なぜスーパーズームレンズは小さいのに巨大な望遠レンズは巨大なのですか？

今週、私は非常に遠くのものを拡大できる2つの異なるカメラレンズに関する2つのニュース記事を読みました。

1つ目はNikon Coolpix P900で、これは600ドルのポイントアンドシュートカメラで、83倍の光学スーパーズームレンズ（「フルフレームカメラの2,000mmレンズと同じ視野」）を持ち、月のクレーターが見えます。

2つ目は、キヤノンEV 1200mm f / 5.6 L USMレンズです。重量は36ポンド、価格は180,000ドルで、0.5マイル先の人物の肖像画を撮影できます。

写真家でない人は、「手持ちのカメラで1/300の価格で遠くの写真を撮れるのに、なぜ誰かがレンズの巨大な望遠鏡に命の節約をするのか」と尋ねるかもしれません。

まあ、私は基本的に写真家ではないので、その質問をしたいと思います。大きなものは、小さなものが提供しないことをあなたに何を与えますか？レンズの小さな変更がサイズと価格の大きな違いを生むことができると理解していますが、これは全く異なる規模のようです。

レンズの光学系で何が起こっているのですか？小さなものをとても小さくすることができ、大きなものをとても大きくする必要がありますか？

私はレンズの違いを理解するために基本的な直観を得ようとしていますが、これらのリンゴとスイカを比較する方法を知るためにレンズがどのように機能するかについて十分に理解していないことに気付きます。

あなたが引用する1200mmのレンズは、一般市場向けのレンズではなく、受注生産品であるため、収差のようなものです。大型の望遠レンズが望遠鏡に比べてそれほど高価なのはなぜですか？をご覧ください。そして、なぜいくつかのレンズはとても高価ですか？。しかし、一般的なルールは当てはまります。デジタル一眼レフとほとんどのミラーレスカメラのレンズは、スーパーズームカメラのレンズに比べて巨大です。これには3つの一般的な理由があります。

1. これらのスーパーズームカメラのセンサーは小さい傾向があります。通常は「サムネイルサイズ」を意味する1 / 2.3クラスです。対照的に、ハイエンドDSLRのセンサーは通常、従来の35mmフィルムのサイズであり、ミッドレンジのセンサーはそして、基本的にはその球場にある低デジタル一眼レフカメラとミラーレスカメラは、スーパーズームの何倍も大きいため、レンズははるかに小さな円を投影する必要があり、さらに小さくすることができます。
2. 常にではありませんが、多くの場合、これらの大きくて重いレンズは、より速い最大口径を持ちます。それには、より大きなフロント要素（少なくとも！）が必要です。これは、より多くのガラス、より多くの費用、より大きな重量を意味します。より高速な（最大口径の広い）レンズを備えたスーパーズームカメラを設計することは可能ですが、そうするとレンズが大きくなります（そして、そのような巨大なズーム範囲ではおそらく作るのが難しくなります）。これは設計目標に反するため、通常は表示されません。言い換えると、それは一種のトートロジーです。スーパーズームカメラには、ズーム範囲が広い小さなレンズがあります。
3. 常にではありませんが、多くの場合、一眼レフレンズにはさらに多くのものが期待されるため、より高い期待に応えるように設計されています。すべてのレンズ設計は、サイズ、重量、コスト、または多くの異なるバリエーションの画像品質において妥協です— どのような画像品質特性がレンズを良いまたは悪いものにするかを参照してください。。ほとんどのスーパーズームデザインはそれを優先し、結果に合わせて人々が生きられるようにするか（その市場でのうるさいバイヤーが少ないと仮定して）、広範なソフトウェア修正を自動的に適用します。

その驚くべきズーム範囲はかなりクールで、最大の焦点距離に相当するものは驚くべきようです。しかし、あなたは代価を払います。小さなセンサは、本質的に少ないことがありますという理由だけで、全体的に少ない光集めます。それはより多くのノイズを意味し、これに関して物理学をごまかす方法はありません。実際、これらの大きなレンズの1つを使用して、DSLR画像から中心を切り取ることができ、解像度が名目上低い場合でも、おそらくほぼ同等の結果が得られます（非常にハイエンドのDSLRがない場合）。これは、実用的な観点から、ズームはトリミングと事実上区別できないためです。

