¿Cómo consiguen los fabricantes niveles de zoom altos (83x) en cámaras híbridas?

Creo que el uso del término 83X, si bien es cierto, es muy engañoso. Coolpix hace un trabajo notable cuando se trata de su rango óptico que es 83X. Esto en realidad se llama el rango de zoom. Las matemáticas son: la potencia de la lente de la cámara se puede ajustar desde un gran angular de 4,3 mm hasta un teleobjetivo de 357 mm, es decir, 357 ÷ 4,3 = 83. En otras palabras, la amplitud del zoom es 83X. Para lograrlo, la lente se construye con 16 lentes de vidrio individuales . Algunos están pegados, otros son espacios de aire. Hay 12 grupos de lentes, cada uno separado por aire. Cuando hace zoom, la distancia del espacio aéreo cambia y este acto hace que cambie la potencia de la lente. El alcance del zoom es desde gran angular de 4,3 mm hasta teleobjetivo de 357 mm.

Cuando los fotógrafos hablan sobre sus lentes, se entiende poco el hecho de que el rango del zoom cubre de 4,3 mm a 357 mm. Esto se debe a que se utiliza una cámara de película mucho más grande como criterio que define el rendimiento de la lente. Esta es la cámara de película de 35 mm que ha estado con nosotros durante casi 100 años. Debido a su popularidad, hablamos de las lentes de las cámaras en términos que en realidad solo se aplican a estos venerables tipos de cámaras. Sin embargo, podemos hacer comparaciones.

Es así: la Nikon Coolpix P900 es una cámara súper en miniatura, por lo que crea imágenes en miniatura que tienen solo alrededor del 18% del tamaño de la estimada cámara de 35 mm. El de 35 mm es en realidad 5,6 veces más grande. Así que multiplicamos 4,3 X 5,6 = 24 y 357 X 5,6 = 2000. Ahora podemos decir que este Coolplix funciona como si el rango de zoom fuera de 24 mm a 2000 mm. Ahora 50 mm se considera "normal". Una lente más corta se denomina "gran angular". Una lente más larga se denomina teleobjetivo. Dado que 50 mm es "normal" con el zoom completo, que es el equivalente a 2000 mm, los objetos aparecerán 2000 ÷ 50 = 40 veces más grandes. En otras palabras, un pájaro en el árbol a 1000 pies de distancia se verá como si estuviera a solo 25 pies de distancia.

¿Cómo llegan a 83x?

Tamaño del sensor (1/2,3"), longitud física, pérdida de apertura (f/2,8-8).

El teléfono Samsung S9+ usa un sensor de 1/2,55", el Nikon P900 y P1000 usan un sensor de 1/2,3".

Obviamente, el zoom híbrido más grande del mercado (Creo que Nikon Coolpix P900) no tiene una longitud física de 24 mm a 2 metros reales, pero ¿qué tipo de sistemas ópticos usan los fabricantes para llevar los zooms ópticos a niveles tan altos (83x)?

Distancia focal de la lente:

P900 : 4,3-357 mm (ángulo de visión equivalente a un objetivo de 24-2000 mm en formato de 35 mm) Filtro de 67 mm

Número f/del objetivo: f/2,8-6,5, Construcción del objetivo: 16 elementos en 12 grupos, Zoom del objetivo: 83x

P1000 : 4,3-539 mm (ángulo de visión equivalente a un objetivo de 24-3000 mm en formato de 35 mm) Filtro de 77 mm

Número f/del objetivo: f/2.8-8, Construcción del objetivo: 17 elementos en 12 grupos, Zoom del objetivo: 125x

Longitud, con cuerpo, sin zoom: 7,2 pulg. (181,3 mm). El zoom completo duplica eso.

Estas cámaras híbridas de zoom alto son relativamente baratas en comparación con los superteleobjetivos DSLR normales, por lo que no parece que utilicen los mismos elementos ópticos caros. Se las arreglan para empaquetar 83x en 20 cm aproximadamente, mientras que los mejores lentes DSLR de 600 mm son aproximadamente el doble de largos para aproximadamente 12x, así que me pregunto cómo lo hacen, cuánta luz se pierde en el proceso, etc.

