Como os fabricantes atingem níveis altos de zoom (83x) em câmeras híbridas?

Obviamente, o maior zoom híbrido do mercado (Nikon Coolpix P900, eu acho) não varia de 24 mm a 2 metros de comprimento físico, mas que tipo de sistemas ópticos os fabricantes usam para levar o zoom óptico a níveis tão altos (83x)?

Essas câmeras híbridas de alto zoom são relativamente baratas em comparação com as super teleobjectivas DSLR comuns, portanto, não parece que elas usem os mesmos elementos ópticos caros. Eles conseguem embalar 83x em 20cm ou mais, enquanto as melhores lentes DSLR de 600mm são cerca de duas vezes mais por cerca de 12x, então eu me pergunto como elas fazem isso, quanta luz é perdida no processo, etc.

Outro tópico sobre os artefatos da P900 me faz pensar se o que eles afirmam ser zoom "óptico" de 83x inclui algum processamento eletrônico.

Eu acho que o uso do termo 83X, embora verdadeiro, é muito enganador. A Coolpix faz um trabalho notável quando se trata de sua faixa óptica, que é 83X. Isso é chamado de faixa de zoom. A matemática é: O poder da lente da câmera é ajustável de grande angular de 4,3 mm a telefoto de 357 mm, ou seja, 357 ÷ 4,3 = 83. Em outras palavras, o alcance do zoom é de 83X. . Alguns são colados, outros são espaços aéreos. Existem 12 grupos de lentes cada um com espaçamento de ar. Quando você aplica zoom, a distância do espaço aéreo muda e esse ato faz com que o poder da lente mude. O alcance do zoom é de grande angular em 4,3 mm a telefoto em 357 mm.

Quando os fotógrafos discutem suas lentes, o fato de o alcance do zoom cobrir 4,3 mm a 357 mm é pouco compreendido. Isso ocorre porque uma câmera de filme muito maior é usada como parâmetro que define o desempenho da lente. Esta é a câmera de filme de 35 mm que está conosco há quase 100 anos. Devido à sua popularidade, falamos sobre lentes de câmera em termos que realmente se aplicam apenas a esses tipos de câmeras veneráveis. No entanto, podemos fazer comparações

É assim: A Nikon Coolpix P900 é uma câmera super miniatura, portanto, cria imagens em miniatura com apenas 18% do tamanho da estimada câmera de 35 mm. A 35mm é realmente 5,6X maior. Portanto, multiplicamos 4,3 X 5,6 = 24 e 357 X 5,6 = 2000. Agora podemos dizer que este Coolplix funciona como se o alcance do zoom fosse de 24 mm a 2000 mm. Agora 50 mm é considerado "normal". Uma lente mais curta é denominada "grande angular". Uma lente mais longa é denominada telefoto. Como 50 mm é "normal" com zoom total equivalente a 2000 mm, os objetos aparecerão 2000 × 50 = 40X maiores. Em outras palavras, um pássaro na árvore a 300 pés de distância irá imaginar como se estivesse a apenas 25 pés de distância.

Como eles chegam ao 83x?

Tamanho do sensor (1 / 2,3 "), comprimento físico, perda de abertura (f / 2,8-8).

O telefone Samsung S9 + usa um sensor de 1 / 2,55 ", a Nikon P900 e P1000 usam um sensor de 1 / 2,3".

Obviamente, o maior zoom híbrido do mercado (Nikon Coolpix P900, eu acho) não varia de 24 mm a 2 metros de comprimento físico, mas que tipo de sistemas ópticos os fabricantes usam para levar o zoom óptico a níveis tão altos (83x)?

Distância focal da lente:

P900 : 4,3-357mm (ângulo de visão equivalente a lente de 24-2000mm no formato 35mm) Filtro de 67mm

Número de lentes f /: f / 2.8-6.5, Construção de lentes: 16 elementos em 12 grupos, Zoom de lentes: 83x

P1000 : 4,3-539 mm (ângulo de visão equivalente a lente 24-3000 mm no formato 35 mm) Filtro de 77 mm

Número da lente f /: f / 2.8-8, Construção da lente: 17 elementos em 12 grupos, Zoom da lente: 125x

Comprimento, com corpo, sem espaço: 181,3 mm ( 7,2 pol. ). Totalmente ampliado dobra isso.

