Perché i sensori più grandi sono migliori in condizioni di scarsa luminosità?

La risposta migliore di quale punto e scatti sono buoni in condizioni di scarsa luminosità? afferma che (1) un obiettivo veloce / ampia apertura (2) ragionevole gestione ISO 400+ e (3) un sensore di grandi dimensioni quando messi insieme sono fondamentali per le riprese in condizioni di scarsa illuminazione.

Il primo capisco (lascia entrare più luce), il secondo capisco (il "film" è più sensibile alla luce). Scusa, non capisco il terzo fattore.

È più facile capire la differenza quando sia il sensore più grande che quello più piccolo hanno gli stessi megapixel. Se abbiamo un paio di ipotetiche fotocamere, una con un sensore APS-C più piccolo e una con un sensore Full Frame, e supponiamo che abbiano entrambi 8 megapixel, la differenza si riduce alla densità dei pixel .

Un sensore APS-C misura circa 24x15mm, mentre un sensore Full Frame (FF) è 36x24mm. In termini di area, il sensore APS-C è di circa 360 mm ^ 2 e l'FF è di 864 mm ^ 2 . Ora, calcolare l'area effettiva di un sensore che è pixel funzionali può essere piuttosto complessa dal punto di vista del mondo reale, quindi assumeremo i sensori ideali per il momento, in cui l'area totale del sensore è dedicata ai pixel funzionali, supponiamo che tali pixel siano utilizzati nel modo più efficiente possibile e presumano che tutti gli altri fattori che influenzano la luce (come lunghezza focale, apertura, ecc.) siano equivalenti. Detto questo, e dato che le nostre ipotetiche fotocamere sono entrambe 8mp, allora è chiaro che le dimensioni di ciascun pixelper il sensore APS-C è più piccolo della dimensione di ciascun pixel per il sensore FF. In termini esatti:

APS-C:
360mm ^ 2 / 8.000.000px = 0.000045mm ^ 2 / px
-> 0.000045 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 45µm ^ 2 (micron quadrati)
-> sqrt (45µm ^ 2) = 6.7 micron

FF:
864mm ^ 2 / 8.000.000px = 0.000108mm ^ 2 / px
-> 0.000108 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 108µm ^ 2 (micron)
-> sqrt (108µm ^ 2) = 10.4µm

In termini più semplici e normalizzati di "dimensione dei pixel" o larghezza o altezza di ciascun pixel (comunemente citati sui siti Web degli attrezzi fotografici), abbiamo:

Dimensione pixel APS-C = pixel 6,7 µm Dimensione pixel
FF = 10,4 µm pixel

In termini di dimensioni dei pixel, una fotocamera FF 8mp ha pixel 1,55x più grandi di una fotocamera APS-C 8mp. Tuttavia, una differenza unidimensionale nelle dimensioni dei pixel non racconta l'intera storia. I pixel hanno un'area bidimensionale su cui raccolgono la luce, quindi prendendo la differenza tra l' area di ciascun pixel FF rispetto a ciascun pixel APS-C racconta l'intera storia:

108µm ^ 2 / 45µm ^ 2 = 2.4

Una fotocamera FF (idealizzata) ha una potenza di raccolta di 2,4x , o circa 1 stop , di una fotocamera APS-C (idealizzata)! Questo è il motivo per cui un sensore più grande è più utile quando si scatta in condizioni di scarsa luminosità ... hanno semplicemente un maggiore potere di raccolta della luce in un determinato periodo di tempo.

In termini alternativi, un pixel più grande è in grado di catturare più colpi di fotoni di un pixel più piccolo in un dato intervallo di tempo (il mio significato di "sensibilità").

Ora, l'esempio e i calcoli presuppongono soprattutto sensori "idealizzati" o sensori perfettamente efficienti. I sensori del mondo reale non sono idealizzati, né sono facili da confrontare in un modo da mele a mele. I sensori del mondo reale non utilizzano ogni singolo pixel inciso sulla loro superficie alla massima efficienza, i sensori più costosi tendono ad avere incorporata una "tecnologia" più avanzata, come microlenti che aiutano a raccogliere ancora più luce, piccoli spazi non funzionali tra ogni pixel, fabbricazione di cablaggio retroilluminato che sposta colonna / riga attiva e legge il cablaggio sotto gli elementi sensibili alla foto (mentre i disegni normali lasciano quel cablaggio sopra (e interferendo con) gli elementi sensibili alla foto), ecc. Inoltre, i sensori full frame spesso hanno conteggi megapixel più alti rispetto ai sensori più piccoli, complicando ulteriormente le cose.

Un esempio reale di due sensori reali potrebbe essere quello di confrontare il sensore Canon 7D APS-C con il sensore Canon 5D Mark II FF. Il sensore 7D è 18mp, mentre il sensore 5D è 21,1mp. La maggior parte dei sensori sono classificati in megapixel grezzi e di solito hanno un po 'più del loro numero commercializzato, poiché molti pixel di bordo vengono utilizzati a scopo di calibrazione, ostruiti dalla meccanica del filtro del sensore, ecc. Quindi supponiamo che 18mp e 21.1mp siano reali- conta i pixel del mondo. La differenza nella potenza di raccolta della luce di questi due sensori attuali e moderni è:

7D APS-C: 360mm ^ 2 / 18.000.000px * 1.000.000 = 20µm ^ 2 / px
5DMII FF: 864mm ^ 2 / 21.100.000px * 1.000.000 = 40.947 ~ = 41µm ^ 2 / px

