Чому надзвичайно великі об'єктиви невеликі, але гігантські телеоб'єктиви величезні?

Цього тижня я прочитав дві новини про два різних об'єктива камери, які можуть збільшити речі, які знаходяться дуже далеко.

Перший - Nikon Coolpix P900 , який є точковою камерою, яка коштує 600 доларів, має 83-кратний оптичний суперзону-об'єктив ("таке ж поле зору, як і 2000-мм об'єктив на повнокадровій камері"), і дозволяє ви бачите кратери місяця.

Другий - об'єктив Canon EV 1200 мм f / 5,6 л USM , який важить 36 фунтів, коштує 180 000 доларів і може робити портрети людей у ​​півмилі.

Нефотограф може запитати: "Чому хтось витратить свої заощадження на гігантський телескоп об'єктива, коли ти можеш робити далекі знімки ручною камерою за 1/300-ту ціну?"

Ну, я в основному нефотограф, і хотів би задати це питання. Що дає тобі велике, що маленький не забезпечує? Я розумію, що невеликі зміни лінз можуть значно змінити розмір та ціну, але це, здається, цілком іншого масштабу.

Що відбувається з оптикою лінз, яка робить малу здатною бути такою маленькою, а велика - такою ... великою?

Я намагаюся отримати базову інтуїцію щодо того, що робить лінзи різними, і я розумію, що я недостатньо розумію, як працюють лінзи, щоб навіть знати, як порівнювати ці яблука та кавуни.

Об'єктив 1200 мм, який ви цитуєте, є чимось відхиленням, оскільки це вбудований на замовлення, а не об'єктив загального ринку - див. Чому деякі великі телеоб'єктиви такі дорогі порівняно з телескопами? і чому деякі лінзи такі дорогі? . Але загальне правило справедливе: об'єктиви для DSLR і більшості дзеркальних камер є гігантськими в порівнянні з камерами у суперзоочних камерах. Для цього є три загальні причини:

1. Датчик у цих камерах суперзону, як правило, невеликий - зазвичай класу 1/2 / 2.3 ", що означає" розмір мініатюр ". На відміну від цього, датчики високого класу DSLR зазвичай мають розмір традиційної 35-мм плівки, а сенсори середнього діапазону і нижчі дзеркальні дзеркальні дзеркальні дзеркала та дзеркальні камери все ще знаходяться в цьому парковому парку, і в багато разів більше, ніж у суперзону. Це означає, що об'єктив повинен проектувати набагато менший круг, а в свою чергу може бути меншим.
2. Не завжди, але часто ті великі, важкі лінзи мають більш швидкі діафрагми. Для цього потрібен більший передній елемент (принаймні!) - що означає більше скла, більше витрат, більше ваги. Можна було б спроектувати камеру суперзону з більш швидким (ширшим діафрагмою) об'єктивом, але це зробить об'єктив більшим (і, мабуть, складніше зробити з таким гігантським діапазоном збільшення). Це би суперечило меті дизайну, і тому ви зазвичай цього не бачите. Іншими словами, це свого роду тавтологія: у камер суперзому є невеликі об'єктиви з великим діапазоном збільшення, оскільки вони є .
3. Знову ж не завжди, але також часто: від дзеркальних лінз очікується більше, тому вони розроблені так, щоб відповідати більшим очікуванням. Весь дизайн об'єктива є компромісним, за розміром, вагою, вартістю чи якістю зображення у різних варіаціях - див. Які характеристики якості зображення роблять об’єктив хорошим чи поганим? . Більшість дизайнів суперзону надають пріоритет, і або дозволяють людям жити з результатами (припускаючи, що менш вибагливі покупці на цьому ринку) або автоматично застосовують обширну корекцію програмного забезпечення.

Цей дивовижний діапазон масштабування досить класний, а максимальний фокусний еквівалент здається дивним. Але, ви все-таки платите ціну. Менший датчик в основному збирає менше світла в цілому, тільки тому, що його менше. Це означає більше шуму, і немає можливості обдурити фізику на цьому. Насправді ви можете просто обрізати центр з зображення DSLR одним із цих великих об'єктивів і, ймовірно, отримати приблизно еквівалентний результат, навіть якщо дозвіл буде номінально нижчим (якщо у вас не дуже високий DSLR). Це тому, що з практичної точки зору масштаб практично не відрізняється від обрізання .

Для прикладу, ось обрізка з зображення, яке взяла Кіла Дюамель із свого заднього подвір’я та розмістила на Flickr за ліцензією CC-BY, використовуючи споживчий масштаб для DSL-рівня на рівні споживачів Навіть у цьому врожаї він не заповнює кадр, але я думаю, що фактична деталь приблизно порівнянна з тією у відео, яке ви пов’язали.

