¿Por qué los lentes superzoom son pequeños pero los teleobjetivos gigantes son enormes?

Esta semana he leído dos noticias sobre dos lentes de cámara diferentes que pueden magnificar cosas que están muy lejos.

La primera es la Nikon Coolpix P900 , que es una cámara de apuntar y disparar que cuesta $ 600, tiene una lente superzoom óptica 83x ("el mismo campo de visión que una lente de 2,000 mm en una cámara de fotograma completo"), y permite ves los cráteres de la luna.

El segundo es el objetivo Canon EV 1200mm f / 5.6 L USM , que pesa 36 libras, cuesta $ 180,000 y puede tomar retratos de personas a media milla de distancia.

Un no fotógrafo podría preguntar: "¿Por qué alguien gastaría sus ahorros de vida en un gigantesco telescopio de lente cuando podría tomar fotos lejanas con una cámara de mano por 1/300 del precio?"

Bueno, básicamente no soy fotógrafo, y me gustaría hacer esa pregunta. ¿Qué te da el grande que el pequeño no proporciona? Entiendo que pequeños cambios en las lentes pueden hacer una gran diferencia en tamaño y precio, pero esto parece ser de una escala completamente diferente.

¿Qué está pasando con la óptica de las lentes que hace que la pequeña pueda ser tan pequeña y la grande tiene que ser tan ... grande?

Estoy tratando de obtener una intuición básica de lo que hace que las lentes sean diferentes, y me doy cuenta de que no entiendo lo suficiente sobre cómo funcionan las lentes, incluso para saber cómo comparar estas manzanas y sandías.

La lente de 1200 mm que cita es una especie de aberración, ya que está fabricada bajo pedido, no es una lente de mercado general. Vea ¿Por qué algunas teleobjetivas grandes son tan caras en comparación con los telescopios? y ¿Por qué algunas lentes son tan caras? . Pero la regla general es cierta: las lentes para cámaras réflex digitales y la mayoría de las cámaras sin espejo son gigantes en comparación con las de las cámaras superzoom. Hay tres razones generales para esto:

1. El sensor en estas cámaras superzoom tiende a ser pequeño, generalmente de 1 / 2.3 "clase, lo que significa" tamaño de miniatura ". Por el contrario, los sensores en DSLR de gama alta suelen ser del tamaño de una película tradicional de 35 mm, y los de rango medio y réflex digitales más bajas y cámaras sin espejo todavía básicamente en ese estadio, y muchas veces más grande que la del superzoom. Esto significa que la lente tiene que proyectar un círculo mucho más pequeño y, a su vez, puede ser más pequeño.
2. No siempre, pero a menudo, esas lentes grandes y pesadas tienen aperturas máximas más rápidas. Eso requiere un elemento frontal más grande (¡al menos!), Lo que significa más vidrio, más gastos, más peso. Sería posible diseñar una cámara superzoom con una lente más rápida (apertura máxima más amplia), pero hacerlo haría la lente más grande (y probablemente más difícil de hacer con un rango de zoom tan gigantesco). Eso iría en contra del objetivo de diseño, por lo que generalmente no lo ves. En otras palabras, es una especie de tautología: las cámaras superzoom tienen lentes pequeñas con un rango de zoom alto porque lo hacen .
3. De nuevo, no siempre, sino también a menudo: se espera más de las lentes SLR, por lo que están diseñadas para cumplir con las expectativas más altas. Todo diseño de lentes es un compromiso, en tamaño, peso, costo o calidad de imagen en muchas variaciones diferentes. Consulte ¿Qué características de calidad de imagen hacen que una lente sea buena o mala? . La mayoría de los diseños de superzoom priorizan eso y permiten que las personas vivan con los resultados (suponiendo que los compradores sean menos exigentes en ese mercado) o que apliquen automáticamente una amplia corrección de software.

Ese increíble rango de zoom es bastante bueno, y la longitud focal máxima equivalente parece sorprendente. Pero sí pagas el precio. El sensor más pequeño inherentemente reúne menos luz en general, solo porque hay menos. Eso significa más ruido, y no hay forma de engañar a la física en este caso. De hecho, podría simplemente recortar el centro de una imagen DSLR con una de esas lentes grandes, y probablemente obtener un resultado más o menos equivalente, a pesar de que la resolución sería nominalmente menor (a menos que tenga una DSLR de muy alta calidad). Esto se debe a que, desde un punto de vista práctico, el zoom es prácticamente indistinguible del recorte .

