Perché mai hanno realizzato sensori più piccoli dei full frame?

Occasionalmente incontrerai articoli su quanto siano straordinarie le fotocamere full frame. Molto di questo è probabilmente un eccessivo entusiasmo per un nuovo equipaggiamento o un semplice marketing, ma mi sembra che almeno queste cose siano vere:

• Il sensore con una vasta area cattura più luce
• Il sensore con singoli pixel di grandi dimensioni avrebbe meno rumore
• Il sensore più grande può contenere molti più pixel

Le fotocamere full frame sono molto più costose. Questo è strano per me, poiché ho avuto l'impressione che ridurre le dimensioni dell'elettronica sia sempre più difficile, dal momento che hai bisogno di attrezzature più precise.

Questo deve essere stato ancora più importante agli albori delle fotocamere digitali a obiettivo singolo, molti anni fa.

Quindi perché è stata presa la decisione di ridurre i sensori rispetto al film utilizzato originariamente nelle fotocamere? AFAIK alcuni obiettivi realizzati per le videocamere funzionano ancora con alcune reflex digitali, quindi perché rendere il sensore diverso dal film?

Nota che sono più interessato alla storia della decisione iniziale (dato che la dimensione del frame del film era lo status quo e comunque i DLSR erano costosi), che la differenza di prezzo.

Realizzare dispositivi a semiconduttore di grandi dimensioni con nessun difetto o solo un numero molto piccolo di difetti è molto difficile. Quelli più piccoli sono molto meno impegnativi da realizzare.

In particolare la resa - la proporzione di quelli che rendi utilizzabili - per i semiconduttori diminuisce mentre cerchi di ingrandirli. Se il rendimento è basso, allora devi creare molti dispositivi per ognuno di quelli buoni, e questo significa che il costo per dispositivo diventa molto alto: probabilmente più alto di quanto possa sopportare il mercato. Sensori più piccoli, con i conseguenti rendimenti più elevati, sono quindi fortemente preferiti.

Ecco un modo per comprendere la curva dei rendimenti. Diciamo che la possibilità di un difetto per unità di area in un processo è c , e che un tale difetto ucciderà qualsiasi dispositivo che è fatto da quel bit di semiconduttore. Esistono altri modelli per i difetti nei dispositivi, ma questo è abbastanza buono.

Se vogliamo fare un dispositivo che ha una superficie A allora le probabilità di non avere un difetto è (1 - c ) ^A . Quindi se A è 1 allora la possibilità è (1 - c ) e diventa più piccola (poiché (1 - c ) è minore di uno) man mano che A diventa più grande.

La possibilità che un dispositivo dell'area A non abbia un difetto è la resa: è la proporzione di buoni dispositivi dell'area A che otteniamo. (In effetti il ​​rendimento potrebbe essere inferiore, perché potrebbero esserci altre cose che potrebbero andare storte).

Se conosciamo la resa y _A per decimali di alcune aree A , allora possiamo calcolare c : c = 1 - y _A ^{1 / A} (ottieni questo prendendo i registri di entrambi i lati e riorganizzando). Equivalentemente possiamo calcolare il rendimento per qualsiasi altra area di come y = y _A ^{a / A} .

Quindi, diciamo che quando realizziamo sensori 24x36mm (full frame) otteniamo una resa del 10%: il 90% dei dispositivi che realizziamo non vanno bene. I produttori sono timidi nel dire quali sono i loro rendimenti, ma questo non è plausibilmente basso. Ciò equivale a dire che c , la possibilità di un difetto per mm ² è di circa 0,0027.

E ora possiamo calcolare i rendimenti per altre aree: infatti possiamo semplicemente tracciare la curva dei rendimenti rispetto all'area:

In questo diagramma ho segnato i rendimenti attesi per sensori di varie dimensioni non complete del frame se la resa del full frame è del 10% (questi possono essere approssimativi, poiché APS-C può significare varie cose, per esempio). Come puoi vedere, i sensori più piccoli ottengono rese molto più elevate.

Nel tempo, con il miglioramento dei processi di produzione, questa curva di rendimento si appiattisce e i rendimenti per i grandi sensori migliorano. In questo caso, i sensori più grandi calano di prezzo al punto in cui il mercato sopporterà i loro costi.

Le prime applicazioni principali per i sensori di immagine elettronici (siano essi Image-Orthicons, Vidicon, Plumbicon o CCD o sensori di pixel attivi CMOS, siano essi flussi di lavoro analogici-elettronici o digitali) erano in video, non in immagini fisse.

Il video ha seguito fattori simili a quelli dei film. Nel film, 35 mm (equivalente al fotogramma intero fermo) o addirittura 70 mm erano formati esoticamente grandi utilizzati solo per la produzione di film (cinematografica) a causa di costi significativi.