Nikon AF-S 200-500 mm f/5.6E ED VR, filtro de 95 mm. Aprox. Dimensiones (diámetro x largo): 4,2 pulg. x 10,5 pulg . Esta lente no duplica su longitud cuando se hace zoom ni es un zoom tan oscuro o largo; también cuesta U$1300, más que un P1000 U$1000, o más del doble del precio de un P900 U$600.

Número f de la lente: f/5.6, Construcción de la lente: 19 elementos en 12 grupos, Zoom de la lente: 200/35 = 5.71 y 500/35 = 14.29 si desea compararlo de esa manera.

Sigma 300-800 mm F5.6 HSM APO CONV EX DG D, filtro trasero de 46 mm, aprox. Dimensiones (diámetro x largo): 6,2 x 21,3 pulgadas . Construcción de lentes: 18 elementos en 16 grupos. Zoom de la lente: 300/35 = 8,57 y 800/35 = 22,86 si quieres compararlo de esa manera. Precio U$8000 (disponible ago 2018).

Compare esos lentes de consumo con un lente profesional, el Fujifilm UA107x8.4BESM.

Fujifilm UA107x8.4BESM 8,4-900 mm y con extensor 2x integrado 16,8-1800 mm, eso es 214x . Durante un partido de fútbol, ​​una cámara a 1000 pies de distancia parecerá estar a menos de 5 pies de distancia. Tamaño del filtro: más de 250 mm (10 pulgadas), recubrimiento HT-EBC y estabilizado. Tiene una apertura af/1.7 a 8.4-340 mm, que se reduce a 4.5 a 900 mm, con el 2x cae a f3.4-f9.

Alto x Ancho x Largo: 258x264x610mm. Esto no cambia la longitud cuando hace zoom y tiene varias opciones preestablecidas, de enfoque y de zoom. Diseñado para un tamaño de sensor de 9,6 x 5,4 mm (2/3"), tiene un factor de recorte de alrededor de 4 veces en comparación con el marco completo. Disponible por solo U$198.750, más gastos de envío.

... cuánta luz se pierde en el proceso, etc.

Pierde casi la mitad de su luz y una calidad de imagen considerable, y una gran cantidad de longitud y peso, al elegir una cámara puente en lugar de una DSLR; junto con muchas otras consideraciones.

Otro hilo sobre los artefactos P900 me hace preguntarme si lo que dicen ser un zoom "óptico" de 83x incluye algún procesamiento electrónico.

Cuando dicen óptico, eso es lo que quieren decir, el P900 y el P1000 tienen un zoom digital de 4x.

Comencemos con la idea básica de un zoom bastante simple. Por ejemplo, podemos empezar con tres elementos. El y los elementos traseros y de aumento, y el medio es un elemento reductor. Los elementos de aumento unen los rayos de luz. El elemento reductor los separa.

Entonces, si movemos el elemento central completamente hacia atrás por el elemento posterior, la luz atraviesa el elemento frontal, por lo que los rayos de luz comienzan a juntarse. Siguen juntándose durante bastante tiempo, hasta que llegan al elemento reductor, que los separa, pero como está justo al lado del elemento trasero, no se separan mucho antes de llegar al elemento trasero y comienzan a venir. juntos otra vez. Entonces, el elemento trasero básicamente toma casi todo lo que pasó por el elemento frontal y lo enfoca en el sensor, brindando una vista de ángulo bastante amplio.

Por otro lado, si movemos ese elemento central hacia arriba junto al elemento frontal, la luz atraviesa el elemento frontal, se une un poco y luego atraviesa el elemento reductor, por lo que inmediatamente comienza a expandirse hacia afuera. Se extiende bastante antes de volver al elemento trasero. Entonces, solo un poco del centro de la imagen que pasó por el elemento frontal toca el elemento trasero, y solo esa pequeña parte de la imagen se enfoca en el sensor, por lo que obtenemos una vista mucho más estrecha. Sin embargo, con ese diseño, la relación de zoom está limitada por la distancia entre los elementos delantero y trasero; para llegar a un zoom de 83x, necesitaríamos una lente que fuera físicamente extremadamente larga.

