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

Question

Очевидно, что самый большой гибридный зум на рынке (я думаю, Nikon Coolpix P900) имеет физическую длину не от 24 мм до 2 метров, но какие оптические системы используют производители, чтобы довести оптическое увеличение до столь высокого (83x) ) уровни?

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

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

Answer 1

Я думаю, что использование термина 83X, хотя и истинно, вводит в заблуждение. Coolpix делает замечательную работу, когда речь идет о его оптическом диапазоне, 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 создается из 16 отдельных стеклянных объективов. , Некоторые склеены, некоторые воздушные пространства. Есть 12 групп линз, каждая из которых разделена воздухом. При увеличении изменяется расстояние в воздушном пространстве, 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 покрывает 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 действительно применимы только к этим почтенным типам камер. Однако мы можем сделать сравнения

Это выглядит так: Nikon Coolpix P900 - это 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.

Answer 2

Как они добираются до 83х?

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

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

Очевидно, что самый большой гибридный зум на рынке (я думаю, Nikon Coolpix P900) имеет физическую длину не от 24 мм до 2 метров, но какие оптические системы используют производители, чтобы довести оптическое увеличение до такого высокого значения (83x ) уровни?

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 элементов в 12 группах, Увеличение объектива: 125x

Длина с телом без увеличения: 7,2 дюйма (181,3 мм). Полностью увеличенный вдвое больше.

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-мм объективы DSLR 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 дюйма . Этот объектив не удваивает свою длину при увеличении и не темный или длинный зум; также она стоит 1300 долларов США, больше, чем 1000 долларов США, или более чем вдвое превышает цену 600 долларов США.

Объектив f / -номер: f / 5.6, Конструкция объектива: 19 элементов в 12 группах, Увеличение объектива: 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, 46 мм задний фильтр, прибл. Размеры (диаметр х длина): 6,2 х 21,3 дюйма . Конструкция объектива: 18 элементов в 16 группах. Zens Zoom: 300/35 = 8,57 и 800/35 = 22,86, если вы хотите сравнить это таким образом. Цена U $ 8000 (доступно с августа 2018 г.).

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, то есть 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. Он имеет диафрагму f / 1,7 на 8,4-340 мм, уменьшаясь до 4,5 на 900 мм, в 2 раза он 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 только для U $ 198 750 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.

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

Когда говорят, что оптический, это то, что они имеют в виду, P900 и P1000 имеют 4-кратный цифровой зум.

Answer 3

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.

Итак, если мы переместим средний элемент полностью 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 на части - 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 переместим 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 на задний элемент, и только эта небольшая часть изображения фокусируется на датчике, поэтому мы получаем гораздо 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 меняем уровень увеличения или уменьшения, который обеспечивает каждый из них.

Предположим, что оригинал дал коэффициент масштабирования 3: 1. При замене каждого элемента группой из трех элементов, которая сама 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 низкокачественной камеры, вам нужно сделать чуть больше. Даже в довольно дешевой линзе используются разные типы стекла в разных элементах, чтобы помочь снизить хроматическую аберрацию, возможно, некоторые асферические элементы для контроля сферической аберрации и т. Д.

Тем не менее, базовая идея всех масштабов в основном сводится к той довольно простой ситуации, когда есть (по крайней мере) один увеличительный элемент и один уменьшающий элемент, и их перемещение 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.

Answer 4

В вашем запросе чуть больше одного вопроса. Сосредоточение 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 мм - 2000 мм) с фактическим фокусным расстоянием Объектив P900 с диапазоном 4,3– 357 мм. Подробнее об этом см. Соответствующий вопрос: Что такое фактор кадрирования 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. Итак, нам нужно обратиться к основному вопросу: что такое фокусное расстояние ?

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

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, фокусировались бы на точка 4,3 мм, почти одна шестая дюйма, за объективом. Вот что означает фокусное расстояние .

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

• , чтобы позволить объективу сфокусироваться, вместо того, чтобы перемещать или снимать весь объектив в сборе (эти элементы составляют фокус-группу (ы));
• для увеличения объектива, т. Е. Для изменения фокусного расстояния;
• 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 связано с тем, что у объектива есть телеобъектив , группа элементов, которые позволяют объективу быть физически короче, чем его тонкая линза - эквивалентное фокусное расстояние будет диктоваться. См. 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 , недавно анонсированное Nikon P1000 ), ну ... наука. Магия. Немного и того, и другого?

Эти гибридные камеры с большим зумом относительно 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 объективы DSLR 600 мм 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 Квадратный куб (Википедия) : поскольку объект масштабируется в размере S , площадь его поверхности увеличивается на S ², а его объем масштабируется на S ³.

TheP900 имеет кроп-фактор 5,6, то есть линейный масштабный коэффициент для таких камер, как P900 с сенсором 1 / 2,3 "и 35-мм полнокадровых камер, составляет S = 5,6 (от P900 до 35 мм FF). Таким образом, для создания «эквивалентных» оптических систем (что касается геометрии оптики), увеличенный объектив 83x типа P900, но сделанный для 35 мм FF корпуса, должен:

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

• весит примерно 5,6³ = 175 раз вес 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 увеличиваться 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.

• Сигма 200-500 мм ƒ / 2.8 APO EX DG Ultra-Telephoto стоит 26 000 долларов США. Для увеличения в 2,5 раза. Шутки в сторону. (Хотя обзоры Amazon явно несерьезны )
• Объектив Canon EF 1200 мм 5. / 5,6 л USM представляет собой фиксированный телефото , стоимость которого составляет 100 тыс. Долларов США. B & H Photo Video продала подержанный в 2015 году за $ 180 000 , вот и все.
• Canon CINE-SERVO 50-1000 мм 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 DSLR-фотографии, верно?

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

Таким образом, существуют очевидные нелинейные преимущества в плане экономии. Но так как P900 и P1000 не нацелены на высококлассный профессиональный или профессиональный рынок, они могут принимать дальнейшие решения по экономии средств, такие как:

• с использованием оптического стекла низкого качества в некоторых элементах объектива;
• уменьшение количества оптических покрытий (таких как низкодисперсные и антибликовые);
• исключить защиту от атмосферных воздействий;
• предоставляют меньше гарантийного покрытия;
• и все другие обычные подозреваемые, когда компании занимаются сегментацией рынка.