Essas câmeras híbridas de alto zoom são relativamente baratas em comparação com as super teleobjectivas DSLR comuns, portanto, não parece que elas usem os mesmos elementos ópticos caros. Eles conseguem embalar 83x em 20cm ou mais, enquanto as melhores lentes DSLR de 600mm são cerca de duas vezes mais por cerca de 12x, então eu me pergunto como elas fazem isso, quanta luz é perdida no processo, etc.

Nikon AF-S 200-500mm f / 5.6E ED VR, filtro de 95mm. Aproximadamente. Dimensões (diâmetro x comprimento): 4,2 pol. X 10,5 pol . Essa lente não dobra seu comprimento quando ampliada, nem é tão escura ou longa; também custa U $ 1300, mais do que P1000 U $ 1000, ou mais do dobro do preço de um P900 U $ 600.

Lente número f /: f / 5.6, Construção da lente: 19 elementos em 12 grupos, Zoom da lente: 200/35 = 5,71 e 500/35 = 14,29 se você quiser compará-lo dessa maneira.

Sigma 300-800mm F5.6 HSM APO CONV EX DG D, filtro traseiro de 46mm, aprox. Dimensões (diâmetro x comprimento): 6,2 x 21,3 pol . Construção da lente: 18 elementos em 16 grupos. Zoom da lente: 300/35 = 8,57 e 800/35 = 22,86 se você quiser compará-lo dessa maneira. Preço U $ 8000 (disponível em agosto de 2018).

Compare essas lentes de consumo com uma lente profissional, a Fujifilm UA107x8.4BESM.

Fujifilm UA107x8.4BESM 8.4-900mm e com extensor 2x incorporado de 16.8-1800mm, ou seja, 214x . Durante um jogo de futebol, uma câmera a 1000 pés de distância parecerá estar a menos de 5 pés de distância. Tamanho do filtro: mais de 250 mm (10 polegadas), revestimento HT-EBC e estabilizado. Possui uma abertura af / 1.7 em 8.4-340mm, reduzindo para 4.5 em 900mm, com o 2x cai para f3.4-f9.

Altura x largura x comprimento: 258x264x610mm. Isso não muda a duração quando o zoom é aplicado e possui várias opções de predefinição, foco e zoom. Projetado para um tamanho de sensor de 9,6 x 5,4 mm (2/3 "), possui um fator de corte de cerca de 4x em comparação com o quadro completo. Disponível por apenas U $ 198.750, mais frete.

... quanta luz se perde no processo, etc.

Você perde quase metade da sua luz e qualidade de imagem considerável, e muito comprimento e peso, escolhendo uma câmera bridge em vez de uma DSLR; juntamente com muitas outras considerações.

Outro tópico sobre os artefatos da P900 me faz pensar se o que eles afirmam ser zoom "óptico" de 83x inclui algum processamento eletrônico.

Quando dizem que óptico é isso que eles querem dizer, a P900 e a P1000 têm zoom digital de 4x.

Vamos começar com a idéia básica de um zoom bastante simples. Por exemplo, podemos começar com três elementos. Os elementos traseiro e ampliador e o meio são elementos redutores. Os elementos de ampliação reúnem os raios de luz. O elemento redutor os separa.

Portanto, se movermos o elemento do meio todo para trás pelo elemento traseiro, a luz passará pelo elemento da frente, para que os raios de luz comecem a se unir. Eles continuam se juntando de várias maneiras, até chegarem ao elemento redutor, que os separa - mas, como fica junto ao elemento traseiro, eles não se espalham muito antes de chegarem ao elemento traseiro e começarem a aparecer. juntos novamente. Portanto, o elemento traseiro basicamente pega quase tudo o que veio através do elemento frontal e o coloca em foco no sensor, oferecendo uma visão de ângulo bastante ampla.

Por outro lado, se movermos esse elemento do meio pelo elemento frontal, a luz passará pelo elemento frontal, se juntará um pouquinho e depois passará pelo elemento redutor, para que ele imediatamente se espalhe novamente. Ele se espalha um pouco antes de voltar ao elemento traseiro. Assim, apenas um pouco do centro da imagem que veio através do elemento frontal atinge o elemento traseiro, e apenas essa pequena parte da imagem é focalizada no sensor, para que tenhamos uma visão muito mais estreita. Com esse design, a taxa de zoom é limitada pela distância entre os elementos dianteiro e traseiro - para obter o zoom 83x, precisaríamos de uma lente que fosse fisicamente extremamente longa.