Inoltre, le richieste di risoluzione per la maggior parte delle applicazioni video erano molto più piccole - se i televisori domestici pre-HD (risoluzione massima 625 linee di forse 1000 pixel ciascuno) erano l'obiettivo principale, non erano necessarie funzionalità ad alta risoluzione.

Inoltre, nel mondo delle immagini in movimento non cinematografiche le esigenze relative agli obiettivi sembrano diverse: molte più aspettative sulla velocità dell'obiettivo e sulla portata dello zoom, molto meno sulla qualità dell'immagine. Questo può essere fatto in modo molto più economico con i design degli obiettivi che devono servire solo un piccolo cerchio di immagini.

Le fotocamere digitali esistevano diversi anni prima che le fotocamere con obiettivi intercambiabili diventassero plausibili, e per prima cosa utilizzavano minuscoli sensori che erano probabilmente progettati o basati su progetti per video.

I sensori di dimensioni APS-C erano ENORMI rispetto a un normale sensore per fotocamere digitali quando furono introdotte le prime DSLR; le poche prime reflex digitali full frame (pensa Kodak DCS) e i loro sensori erano estremamente costosi, probabilmente perché c'era poca esperienza di progettazione nel realizzare sensori economici di quelle dimensioni.

I sensori di immagine sono molto grossolani nella struttura reale rispetto a quelli utilizzati nelle CPU o nei chip di memoria anche negli anni '90 - ad esempio, una CPU comune per i computer desktop della fine degli anni '90 utilizzava funzionalità di 250 nm, che è molto più piccola di quella che sarebbe anche fisicamente utile su un sensore di imaging a luce visibile. Oggi, 14nm (!!) riguarda lo stato dell'arte.

La necessità di evitare grandi dimensioni degli stampi per parte, indipendentemente dalle dimensioni della struttura, come già spiegato in altri post, non è cambiata molto.

I grandi sensori costano più dei piccoli sensori per più o meno lo stesso motivo per cui i grandi televisori costano più dei piccoli televisori. Confronta una TV da 30 pollici e una TV da 60 pollici (circa 75 cm e 150 cm, se preferisci). La miniaturizzazione non è un problema: potremmo ridurre tutte le parti della TV da 30 pollici senza incorrere in alcuna difficoltà. La TV da 30 pollici costa meno della TV da 60 pollici perché utilizza meno materiali e richiede meno lavoro per la finitura. E la TV da 60 pollici avrà un tasso di difetto più alto - 4 volte l'area significa molto più alte le possibilità che qualcosa vada storto da qualche partesullo schermo, creando un pixel morto. Poiché i clienti odiano i pixel morti, un pannello che ha più di uno o due (o forse anche più di zero) viene demolito o venduto come parte di un prodotto a basso costo. I costi di produzione per le unità difettose vengono aumentati nel prezzo delle unità accettabili che vengono vendute, quindi più grande vai, più costano le cose.

Le stesse considerazioni si applicano ai sensori di immagine. Anche i sensori più piccoli sulle telecamere prosumer hanno caratteristiche enormi rispetto a ciò che la tecnologia dei semiconduttori è in grado di fare, quindi il costo della miniaturizzazione non è un fattore importante. Le fotocamere compatte e i telefoni cellulari normalmente utilizzano sensori molto più piccoli e persino i telefoni economici normalmente hanno due fotocamere, con quelle più eleganti che ne hanno tre o quattro! Per dimensioni ragionevoli, minori costi di meno, non di più. Entra anche in gioco la questione del difetto. Più grande è il sensore, maggiore è la probabilità che si verifichi un difetto che richiede di scartare il tutto e più soldi (nei materiali) si perderanno quando lo si fa. Ciò comporta costi elevati in termini di dimensioni, drammaticamente oltre un certo punto.

La fotocamera digitale di formato più grande che puoi ottenere al momento della stesura di questo documento ha un enorme sensore 9 "x11" (che è più di 8 volte la diagonale di un sensore "full frame", o più di 64 volte l'area), e ha solo 12 megapixel, quindi ovviamente la miniaturizzazione non è un problema: quei pixel sono enormi . Viene venduto al dettaglio per oltre $ 100.000.

Perché hai chiesto specificamente della storia ...

Suggerirei: dimensioni, peso e costi.

Tutte queste considerazioni erano ugualmente vere ai tempi pre-digitali (ad es. Film). Un formato cinematografico popolare era la dimensione 110. Vedi: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

Il film 110 era più economico, le fotocamere erano più economiche e molte delle fotocamere erano molto più piccole e più leggere delle più compatte pellicole da 35 mm. Potrebbero stare molto facilmente in una piccola tasca. Ovviamente oggi esistono gli stessi vincoli con le fotocamere digitali, come altri hanno sottolineato. Quindi non sono solo i sensori di immagine piccoli e grandi oggi; all'epoca c'erano anche formati di film piccoli e grandi.

