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

12

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.

Chimel31
источник
1
Я уберу побочный вопрос, так как Stack Exchange настоятельно предпочитает только один вопрос на пост, но на него отвечает: Могу ли я преобразовать бинокулярный зум в эквивалентное фокусное расстояние объектива? ,
Филипп Кендалл,
Разве это не просто датчик урожая, который делает "всю работу". Фактическая оптическая часть оптики, вероятно, меньше 10 мм в самом широком диапазоне, а затем всего 83x, что является фокусным расстоянием телефона.
Андреас
1
@Andreas На самом деле это 4,3 мм-357 мм.
Майкл C

Ответы:

14

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.

Алан Маркус
источник
5
Обратите внимание, что кроп-фактор представляет собой сравнение линейных измерений. С точки зрения площади , датчик FF 35x24 мм примерно в 30 раз больше, чем датчик на P900.
Майкл С.
Для тех, кто интересуется: 1/30 = 0,18 ^ 2 (приблизительно, но это приличное приближение).
BallpointBen
Промышленный стандарт заключается в сравнении различий между размерами кадра, формат А и формат В; сравнивая различия в диагональных мерах. Это значение известно в промышленности как коэффициент увеличения или кропотливого роста. Различия в области также ценны. Однако эквивалентность фокусного расстояния основана на факторе урожая. Использование диагонали при рекламе угла обзора раздувает и тем самым помогает продажам. Это та же тактика, которая используется при рекламе телевизоров; диагональная мера дана, потому что она раздувает рекламируемый размер набора.
Алан Маркус
Я не осознавал, что размер сенсора был намного меньше, 1 / 2,3 "на самом деле не говорит со мной, и их корпуса также не очень малы. Теперь я лучше понимаю, как можно увеличить зум Coolpix до 83x (P900) или 125x (P1000): линзы намного меньше и, следовательно, намного дешевле, так что вы можете добавить их больше и при этом
сэкономить
Иногда математика вводит в заблуждение. Скажем, бинокль обеспечивает 10-кратное увеличение. Можно честно сказать, что «увеличение площади» составляет 100Х. Все зависит от того, как вы видите такие вещи. Nikon P900 оснащен датчиком изображения высотой 4,55 мм и длиной 6,17 мм. Диагональ этого прямоугольника составляет 7,67 мм. Площадь этого прямоугольника составляет 28,07 мм кв. Уважаемая 35-миллиметровая заполняющая рама, которая является основой для сравнительных измерений высотой 24 мм и длиной 36 мм. Его диагональ составляет 43,27 мм. Его площадь составляет 864 мм кв. По сравнению с диагоналями P900 составляет 17,7% от размера FX. Сравнивая область, P900 составляет 3,25% размера FX.
Алан Маркус
6

Как они добираются до 83х?

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

Размер датчика

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

P1000

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.

200-500mm

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.

Сигма 300-800мм

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.

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.

обкрадывать
источник
1
"Объектив Zoom: 200/35 = 5.71" Извините, почему 35?
Chimel31
@ Chimel31 - Почему? например, 35 мм - Полноразмерные датчики немного разных размеров у разных производителей. «Полнокадровые» датчики : 36x24, 35,9x23,9 или 35,9x24 мм - Википедия: « Формат изображения »: «Термин« формат 135 »обычно относится к формату пленки 36 × 24 мм , широко известному как формат 35 мм. Формат × 24 мм является общим для цифровых датчиков изображения, где его обычно называют полнокадровым форматом ».
Роб
Errrr .... Ваше последнее дополнение не "профессиональный объектив". Это спортивный трансляционный объектив, не предназначенный для фотографирования.
Пожалуйста, прочитайте мой профиль
@mattdm - Chimel31 спросил о гибридных камерах и сказал: «... не похоже, что они используют одни и те же дорогие оптические элементы вообще. Им удается упаковать 83x в 20 см или около того, в то время как лучшие 600-мм объективы DSLR примерно в два раза длиннее ... ". Так что это «Оптический вопрос», как они это делают? В отличие от вопроса о теле P900. Потребительские объективы Fujifilm значительно дешевле, чем их профессиональный модельный ряд, и расположены в другом разделе сайта. Я не думаю, что дополнение ухудшает ответ.
Роб
1
@Rob 5 - Вы только что описали полнокадровый формат, который я очень хорошо знаю, но не то, почему вы делите длину фокусировки на 35, чтобы получить «зум-объектив». Разве это не должно быть 500/200 = 2,5, чтобы получить уровень масштабирования, или 500/50 = 10, чтобы получить уровень увеличения?
Chimel31
5

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.

Джерри Гроб
источник
5

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 ?

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.

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.
scottbb
источник
1
Объектив canon 50-1000 также может быть хорошим примером того, что происходит с размером и ценой.
Лижат
"Сосредоточение" на первом ... смешок, смешок.
Стэн
@ Стэн хе, тот был совершенно незапланирован. Даже не заметил, пока ты не заметил.
Скоттбб