Para obter uma taxa de zoom mais alta, basicamente replicamos essa ideia básica várias vezes. Por exemplo, vamos pensar em cada um desses três elementos sendo substituídos por um conjunto de três elementos, para que não apenas movamos o grupo do meio da frente para trás, mas também variamos o nível de ampliação ou redução que cada um deles fornece.

Vamos supor que o original tenha uma taxa de zoom de 3: 1. Com cada elemento substituído por um grupo de três elementos que propiciavam uma proporção de 3: 1, nossa proporção geral seria teoricamente algo como 3x3x3 = 27x. Adicione um quarto grupo semelhante e estamos na faixa dos 80x (mais ou menos).

Para obter qualidade suficiente até para uma câmera de baixa qualidade, você precisa fazer um pouco mais do que isso. Mesmo uma lente bastante barata usará diferentes tipos de vidro nos diferentes elementos para ajudar a reduzir a aberração cromática, provavelmente alguns elementos asféricos para controlar a aberração esférica e assim por diante.

No entanto, a idéia básica de todos os zooms se resume principalmente àquela situação bastante simples de ter (pelo menos) um elemento de ampliação e um elemento de redução e movê-los em relação um ao outro. Chegar a altas taxas de zoom significa na maioria das vezes replicar essa idéia básica várias vezes e fazer o suficiente para manter as aberrações, distorções etc., pelo menos um pouco sob controle.

Há um pouco mais do que uma única pergunta na sua consulta. Focando o primeiro:

Obviamente ... [a] Nikon Coolpix P900 ... não varia de 24 mm a 2 metros de comprimento físico, mas que tipo de sistemas ópticos os fabricantes usam para levar o zoom óptico a níveis tão altos (83x)?

Primeiro, não confunda as distâncias focais equivalentes a 35 mm (24 mm a 2000 mm) com as distâncias focais reais da lente da P900, que varia de 4,3 mm a 357 mm. Para mais informações, consulte a pergunta relacionada: O que é fator de colheita e como ele se relaciona com a distância focal?

Ainda assim, obviamente, o comprimento físico das lentes da P900 não é tão curto quanto 4,3 mm, nem 357 mm. Portanto, precisamos abordar a questão fundamental, qual é a distância focal ?

• Qual é a distância focal e como isso afeta minhas fotos?
• Qual é a diferença técnica entre foco e zoom?

Se você pudesse substituir a distância focal grande angular da P900 por um vidro de lente simétrica única (como uma lupa) com a mesma ampliação que a extremidade larga da P900, os raios de luz paralelos entrando nessa lente de elemento único se concentrariam em um ponto de 4,3 mm , quase 1/6 de polegada, além da lente. Isso é o que a distância focal significa.

A lente real do P900 não é tão curta. Todas as lentes do mundo real possuem vários elementos ópticos. Esses elementos trabalham juntos para dobrar e "dobrar" (divergir) os raios de luz várias vezes. O ponto desses vários elementos (e grupos de elementos) são:

• permitir que a lente focalize, em vez de mover todo o conjunto da lente para dentro ou para fora para focalizar (esses elementos compreendem o (s) grupo (s) de foco);
• para permitir que a lente faça zoom - ou seja, altere a distância focal;
• controlar aberrações como a aberração cromática (que é uma consequência natural da curvatura da luz através de materiais com diferentes propriedades de refração).

Portanto, os projetistas de lentes adicionam muitos elementos para tornar a lente mais útil do que uma faixa estreita de condições operacionais. Isso aumenta o comprimento do conjunto da lente, mas no caso de lentes grande angulares, é opticamente "equivalente" (usando essa palavra livremente) a uma lente simples de elemento único com uma distância focal menor que o comprimento físico da lente do mundo real.