例として、Kyla Duhamelが彼女の裏庭から撮影し、CC-BYライセンスの下でFlickrに投稿した画像からの作物を以下に示します。消費者レベルのDSLRに消費者レベルのズームを使用します。フレームですが、実際の詳細は、リンクしたビデオの詳細にほぼ匹敵すると思います。

それは私たちの多くが「スーパーズーム」（専門用語は時々紛らわしいほど混乱している！）、キヤノン18-200mm f / 3.5-5.6とも呼ばれるレンズを使用しています。このレンズの重量は約1.3ポンド、長さは4インチです。キヤノンのプログレード70-200mm f / 2.8（両端が200mmであるにも関わらずズーム範囲が狭くなっていることに注意してください！）長い限り、おそらく詳細に多少改善できますが、月は実際にこれらのモデルの主要な差別化要因ではありません。代わりに、シャープネスが向上し、歪みやその他のアーティファクトが減少し、最大口径が速くなり、立体感が増します。

ただし、サイズ、重量、コストはまだまだあります。それと引き換えに、一般に、「ひっくり返された」状況の外でより良い画質を得ることができます（実際には、その場合、それほど悪くはありません）。

キヤノンレンズの焦点距離は1200mm、最大口径はf / 5.6です。一方、ニコンレンズの焦点距離は（長い端で）357mm、最大口径はf / 6.5です。そのため、キヤノンのレンズはより長く、口径が速く、214mm対55mmの大きなフロントエレメントが必要です。これは大きな違いであり、キヤノンをより大きく、重く、より高価にします。

ニコンは、より小さなセンサーを備えているため、さらに見ることができます。これは、写真を撮って、通常の画像の距離で小さな部分を切り取り、それを爆破することに相当します。これを行うと、キャプチャされる詳細が少なくなります。したがって、ニコンのレンズははるかに小さいイメージサークルを投影し、実際には15倍少ない光をキャプチャします。これは、ノイズの多いイメージを意味します。

そのため、キヤノンのレンズは高価ですが、明るく鮮明な画像が得られます。

レンズとセンサーのサイズは関連しています。巨大な望遠は、スーパーズームミニカメラのセンサーの6倍、6倍の幅のセンサーに対して機能します。

結果は、各要素が直径の6倍、厚さの6倍のレンズです。要素間の距離も6倍に拡大されます。結果は6 * 6 * 6 = 216倍になります。そして、8 cm延長されたレンズは、代わりに48 cmの長さになります（3対18インチ）。

そして、大きなレンズの所有者は、そのミニズームよりも優れた性能を望んでいます。したがって、より正確で、より大きな直径のより多くのコンポーネントを持っています。

価格とサイズを上げて...

なぜあなたは良いレンズを買うのですか？それは良い写真を撮るからです。他のすべてが等しい場合、同じ価格のズームレンズでは固定焦点距離の画質と絞りを得ることができません。

ズームには原理的な理由により、より多くの誤差とより多くの反射をもたらすより多くの内部レンズがあり、より小さな開口でこれらの誤差をマスクしなければなりません。

なぜ大口径が望ましいのですか？背景をぼかして被写界深度を自由に操作できます。そして、それは明らかに、光が弱いときにより良い写真を撮ることができます。¹大口径はレンズの品質の指標でもあります（プロデューサーが最大口径のすべてのレンズで同じ最小画像品質基準を持っていると仮定した場合）。大口径レンズは、焦点距離が等しい安価で小口径のレンズの口径でより良い画質をもたらすはずです。

品質と被写界深度の重要性を示す例として、私はかつてNikon 135mm / f2でこの写真を撮りました（実際の絞り値は覚えていませんが）。

Coolpixとの比較は少し不公平です。これは、画像が35 mmフィルムで作成されたため、被写界深度を浅くすることが容易になるためです。いずれにせよ、この画像は83倍のスーパーズームでは撮影できないと思います。フレーム、はい。しかし、背景ははるかにぼやけていません。

大口径レンズの主な欠点は、サイズ、重量、価値です。人々が非常に高価な機器を購入し、それが面倒で盗まれたり破損したりする可能性があるため、どこにも持って行かないことは前代未聞ではありません。したがって、彼らは常に安価で小さな毎日の機器を使用することになります。