Molto prima del digitale, le persone cercavano di produrre formati di film più piccoli per affrontare problemi di produzione, usabilità e altri costi-benefici, che sono descritti in altre risposte.

Quella che ora è conosciuta come "full frame" una volta era nota come "miniatura". Se non fosse per i formati miniaturizzati e subminiaturizzati, dovremmo portare in giro le fotocamere in questo modo:

A parte ciò che è già stato menzionato, esiste un motivo particolarmente valido per realizzare sensori più piccoli per DSLR; Semplifica la progettazione di obiettivi più economici e leggeri per il mercato dei consumatori in rapida crescita. Ma comunque di alta qualità.

Quando si riduce il sensore, è anche possibile ridurre lo specchio, quindi è possibile ridurre la distanza dall'elemento posteriore dell'obiettivo al sensore (ciò che è noto come distanza della flangia).

La riduzione della distanza della flangia semplifica la progettazione di obiettivi; Gli obiettivi grandangolari in particolare beneficiano della minore distanza della flangia. Un obiettivo zoom grandangolare f / 2.8 per una fotocamera full frame può essere piuttosto costoso.

Oggi, poiché il mirrorless sta diventando sempre più popolare, il problema della distanza della flangia viene eliminato.

Tuttavia, il sensore più piccolo significa ancora che l'obiettivo deve solo proiettare l'immagine su un'area più piccola, richiedendo un diametro più piccolo dell'obiettivo, contribuendo anche a costi minori negli obiettivi.

A proposito, per quanto ne sappia (che potrebbe essere sbagliato), il sensore non è nemmeno vicino ad essere il componente più costoso di una DSLR. I misuratori di luce (ce ne sono molti) sono molto più costosi.

Pensavo di averlo letto da una fonte rispettabile, ma cercare di cercare una fonte per confermare questo fatto è finito con nulla; quindi probabilmente mi sbaglio qui.

I sensori più piccoli hanno rese di produzione più elevate e l'elettronica da processare ha un costo inferiore.

Raddoppia il sensore e quadrula approssimativamente la potenza di elaborazione necessaria.

La realtà è che i sensori DX hanno spesso una risoluzione più elevata e una gamma dinamica maggiore rispetto ai film che stanno sostituendo.

Risposta separata, poiché non è correlata all'altra:

Mentre i sensori full frame offrono molti vantaggi al fotografo appassionato, artistico e professionale, introducono anche inconvenienti che in molti casi sono davvero indesiderati dall'utilizzatore occasionale - e in alcuni casi anche dall'artista o giornalista professionista per determinati compiti:

• La massima profondità di campo raggiungibile è in realtà più limitata. Sono necessarie aperture estremamente lente per un'estrema profondità di campo, causando problemi come cattiva gestione delle luci basse e visibilità dello sporco del sensore.

• gli obiettivi saranno più voluminosi, pesanti e costosi.

• ... soprattutto quando si tratta di lunghezze focali elevate per avere una portata elevata.

• La stabilizzazione dell'immagine sarà più difficile a causa della necessità di movimenti più ampi per compensare le vibrazioni.

• Alcuni gruppi target preferiranno immagini che hanno l'alta profondità di campo, tutto a fuoco, lo stile di tonalità intenso a cui sono abituati dalle fotocamere dei dispositivi mobili.

Bene, lasciami dire così. Ecco una fotografia con una fotocamera con sensore piccolo (1 / 2,3 "), fattore di ritaglio 5,6 e un sensore di classe APS-C (fattore di ritaglio 1,66, leggermente più piccolo di APS-C) nella posizione di zoom massima (che raggiunge la fotocamera grande solo utilizzando un convertitore tele 1,7 ×.) La fotocamera piccola ha una lunghezza focale (600 mm) 3 volte maggiore della fotocamera grande (200 mm).

Ecco le stesse fotocamere pronte per essere riposte:

Se si tenta di scattare foto ravvicinate o di piccoli oggetti di piccoli oggetti, l'intervallo di zoom più lungo della videocamera con sensore piccolo supererà l'intervallo relativamente corto del sensore di grandi dimensioni. Ora i sensori di oggi hanno risoluzioni maggiori rispetto ai 10 MP della vecchia fotocamera qui, ma anche un sensore da 40 MP ti offre solo un fattore di 2 in lunghezza focale quando si ritaglia sullo stesso numero di pixel.

La qualità dell'immagine del sensore più grande è piuttosto migliore ma ciò non ti compra molto quando la dimensione dell'immagine è quella di un timbro.