A modo de ejemplo, aquí hay un recorte de una imagen que Kyla Duhamel tomó de su patio trasero y publicó en Flickr bajo una licencia CC-BY, usando un zoom de nivel de consumidor para una DSLR de nivel de consumidor Incluso en este cultivo no llena el frame, pero creo que el detalle real es más o menos comparable al del video que vinculaste.

Eso es con una lente que muchos de nosotros también llamamos "superzoom" (¡la terminología es increíblemente confusa a veces!), La Canon 18-200mm f / 3.5-5.6. Esta lente pesa alrededor de 1.3 libras y mide 4 pulgadas de largo: Canon pro-grade 70-200 mm f / 2.8 (tenga en cuenta el rango de zoom reducido a pesar de que ambos terminan en 200 mm) pesa más del doble, a 2.9 libras, y es casi el doble tanto tiempo, y probablemente pueda hacerlo algo mejor en detalle, pero la luna no es realmente el principal diferenciador entre estos modelos. En cambio, aumenta la nitidez y reduce la distorsión y otros artefactos, una apertura máxima más rápida, una construcción más sólida, etc.

Sin embargo , todavía tiene más tamaño, peso y costo. A cambio, generalmente obtienes una mejor calidad de imagen fuera de esa situación de "extracción total" (y en realidad no es mucho peor en ese caso).

La lente Canon tiene una longitud focal de 1200 mm y una apertura máxima de f / 5.6, mientras que la lente Nikon tiene una longitud focal (en el extremo largo) de 357 mm y una apertura máxima de f / 6.5. Por lo tanto, la lente Canon es más larga y tiene una apertura más rápida, lo que requiere un elemento frontal más grande, 214 mm frente a 55 mm. Esta es una diferencia sustancial y hace que Canon sea más grande, más pesado y más caro.

Nikon puede ver más allá debido a que tiene un sensor más pequeño, es realmente equivalente a tomar una foto y recortar una pequeña parte en la distancia de la imagen normal y hacerla explotar. Hacer esto resulta en capturar menos detalles. En consecuencia, la lente Nikon proyecta un círculo de imagen mucho más pequeño y captura menos luz, 15 veces menos, lo que significa una imagen con más ruido.

Entonces, aunque la lente Canon es más cara, dará una imagen más brillante y nítida.

Una lente y un sensor están relacionados en tamaño. El teleobjetivo gigante funciona contra un sensor que es 6 veces más largo y 6 veces más ancho que el sensor de la mini cámara superzoom.

El resultado es una lente donde cada elemento tiene 6 veces el diámetro y 6 veces el grosor. Las distancias entre los elementos también se magnifican por un factor 6. Y el resultado: 6 * 6 * 6 = 216 veces más pesado. Y una lente que se extiende 8 cm tendrá 48 cm de largo (3 vs 18 pulgadas).

Entonces, el propietario de una lente grande también quiere que funcione mejor que ese mini zoom, por lo que es más preciso y tal vez tenga más componentes de diámetro aún mayor.

Y hasta el precio y el tamaño ...

¿Por qué comprarías una buena lente? Porque toma buenas fotos. En igualdad de condiciones, la calidad de imagen y la apertura de una longitud de enfoque fija no se pueden obtener con un objetivo zoom del mismo precio.

El zoom tiene, por razones principales, más lentes internas que introducen más error y más reflexión, y debe enmascarar estos errores con una apertura más pequeña.

¿Por qué es deseable una gran apertura? Te da libertad para jugar con la profundidad de campo, difuminando fondos; y obviamente te permite tomar una mejor fotografía cuando hay poca luz. ¹ Una apertura grande también es una indicación de la calidad de una lente (si suponemos que el productor tiene el mismo estándar mínimo de calidad de imagen para cada lente con la apertura máxima). Una lente de gran apertura debería producir una mejor calidad de imagen en la apertura de una lente de menor tamaño, más barata y con la misma distancia focal.

Como ilustración de la importancia de la calidad y la profundidad de campo: una vez tomé esta foto con una Nikon 135mm / f2 (aunque no recuerdo la configuración real de f-stop):

Una comparación con el Coolpix es un poco injusto porque la imagen se hizo en una película de 35 mm, lo que facilita tener una profundidad de campo baja; En cualquier caso, supongo que esta imagen sería imposible de tomar con ese super zoom de 83x. El marco, sí; pero el fondo sería mucho menos borroso.

Las principales desventajas de las lentes de gran apertura son su tamaño, peso y valor. No es extraño que las personas compren equipos extremadamente caros y luego nunca lo lleven a ningún lado porque es engorroso y también podrían ser robados o dañados, por lo que siempre terminan usando su pequeño y barato equipo todos los días.