Para llegar a una relación de zoom más alta, básicamente replicamos esa idea básica varias veces. Por ejemplo, pensemos en que cada uno de esos tres elementos se reemplaza por un conjunto de tres elementos, por lo que no solo movemos el grupo central de adelante hacia atrás, sino que también variamos el nivel de aumento o reducción que proporciona cada uno de ellos.

Supongamos que el original dio una relación de zoom de 3:1. Con cada elemento reemplazado por un grupo de tres elementos que a su vez daban una proporción de 3:1, nuestra proporción general teóricamente sería algo así como 3x3x3 = 27x. Agregue un cuarto grupo similar y estamos alrededor del rango de 80x (más o menos).

Para obtener una calidad suficiente incluso para una cámara de gama baja, debe hacer un poco más que eso. Incluso una lente bastante barata usará diferentes tipos de vidrio en los diferentes elementos para ayudar a reducir la aberración cromática, probablemente algunos elementos asféricos para controlar la aberración esférica, etc.

No obstante, la idea básica de todos los zooms se reduce principalmente a esa situación bastante simple de tener (al menos) un elemento de aumento y un elemento de reducción, y moverlos entre sí. Alcanzar altas proporciones de zoom significa principalmente replicar esa idea básica varias veces y hacer lo suficiente para mantener las aberraciones, distorsiones, etc., al menos algo bajo control.

Hay un poco más de una sola pregunta en su consulta. Centrándome en la primera:

Obviamente... [la] Nikon Coolpix P900... no oscila entre los 24 mm reales y los 2 metros de longitud física, pero ¿qué tipo de sistemas ópticos utilizan los fabricantes para llevar los zooms ópticos a niveles tan altos (83x)?

En primer lugar, no confunda las distancias focales equivalentes a 35 mm (24 mm a 2000 mm) con las distancias focales reales de la lente de la P900, que oscila entre 4,3 mm y 357 mm. Para obtener más información sobre esto, consulte la pregunta relacionada, ¿Qué es el factor de recorte y cómo se relaciona con la distancia focal?

Aún así, tiene razón, obviamente, la longitud física de la lente de la P900 no es tan corta como 4,3 mm, ni tan larga como 357 mm. Entonces, debemos abordar la pregunta fundamental, ¿qué es la distancia focal ?

• ¿Qué es la distancia focal y cómo afecta a mis fotos?
• ¿Cuál es la diferencia técnica entre el enfoque y el zoom?

Si pudiera reemplazar la distancia focal de gran angular de la P900 con un solo lente de vidrio simétrico (como una lupa) con el mismo aumento que el extremo ancho de la P900, entonces los rayos de luz paralelos que entran en esa lente de un solo elemento se enfocarían en un punto de 4,3 mm. , casi un sexto de pulgada, más allá de la lente. Eso es lo que significa la distancia focal .

La lente real de la P900 no es tan corta. Todas las lentes del mundo real tienen múltiples elementos ópticos en ellas. Estos elementos trabajan juntos para doblar y "desdoblar" (divergir) los rayos de luz varias veces. El punto de estos múltiples elementos (y grupos de elementos) son:

• para permitir que la lente enfoque, en lugar de mover todo el conjunto de la lente hacia adentro o hacia afuera para enfocar (estos elementos comprenden los grupos de enfoque);
• para permitir que la lente haga zoom, es decir, cambiar la distancia focal;
• para controlar aberraciones como la aberración cromática (que es una consecuencia natural de la luz que se desvía a través de materiales con diferentes propiedades de refracción).

Por lo tanto, los diseñadores de lentes agregan muchos elementos para que la lente sea más útil que un rango limitado de condiciones operativas. Eso agrega longitud al conjunto de la lente, pero en el caso de las lentes gran angular, es ópticamente "equivalente" (usando esa palabra vagamente) a una lente simple de un solo elemento con una distancia focal más corta que la longitud física de la lente del mundo real.

De manera similar, en el otro extremo del rango de zoom de la P900, con una distancia focal de 357 mm, la lente tiene físicamente menos de 357 mm de largo. Esto se debe a que la lente tiene un grupo de teleobjetivo , un grupo de elementos que permiten que una lente sea físicamente más corta que su lente delgada, lo que dictaría la distancia focal equivalente. Vea también, ¿Cuál es la diferencia entre un teleobjetivo y un zoom?

