 дюймов), покрытие HT-EBC и стабилизированный. Апертура f / 1,7 на 8,4–340 мм уменьшается до 4,5 на 900 мм, в 2 раза она падает до f3,4-f9.

Высота х Ширина х Длина: 258х264х610мм. Это не меняет длину при масштабировании и имеет различные предустановки, фокусировку и масштабирование. Разработанный для сенсора размером 9,6 x 5,4 мм (2/3 "), он имеет коэффициент обрезки около 4x по сравнению с полным кадром. Доступно всего за 198 750 долларов США плюс доставка.

... сколько света теряется в процессе и т. д.

Вы теряете почти половину своего света и значительное качество изображения, а также большую длину и вес, выбирая мостовую камеру вместо DSLR; наряду с множеством других соображений.

Другая нить о артефактах P900 заставляет меня задуматься, включает ли в себя то, что они называют 83-кратным «оптическим» зумом, некоторую электронную обработку.

Когда говорят «оптический», это означает, что P900 и P1000 имеют 4-кратный цифровой зум.

Давайте начнем с основной идеи довольно простого увеличения. Например, мы можем начать с трех элементов. Задний и увеличительный элементы, а средний - это редуктор. Увеличительные элементы объединяют лучи света. Редуктор разводит их в стороны.

Таким образом, если мы переместим средний элемент назад к заднему элементу, свет пройдет через передний элемент, поэтому лучи света начнут собираться вместе. Они продолжают собираться вместе довольно долго, пока не доберутся до редукционного элемента, который разнесет их друг от друга - но, поскольку он находится прямо у заднего элемента, они не сильно растянутся, прежде чем доберутся до заднего элемента и начнут приходить снова вместе Таким образом, задний элемент в основном берет практически все, что прошло через передний элемент, и фокусирует его на датчике, обеспечивая достаточно широкий угол обзора.

С другой стороны, если мы передвинем этот средний элемент прямо за передний элемент, свет пройдет через передний элемент, немного сойдет вместе, а затем пройдет через редукционный элемент, так что он сразу начнет распространяться обратно. Он распространяется немного раньше, чем возвращается к заднему элементу. Таким образом, только немного центра изображения, прошедшего через передний элемент, попадает в задний элемент, и только эта небольшая часть изображения фокусируется на датчике, поэтому мы получаем намного более узкое изображение. При таком дизайне коэффициент масштабирования ограничен расстоянием между передним и задним элементами - для увеличения до 83х нам понадобится объектив, который физически очень длинный.

Чтобы получить более высокий коэффициент масштабирования, мы в основном повторяем эту базовую идею несколько раз. Например, давайте подумаем, что каждый из этих трех элементов заменяется набором из трех элементов, поэтому мы не только перемещаем среднюю группу спереди назад, но также варьируем уровень увеличения или уменьшения, который обеспечивает каждый из них.

Давайте предположим, что оригинал дал коэффициент масштабирования 3: 1. При замене каждого элемента группой из трех элементов, что само по себе дает соотношение 3: 1, наше общее соотношение теоретически будет примерно таким: 3x3x3 = 27x. Добавьте четвертую подобную группу, и мы достигнем диапазона 80х (или около того).

Чтобы получить качество, достаточное даже для бюджетной камеры, вам нужно сделать чуть больше. Даже довольно дешевый объектив будет использовать разные типы стекла в разных элементах, чтобы помочь уменьшить хроматическую аберрацию, возможно, некоторые асферические элементы для контроля сферической аберрации и так далее.

Тем не менее, основная идея всех зумов в основном сводится к той довольно простой ситуации, когда есть (по крайней мере) один увеличительный элемент и один уменьшающий элемент и перемещение их относительно друг друга. Достижение высоких коэффициентов масштабирования в основном означает повторение этой базовой идеи несколько раз и выполнение достаточно большего количества усилий, чтобы держать аберрации, искажения и т. Д., По крайней мере, в некоторой степени под контролем.

В вашем запросе немного больше, чем один вопрос. Сосредоточив внимание на первом:

Очевидно ... [Nikon Coolpix P900 ...] не имеет физической длины от 24 мм до 2 метров, но какие оптические системы используют производители для доведения оптического увеличения до таких высоких (83x) уровней?

Во-первых, не путайте 35-мм эквивалентное фокусное расстояние (24–2000 мм) с фактическим фокусным расстоянием объектива P900, которое находится в диапазоне 4,3–357 мм. Подробнее об этом см. Соответствующий вопрос: что такое фактор культуры и как он соотносится с фокусным расстоянием?

Тем не менее, вы правы, очевидно, что физическая длина объектива P900 не так коротка, как 4,3 мм, и не равна 357 мм. Таким образом, мы должны решить фундаментальный вопрос, что такое фокусное расстояние ?

• Что такое фокусное расстояние и как оно влияет на мои фотографии?
• В чем техническая разница между фокусом и масштабированием?

Если бы вы могли заменить широкоугольное фокусное расстояние P900 на одноосимметричное стекло объектива (например, увеличительное стекло) с тем же увеличением, что и широкий конец P900, тогда параллельные световые лучи, попадающие в этот одноэлементный объектив, будут фокусироваться в точке 4,3 мм. почти одна шестая дюйма за объективом. Вот что значит фокусное расстояние .

