Por que as lentes superzoom são pequenas, mas as teleobjectivas gigantes são enormes?

Nesta semana, li duas notícias sobre duas lentes de câmera diferentes que podem ampliar coisas muito distantes.

A primeira é a Nikon Coolpix P900 , que é uma câmera de apontar e disparar que custa US $ 600, e possui uma lente ótica super zoom de 83x ("o mesmo campo de visão que uma lente de 2.000 mm em uma câmera full frame"), e permite você vê as crateras da lua.

A segunda é a lente Canon EV 1200mm f / 5.6 L USM , que pesa 36 libras, custa US $ 180.000 e pode tirar retratos de pessoas a 800 metros de distância.

Um não fotógrafo pode perguntar: "Por que alguém gastaria suas economias em um gigantesco telescópio de lente quando você podia tirar fotos distantes com uma câmera de mão por 1/300 do preço?"

Bem, sou basicamente um não fotógrafo e gostaria de fazer essa pergunta. O que o grande dá a você que o pequeno não fornece? Entendo que pequenas mudanças nas lentes podem fazer uma grande diferença em tamanho e preço, mas isso parece ter uma escala completamente diferente.

O que está acontecendo com a ótica das lentes que torna a pequena capaz de ser tão pequena e a grande precisa ser tão ... grande?

Estou tentando obter uma intuição básica sobre o que torna as lentes diferentes e percebo que não entendo o suficiente sobre como as lentes funcionam para saber como comparar essas maçãs e melancias.

A lente de 1200 mm que você cita é uma aberração, já que é feita sob encomenda, e não uma lente de mercado em geral - veja Por que algumas grandes teleobjectivas são tão caras em comparação com os telescópios? e Por que algumas lentes são tão caras? . Mas a regra geral é verdadeira: as lentes para DSLRs e a maioria das câmeras sem espelho são gigantescas em comparação com as câmeras superzoom. Há três razões gerais para isso:

1. O sensor nessas câmeras superzoom tende a ser pequeno - geralmente na classe 1 / 2,3 ", o que significa" tamanho da miniatura ". Por outro lado, os sensores na DSLR de alta qualidade geralmente são do tamanho de filmes tradicionais de 35 mm e os de médio alcance e DSLRs mais baixas e câmeras sem espelho ainda basicamente nesse estádio, e muitas vezes maiores que as do superzoom.Isso significa que a lente precisa projetar um círculo muito menor e, por sua vez, pode ser menor.
2. Nem sempre, mas frequentemente, essas lentes grandes e pesadas têm aberturas máximas mais rápidas. Isso requer um elemento frontal maior (pelo menos!) - o que significa mais vidro, mais despesa e mais peso. Seria possível projetar uma câmera superzoom com uma lente mais rápida (abertura máxima maior), mas isso aumentaria a lente (e provavelmente mais difícil de ser feita com uma faixa de zoom tão gigantesca). Isso seria contrário ao objetivo do design, e você geralmente não o vê. Em outras palavras, é uma espécie de tautologia: as câmeras superzoom têm lentes pequenas com um alcance de zoom alto, porque possuem .
3. Novamente, nem sempre, mas também com frequência: mais é esperado das lentes SLR, portanto elas são projetadas para atender a expectativas mais altas. Todo o design da lente é comprometido, em tamanho, peso, custo ou qualidade de imagem em diversas variações - consulte Quais características da qualidade da imagem tornam uma lente boa ou ruim? . A maioria dos projetos de superzoom prioriza isso e permite que as pessoas vivam com os resultados (assumindo compradores menos exigentes nesse mercado) ou aplique automaticamente uma extensa correção de software.

Essa incrível faixa de zoom é bem legal e a distância focal máxima equivalente parece incrível. Mas, você paga o preço. O sensor menor inerentemente reúne menos luz em geral, apenas porque há menos. Isso significa mais barulho, e não há como enganar a física nessa questão. De fato, você pode simplesmente cortar o centro de uma imagem DSLR com uma dessas grandes lentes e provavelmente obter um resultado aproximadamente equivalente, mesmo que a resolução seja nominalmente mais baixa (a menos que você tenha uma DSLR de ponta muito alta). Isso porque, de um ponto de vista prático, o zoom é praticamente indistinguível do corte .

Por exemplo, aqui está um recorte de uma imagem que Kyla Duhamel tirou de seu quintal e postou no Flickr sob uma licença CC-BY, usando um zoom no nível do consumidor para uma DSLR no nível do consumidor. quadro, mas acho que o detalhe real é mais ou menos comparável ao que no vídeo é ligada.