Da mesma forma, na outra extremidade da faixa de zoom da P900, a uma distância focal de 357 mm, a lente tem fisicamente menos de 357 mm de comprimento. Isso ocorre porque a lente possui um grupo de telefoto , um grupo de elementos que permitem que uma lente seja fisicamente mais curta do que sua lente fina - a distância focal equivalente ditaria. Veja também: Qual é a diferença entre uma lente telefoto e uma lente zoom?

Agora, na medida em que, como eles conseguem especificamente intervalos de zoom tão altos quanto 83x (ou até mais, como o zoom de 125x no recém-anunciado P1000 da Nikon ), bem ... ciência. Magia. Um pouco dos dois?

Essas câmeras híbridas de alto zoom são relativamente baratas em comparação com as super teleobjectivas DSLR comuns, portanto, não parece que elas usem os mesmos elementos ópticos caros. Eles conseguem embalar 83x em 20cm ou mais, enquanto as melhores lentes DSLR de 600mm são cerca de duas vezes mais por cerca de 12x, então eu me pergunto como elas fazem isso, quanta luz é perdida no processo, etc.

Em relação à comparação da quantidade de zoom versus o comprimento da lente, lembre-se de comparar o gosto versus o gosto. Neste caso, a lei Square-cubo (Wikipedia) entra em jogo: como um objeto é dimensionada em tamanho por um fator S , sua área de superfície é dimensionada por S ², e seu volume é escalada por S ³.

O P900 possui um fator de corte de 5,6, o que significa que o fator de escala linear entre câmeras como o P900 com um sensor de 1 / 2,3 "e câmeras de quadro inteiro de 35 mm é S = 5,6 (de P900 a 35 mm FF). Portanto, para criar" equivalente " sistemas ópticos (no que diz respeito à geometria da ótica), a lente 83x do tipo P900 ampliada, mas fabricada para um corpo FF de 35 mm,:

• têm um diâmetro aproximadamente 5,6 vezes maior e

• pesa aproximadamente 5,6³ = 175 vezes o peso da lente da P900! ¹

  Nota 1: A lente provavelmente não pesaria tanto; uma simples escala S ³ implica em todos os componentes, incluindo motores de foco, tubos de lente, hélices e controles de foco, etc., dimensiona sua espessura de parede 5,6 vezes. Isso não é necessário, haveria muito peso para se barbear. Mas, do ponto de vista óptico (sem alterar a fórmula óptica), o peso do vidro aumentaria em S ³.

E observe que mesmo apenas o comprimento da lente de ~ 20 cm aumenta em S para cerca de 112 cm - tem mais de um metro de comprimento.

Eu nem quero saber como o custo aumentaria, mas 175x o custo de US $ 1.000 do novo P1000 na verdade não estaria totalmente fora de linha para uma besta tão ridiculamente monstruosa se fosse para corpos de armação de 35mm.

• A Sigma 200-500mm ƒ / 2.8 APO EX DG Ultra-Telefoto é de US $ 26.000. Para um zoom de 2,5x. Seriamente. (Embora as críticas da Amazon sejam decididamente não sérias )
• A lente Canon EF 1200mm ƒ / 5.6 L USM é uma telefoto fixa que custa US $ 100k. O B&H Photo Video vendeu um usado em 2015 por US $ 180.000 , então é isso.
• A CINE-SERVO 50-1000mm T5.0-8.9 EF da Canon é uma lente de cinema com zoom de 20x para a montagem Canon EF, por apenas US $ 70k. Ele também possui um extensor 1.5x selecionável embutido (teleconversor). Talvez não seja justo incluir lentes de cinema criadas para fins específicos em um contexto fotográfico, mas é uma montagem EF, portanto é bom para fotografia DSLR, certo?

Depois disso, houve várias lentes de tipo único que foram a preços astronômicos, mas não sejamos ridículos (!).

Portanto, há benefícios de custo não-linear óbvios na redução. Mas como o P900 e o P1000 não são voltados para o mercado profissional ou de prosumer, eles podem tomar outras decisões de economia de custos, como:

• usando vidro óptico de qualidade inferior em alguns dos elementos da lente;
• reduzir o número de revestimentos ópticos (como baixa dispersão e antirreflexo);
• eliminar a vedação climática;
• fornecer menos cobertura de garantia;
• e todos os outros suspeitos comuns quando as empresas se envolvem em segmentação de mercado.