Реальный объектив P900 не так короток. Все объективы реального мира имеют несколько оптических элементов. Эти элементы работают вместе, чтобы изгибать и «разгибать» (расходиться) световые лучи несколько раз. Суть этих нескольких элементов (и групп элементов):

• позволить объективу сфокусироваться, вместо того, чтобы перемещать весь объектив в направлении или из него, чтобы сфокусироваться (эти элементы составляют фокус-группу (ы));
• позволить объективу увеличить изображение, т. е. изменить фокусное расстояние;
• для контроля аберраций, таких как хроматическая аберрация (которая является естественным следствием изгиба света через материалы с различными преломляющими свойствами).

Поэтому разработчики объективов добавляют множество элементов, чтобы сделать объектив более полезным, чем узкий диапазон рабочих условий. Это увеличивает длину объектива в сборе, но в случае широкоугольных объективов он оптически «эквивалентен» (используя это слово свободно) простой одноэлементной линзе с фокусным расстоянием, меньшим, чем физическая длина объектива реального мира.

Аналогично, на другом конце диапазона увеличения P900, с фокусным расстоянием 357 мм, объектив физически имеет длину менее 357 мм. Это потому, что у объектива есть телеобъектив , группа элементов, которые позволяют объективу быть физически короче, чем его тонкая линза - эквивалентное фокусное расстояние будет диктоваться. Смотрите также, в чем разница между телеобъективом и зум-объективом?

Теперь, насколько конкретно они получают диапазоны увеличения до 83x (или даже больше, такие как 125-кратное увеличение в недавно анонсированной P1000 Nikon ), ну ... наука. Магия. Немного и того, и другого?

Эти гибридные камеры с большим зумом сравнительно дешевы по сравнению с обычными супер телеобъективами DSLR, поэтому, похоже, они вообще не используют одни и те же дорогие оптические элементы. Им удается упаковать 83x в 20 см или около того, в то время как лучшие 600-миллиметровые DSLR-линзы примерно вдвое длиннее, примерно в 12 раз, поэтому мне интересно, как они это делают, сколько света теряется в процессе и т. Д.

Что касается сравнения величины зума и длины объектива, не забудьте сравнить как и как. В этом случае вступает в действие закон Квадратного куба (Википедия) : поскольку объект масштабируется в размерах с коэффициентом S , его площадь поверхности масштабируется с помощью S ², а его объем масштабируется с помощью S ³.

P900 имеет кроп-фактор 5,6, то есть линейный масштабный коэффициент между камерами, такими как P900 с 1 / 2,3-дюймовым сенсором и 35-мм полнокадровыми камерами, равен S = 5,6 (от P900 до 35-миллиметрового FF). Таким образом, чтобы создать «эквивалент» Оптические системы (с точки зрения геометрии оптики), увеличенный объектив 83x типа P900, но сделанный для 35-мм FF-корпуса, будет:

• имеют примерно в 5,6 раз больший диаметр, и

• весит примерно 5.6³ = 175 весов объектива P900! ¹

  Примечание 1: объектив, вероятно, не будет весить так много; Простое масштабирование S ³ подразумевает, что все компоненты, включая двигатели фокусировки, трубки объектива, спирали фокусировки и органы управления и т. д., масштабируют толщину стенок в 5,6 раза. Это не обязательно, было бы много веса, чтобы побриться. Но, с точки зрения оптики (без изменения оптической формулы), вес стекла будет масштабироваться на S ³.

И обратите внимание, что даже длина объектива ~ 20 см увеличивается на S до 112 см - это больше метра в длину.

Я даже не хочу знать, как будет масштабироваться стоимость, но 175-кратная стоимость нового P1000 в 1000 долларов на самом деле не была бы совершенно неуместной для такого смехотворно чудовищного зверя, если бы это было для 35-мм полнокадровых тел.

• Sigma 200-500mm ƒ / 2.8 APO EX DG Ultra-телефото составляет $ 26000. Для увеличения в 2,5 раза. Шутки в сторону. (Хотя обзоры Amazon явно несерьезны )
• Объектив Canon EF 1200 мм ƒ / 5,6 л USM представляет собой фиксированный телеобъектив, стоимость которого составляет 100 тыс. Долларов США. B & H Photo Video в 2015 году продал подержанный фильм за 180 000 долларов , так что вот и все.
• Canon CINE-SERVO 50-1000mm T5.0-8.9 EF - это 20-кратный зум-объектив с креплением Canon EF, всего за 70 тысяч долларов. Он также имеет встроенный 1,5-кратный удлинитель (телеконвертер). Может быть, было бы нечестно включать специально созданные объективы для кино в фотографический контекст, но это крепление EF, так что это хорошо для фотографирования DSLR, верно?

После этого было несколько разных уникальных объективов, которые пошли по астрономическим ценам, но давайте не будем смешными (!).

Таким образом, существует очевидная нелинейная экономическая выгода для сокращения масштабов. Но так как P900 и P1000 не нацелены на высококлассный профессиональный или потребительский рынок, они могут принимать дальнейшие решения по экономии средств, такие как:

• использование некачественного оптического стекла в некоторых элементах объектива;
• уменьшение количества оптических покрытий (таких как низкодисперсные и антибликовые);
• устранить погодные уплотнения;
• обеспечить меньшее гарантийное покрытие;
• и все другие обычные подозреваемые, когда компании занимаются сегментацией рынка.