Aquela com muitos lente de nós também chamamos de "superzoom" (terminologia é impressionante confundindo às vezes!), A Canon 18-200mm f / 3.5-5.6. Essa lente pesa cerca de 1,3 libra e tem 4 polegadas de comprimento - a Canon de nível profissional de 70-200 mm f / 2,8 (observe a faixa de zoom reduzida, mesmo que ambas terminem com 200 mm!) por muito tempo e provavelmente pode se sair um pouco melhor em detalhes - mas a lua não é realmente o principal diferencial entre esses modelos. Em vez disso, é maior nitidez e distorção reduzida e outros artefatos, abertura máxima mais rápida, construção mais sólida e assim por diante.

Você ainda fazer ter mais tamanho, peso e custo, no entanto. Em troca, você geralmente obtém uma melhor qualidade de imagem fora daquela situação "totalmente estagnada" (e na verdade não é muito pior nesse caso).

A lente da Canon possui distância focal de 1200 mm e abertura máxima de f / 5.6, enquanto a lente Nikon possui uma distância focal (na extremidade longa) de 357 mm e abertura máxima de f / 6.5. Portanto, a lente da Canon é mais longa e tem uma abertura mais rápida, o que requer um elemento frontal maior, 214 mm vs 55 mm. Esta é uma diferença substancial e torna a Canon maior, mais pesada e mais cara.

A Nikon pode ver mais por ter um sensor menor, é realmente equivalente a tirar uma foto e cortar uma pequena parte na distância da imagem normal e explodi-la. Isso resulta na captura de menos detalhes. Consequentemente, a lente Nikon projeta um círculo de imagem muito menor e captura menos luz, 15 vezes menos de fato, o que significa uma imagem com mais ruído.

Portanto, embora a lente da Canon seja mais cara, ela proporcionará uma imagem mais clara e nítida.

Uma lente e um sensor estão relacionados em tamanho. A teleobjetiva gigante funciona contra um sensor que é 6 vezes maior e 6 vezes maior que o sensor da mini câmera superzoom.

O resultado é uma lente em que cada elemento tem 6 vezes o diâmetro e 6 vezes a espessura. As distâncias entre os elementos também são ampliadas por um fator 6. E o resultado: 6 * 6 * 6 = 216 vezes mais pesado! E uma lente com 8 cm de extensão terá 48 cm de comprimento (3 x 18 polegadas).

Então, o proprietário de uma lente grande também quer que ela tenha um desempenho melhor do que o mini zoom - por isso é mais preciso e talvez tenha mais componentes de diâmetro ainda maior.

E suba preço e tamanho ...

Por que você compraria uma boa lente? Porque tira boas fotos. Todas as outras coisas são iguais, a qualidade da imagem e a abertura de um comprimento de foco fixo não podem ser obtidas com uma lente zoom do mesmo preço.

O zoom tem, por princípio, mais lentes internas que introduzem mais erro e mais reflexão, e devem mascarar esses erros com uma abertura menor.

Por que uma abertura grande é desejável? Dá liberdade para brincar com a profundidade de campo, desfocando os fundos; e obviamente permite tirar uma foto melhor quando a luz é baixa. ¹ Uma abertura grande também é uma indicação da qualidade de uma lente (se considerarmos que o produtor possui o mesmo padrão mínimo de qualidade de imagem para todas as lentes com abertura máxima). Uma lente de grande abertura deve produzir uma melhor qualidade de imagem na abertura de uma lente de abertura menor e mais barata, com distância focal igual.

Como ilustração da importância da qualidade e da profundidade de campo: Uma vez tirei esta foto com uma Nikon 135mm / f2 (embora não me lembre da configuração real de f-stop):

Uma comparação com o Coolpix é um pouco injusta, porque a imagem foi feita em filme de 35 mm, o que facilita a profundidade de campo; de qualquer forma, presumo que essa imagem seria impossível de ser tirada com esse super zoom de 83x. A moldura sim; mas o fundo seria muito menos desfocado.

As principais desvantagens das lentes de grande abertura são seu tamanho, peso e valor. Não é incomum que as pessoas comprem equipamentos extremamente caros e nunca os levem a lugar algum, porque é pesado e também pode ser roubado ou danificado; portanto, eles sempre acabam usando seus equipamentos pequenos e baratos todos os dias.