Це з об’єктивом багато хто з нас також називає "суперзоном" (термінологія іноді приголомшливо плутає!), Canon 18-200mm f / 3.5-5.6. Цей об'єктив важить близько 1,3 фунта і довжиною 4 дюйми - модель Canon 70-200 мм f / 2,8 (врахуйте зменшений діапазон масштабування, хоча обидва вони закінчуються на 200 мм!) Важить більше вдвічі, ніж 2,9 фунта, і майже вдвічі до тих пір, і , ймовірно , може зробити кілька краще в деталях - але місяць не буде вже на самому ділі основна відмінність між цими моделями. Натомість це підвищена різкість та зменшення спотворень та інших артефактів, швидша максимальна діафрагма, більш міцна збірка тощо.

Ти все ж маєш більше розмірів, ваги та вартості. Замість цього ви, як правило, отримуєте кращу якість зображення поза цією ситуацією, що "вибита назовні" (а насправді не все набагато гірше)

Об'єктив Canon має фокусну відстань 1200 мм і максимальну діафрагму f / 5,6, тоді як об'єктив Nikon має фокусну відстань (в кінці) 357 мм і максимальну діафрагму f / 6,5. Тож об'єктив Canon довший і має більш швидку діафрагму, що вимагає більшого переднього елемента, 214 мм проти 55 мм. Це суттєва різниця і робить Canon більшим, важчим та дорожчим.

Nikon може бачити далі завдяки меншому сенсору, це дійсно рівноцінно фотографуванню та обрізанню крихітної частини на відстані від звичайного зображення та продуванні. Це призводить до отримання меншої кількості деталей. Відповідно, лінза Nikon проектує набагато менший круг зображення і знімає менше світла, насправді в 15 разів менше, що означає зображення з більшим рівнем шуму.

Тож у той час як об'єктив Canon дорожчий, він надасть яскравіше і чіткіше зображення.

Об'єктив і датчик пов'язані між собою за розміром. Гігантський телефото працює проти сенсора, який в 6 разів довший і в 6 разів ширший, як датчик міні-камери суперзону.

В результаті виходить лінза, де кожен елемент в 6 разів перевищує діаметр і в 6 разів перевищує товщину. Відстані між цими елементами також збільшуються в коефіцієнт 6. А результат: 6 * 6 * 6 = у 216 разів важче! А об'єктив, розширений на 8 см, замість цього буде довжиною 48 см (3 проти 18 дюймів).

Тоді власник великого об'єктива також хоче, щоб він працював краще, ніж міні-зум - так він є більш точним і, можливо, має більше компонентів ще більшого діаметру.

І ціна і розмір подорожчають вище ...

Чому б ти придбав хороший об’єктив? Тому що це робить хороші фотографії. Якщо всі інші рівні, якість зображення та діафрагму фіксованої довжини фокуса неможливо отримати за допомогою зум-об'єктива тієї самої ціни.

Збільшення з принципових причин має більше внутрішніх лінз, які вносять більше помилок і більше відображення, і повинні маскувати ці помилки меншою діафрагмою.

Чому бажана велика діафрагма? Це дає вам свободу грати з глибиною різкості, розмитими фонами; і це, очевидно, дозволяє зробити кращу фотографію при слабкому освітленні. ¹ Велика діафрагма також є показником якості об'єктива (якщо припустити, що виробник має однаковий стандарт якості зображення для кожного об'єктива при максимальній діафрагмі). Об'єктив з великою діафрагмою повинен забезпечити кращу якість зображення при діафрагмі більш дешевого об'єкта з меншою діафрагмою з однаковою фокусною відстанню.

Як ілюстрація важливості якості та глибини різкості: Я одного разу сфотографував цю фотографію Nikon 135mm / f2 (хоча я не пам’ятаю фактичної настройки f-stop):

Порівняння з Coolpix трохи несправедливим, оскільки зображення було зроблено на 35-мм плівці, що полегшує малу глибину різкості; у будь-якому випадку я припускаю, що це зображення було б неможливо зняти із таким 83-кратним супер-зумом. Кадр, так; але фон буде набагато менш розмитим.

Основними недоліками лінз великої діафрагми є їх розмір, вага та вартість. Це не нечувано, що люди купують надзвичайно дороге обладнання, а потім ніколи не беруть його куди завгодно, бо воно громіздке, а також може бути викрадене або пошкоджене, тому вони завжди користуються своїм дешевим невеликим щоденним обладнанням.