Ahora, en cuanto a cómo obtienen rangos de zoom tan altos como 83x (o incluso más, como el zoom de 125x en la P1000 recientemente anunciada de Nikon ), bueno... ciencia. Magia. ¿Un poco de ambos?

Estas cámaras híbridas de zoom alto son relativamente baratas en comparación con los superteleobjetivos DSLR normales, por lo que no parece que utilicen los mismos elementos ópticos caros. Se las arreglan para empaquetar 83x en 20 cm aproximadamente, mientras que los mejores lentes DSLR de 600 mm son aproximadamente el doble de largos para aproximadamente 12x, así que me pregunto cómo lo hacen, cuánta luz se pierde en el proceso, etc.

Con respecto a comparar la cantidad de zoom con la longitud de la lente, recuerde comparar lo similar con lo similar. En este caso, entra en juego la ley del cuadrado-cubo (Wikipedia) : como un objeto se escala en tamaño por un factor S , su área de superficie se escala por S ² y su volumen se escala por S ³.

La P900 tiene un factor de recorte de 5,6, lo que significa que el factor de escala lineal entre cámaras como la P900 con un sensor de 1/2,3" y cámaras de cuadro completo de 35 mm es S = 5,6 (de P900 a 35 mm FF). Entonces, para crear un "equivalente" sistemas ópticos (en lo que respecta a la geometría de la óptica), la lente 83x tipo P900 ampliada, pero hecha para un cuerpo FF de 35 mm:

• tienen aproximadamente un diámetro 5,6 veces mayor, y

• pesa aproximadamente 5,6³ = 175 veces el peso de la lente P900. ¹

  Nota 1: La lente probablemente no pesaría tanto; una escala S ³ simple implica que todos los componentes, incluidos los motores de enfoque, los tubos de lentes, las hélices de enfoque y los controles, etc., escalan el grosor de sus paredes 5,6 veces. Eso no es necesario, habría mucho peso para afeitarse. Pero, desde el punto de vista óptico (sin cambiar la fórmula óptica), el peso del vidrio aumentaría en S³ .

Y tenga en cuenta que incluso la longitud de la lente de ~20 cm se amplía en S a unos 112 cm, que es más de un metro de largo.

Ni siquiera quiero saber cómo escalaría el costo, pero 175 veces el costo de $ 1000 del nuevo P1000 en realidad no estaría totalmente fuera de lugar para una bestia tan ridículamente monstruosa si fuera para cuerpos de marco completo de 35 mm.

• El Sigma 200-500mm ƒ/2.8 APO EX DG Ultra-Telephoto cuesta $26,000. Para un zoom de 2,5x. En serio. (Aunque las reseñas de Amazon son decididamente poco serias )
• El lente Canon EF 1200mm ƒ/5.6 L USM es un teleobjetivo fijo que cotiza en $100k. B&H Photo Video vendió uno usado en 2015 por $ 180,000 , así que eso es todo.
• El CINE-SERVO 50-1000mm T5.0-8.9 EF de Canon es un lente de cine con zoom de 20x para la montura Canon EF, por solo $70k. También tiene un extensor de 1.5x seleccionable incorporado (teleconvertidor). Tal vez no sea justo incluir lentes de cine especialmente diseñados en un contexto fotográfico, pero es montura EF, por lo que es bueno para la fotografía DSLR, ¿verdad?

Después de eso, ha habido varios lentes únicos en su tipo que se vendieron a precios astronómicos, pero no nos pongamos ridículos (!).

Por lo tanto, hay beneficios de costos no lineales obvios para reducir la escala. Pero dado que el P900 y el P1000 no están dirigidos al mercado profesional o de prosumidores de alto nivel, pueden tomar más decisiones de ahorro de costos, como:

• usar vidrio óptico de menor calidad en algunos de los elementos de la lente;
• reducir el número de recubrimientos ópticos (como los de baja dispersión y antirreflectantes);
• eliminar el sellado contra la intemperie;
• proporcionar menos cobertura de garantía;
• y todos los demás sospechosos habituales cuando las empresas se dedican a la segmentación del mercado.