Quale apertura è migliore per una fotocamera mobile: F1.8, F2.0 o F2.2?

La risposta alla tua domanda dipende da un'analisi completa del sistema, non solo dal solo numero f/number.

Il primo punto è quello di correggere due malintesi comuni che, purtroppo, si ripetono in altre risposte alla tua domanda.

• f/number non è l'apertura. L'apertura è il diametro effettivo dell'apertura dell'obiettivo visto dalla parte anteriore della fotocamera. f/numero è il rapporto tra lunghezza focale e apertura.
• Il prodotto dell'apertura (non f/numero) e l'angolo di vista determina la quantità totale di luce catturata. Questa è la chiave per la qualità dell'immagine.

La capacità di una fotocamera di raccogliere la luce è il fattore predominante per determinare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. A parità di condizioni, la raccolta di luce extra riduce il rumore dell'immagine e permette una maggiore flessibilità, come una maggiore velocità dell'otturatore per la cattura del movimento o per le riprese con poca luce. Per lo stesso angolo di vista, la capacità di raccolta della luce di una combinazione fotocamera/obiettivo è proporzionale all'area di apertura.

Il secondo punto è capire la relazione tra i parametri della fotocamera/l'obiettivo di apertura, lunghezza focale e dimensione del sensore ai parametri dell'immagine di campo visivo, profondità di campo e rumore dell'immagine. Confrontiamo alcune fotocamere tipiche degli smartphone:

• LG G4: Un obiettivo f/1.8, lunghezza focale equivalente a 28 mm, montato su un sensore da 16MP, 1/2.6 (5,79 mm x 4,01 mm). Rapporto d'aspetto 16x9. Fattore di ritaglio 6,14.
• Apple iPhone 6: obiettivo f/2.2, lunghezza focale equivalente a 29mm, montato su un sensore da 8MP, 1/3.0 (4,89 x 3,67 mm). Rapporto d'aspetto 4x3. Fattore di ritaglio 7.07.
• Samsung Galaxy S6 Edge: obiettivo f/1.9, lunghezza focale equivalente a 28mm, montato su un sensore da 16MP, 1/2.6 (5.79 mm x 4.01 mm). Rapporto d'aspetto 16x9. Fattore di crop 6,14.

La dimensione effettiva dell'apertura di ciascuna si trova dividendo la lunghezza focale equivalente per il prodotto del fattore di crop e il numero f/number. Per queste tre fotocamere ...

• LG G4: Apertura = 28/(6.14*1.8) = 2.53 mm
• iPhone 6s: Apertura = 29/(7.07*2.2) = 1.80 mm
• Galaxy S6 Edge: Apertura = 28/(6.14*1.9)) = 2.40 mm

Su questa base, l'LG G4 ha circa 2 volte la capacità di raccogliere luce dell'iPhone 6s. Su questa base l'LG G4 sarebbe da preferire.

Prossimamente considerate la profondità di campo. La dimensione effettiva del diaframma determina il grado di sfocatura dello sfondo quando si cerca questo effetto. Su questa base l'LG G4 ha un piccolo vantaggio sugli altri due. Sicuramente non è paragonabile alle fotocamere più grandi dove un'apertura dell'obiettivo di 10-20mm è abbastanza comune. Non si usano le fotocamere degli smartphone per scattare foto con profondità di campo ridotta.

Per alcune situazioni si può desiderare una profonda profondità di campo. Ancora una volta l'apertura è la chiave. Per una fotocamera focalizzata su un oggetto lontano, il minimo dettaglio risolvibile in primo piano è uguale all'apertura dell'obiettivo. In questo caso l'iPhone ha un piccolo vantaggio.

Infine, considerate la qualità dell'obiettivo. Questo è molto più difficile da prevedere perché la progettazione delle lenti è una questione complessa. Cose come la qualità degli elementi dell'obiettivo, la capacità di controllare il flare e la distorsione sono fondamentali. Per questo bisogna guardare i rapporti dettagliati dei test sulle lenti.

Un limite fondamentale sulla risoluzione è dovuto alla diffrazione della luce che passa attraverso un'apertura. Per la luce rossa di 750 nm di lunghezza d'onda a f/2.0, il pixel minimo risolvibile (usando la formula del disco di Airy) è circa 1,22*0,75*2,0 = 1,8 micron. I sensori da 16MP hanno una dimensione dei pixel di 1,2 micron, e quello dell'iPhone di 1,5 micron. Quindi, anche se le lenti fossero perfette e la diffrazione limitata, queste fotocamere non possono risolvere 8MP (e tanto meno 16MP) di dettaglio dell'immagine. Più MP non fanno molta differenza una volta superati gli 8MP. La raccolta della luce, la qualità dell'obiettivo e le limitazioni di diffrazione hanno molto più a che fare con la qualità dell'immagine che i megapixel.

La gamma dinamica si riferisce alla capacità del sensore di registrare una vasta gamma di valori tonali ed è strettamente legata al numero massimo di fotoelettroni che un pixel può memorizzare che, a sua volta, è legato all'area del pixel. Per queste tre fotocamere ...

• LG G4: Area pixel = (5,79 mm x 4,01 mm)/16 MP = 1,45 micron quadrati
• iPhone 6s: Area pixel = (4,89 x 3,67 mm)/8 = 2,24 micron quadrati
• Galaxy S6 Edge: Area pixel = (5,79 mm x 4,01 mm)/16 MP = 1,45 micron quadrati

Su questa base, l'iPhone ha il potenziale per una maggiore gamma dinamica. E a causa dei limiti di diffrazione, non soffre realmente di una perdita di risoluzione.

Per questo particolare confronto il sistema con l'obiettivo f/1.8 sembra attraente con vantaggi di raccolta della luce rispetto ai concorrenti, ma probabilmente nessuna reale differenza nella risoluzione, e forse meno gamma dinamica. Questo è coerente con i test di DXOmark per questi telefoni. Un confronto tra smartphone con fotocamere point and shoot o di formato più grande produce differenze molto più drammatiche.