41µm ^ 2 / 20µm ^ 2 = 2.05 ~ = 2

La videocamera Full-Frame Canon 5D MkII ha circa 2 volte il potere di raccolta della luce della macchina fotografica 7D APS-C. Ciò si tradurrebbe in circa uno stop degno di ulteriore sensibilità nativa. (In realtà, la 5DII e la 7D hanno entrambe un ISO nativo massimo di 6400, tuttavia la 7D è un po 'più rumorosa della 5DII sia a 3200 che a 6400 e sembra davvero normalizzarsi solo a circa ISO 800. Vedi: http: / /the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) Al contrario, un sensore FF 18mp avrebbe circa 1,17 volte la potenza di raccolta della luce del sensore FF 21,1mp di il 5D MkII, dal momento che un numero inferiore di pixel è distribuito sulla stessa area (e più grande di APS-C).

A rigor di termini NON è la dimensione del sensore che lo rende migliore, È la dimensione dei pixel.

I pixel più grandi hanno più aree di superficie per catturare la luce e accumulare una tensione maggiore dal rilascio di elettroni quando i fotoni (luce) colpiscono la superficie. Il rumore intrinseco essendo per lo più casuale è quindi relativamente più basso rispetto alla tensione più alta che aumenta il rapporto segnale-rumore (S / N).

I dati impliciti che ti mancavano sono che i sensori più grandi tendono ad avere pixel più grandi. Basta confrontare un D3S da 12 MP a pieno formato con un D300S da 12 MP ritagliato. Ogni pixel ha una superficie 2.25X maggiore, motivo per cui il D3S ha prestazioni ISO così stellari.

EDIT (24-11-2015):

Per chi non crede anonimo nel downvoter, c'è un esempio più nuovo e migliore. Sony ha due fotocamere full frame quasi identiche, la A7S II e la A7R II. I loro sensori hanno le stesse dimensioni ma il primo ha una risoluzione di 12 MP, mentre il secondo 42 MP. Le prestazioni in condizioni di scarsa luminosità e la gamma ISO dell'A7S II sono molto più avanti dell'A7R II, raggiungendo ISO 409.600 contro 102.400. Questa è una differenza di due stop solo per avere i pixel più grandi.

La dimensione del singolo pixel è quasi irrilevante. Questa è la leggenda urbana!

Dato due telecamere identiche con un sensore della stessa dimensione ma con un numero di pixel diverso (diciamo 2MP e 8MP) - e quindi una dimensione del pixel diversa. La quantità di luce che arriva sul sensore dipende dal diametro dell'obiettivo, non dalla dimensione dei pixel. Senza dubbio l'immagine da 8 MP sarà più rumorosa di quella da 2 MP, ma se riduci da 8 MP a 2 MP otterrai quasi la stessa immagine, con quasi lo stesso livello di rumore. Questa è semplice matematica. Dico quasi perché la logica del sensore costa dimensioni. Dato che avrai una logica 4 volte superiore su un sensore da 8 MP rispetto a un 2MP, otterrai meno area sensibile al sensore sensibile alla luce. Ma questo non ti costerà 1 stop (= 50%), forse un po ', ma non così tanto!

Ciò che realmente fa la differenza sono le lenti. Se scatti una foto, non ti interesseranno le metriche, né la dimensione del sensore, la dimensione dei pixel né la lunghezza focale. Vuoi catturare una faccia, un gruppo di persone, un edificio o qualcos'altro da una determinata distanza. Quello che ti interessa è l' angolo di vista . La lunghezza focale dipenderà dalle dimensioni del sensore e dall'angolo di visione. Se hai un sensore minuscolo, avrai anche una minuscola lunghezza focale (diciamo alcuni mm). Un obiettivo con una lunghezza focale minuscola non catturerà mai molta luce, poiché avrà un diametro limitato. Un sensore più grande avrà bisogno di una lunghezza focale maggiore, un obiettivo con la stessa velocità avrà un diametro maggiore e quindi catturerà molta più luce.

Chi ha bisogno di almeno 10 MP, ad eccezione della stampa di poster? Ridimensionato a pochi MP, tutte le immagini sembrano a posto. La dimensione del sensore non limita direttamente la qualità dell'immagine, ma lo farà l'obiettivo. Anche se la dimensione dell'obiettivo dipende spesso dalla dimensione del sensore (non deve). Ma ho visto fotocamere con piccoli sensori e molti MP, ma grandi obiettivi (diciamo più grandi di 2 cm di diametro) che scattano foto fantastiche.

Ho scritto un articolo su questo un po 'di tempo fa. È in tedesco, non ho avuto il tempo di tradurlo in inglese - mi dispiace per quello. È più dettagliato e spiega alcuni problemi (in particolare il problema del rumore) un po 'più in dettaglio.

La dimensione di un singolo pixel non è importante. Diversi pixel piccoli possono essere combinati matematicamente in uno grande, scambiando dettagli per la sensibilità.

Una fotocamera con sensore di grandi dimensioni ha, per un determinato angolo di visione, un obiettivo a lunghezza focale più lunga rispetto a una fotocamera con sensore di dimensioni ridotte. Questo obiettivo più lungo ha, per un dato f-stop, una grande apertura fisica (apertura nell'iride). Ciò si traduce in più luce che entra nel sistema e rappresenta le migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Rappresenta anche la profondità di campo.

La superficie del sensore digitale è coperta di fotositi. Questi registrano l'immagine del mondo esterno come proiettato dall'obiettivo. Durante l'esposizione, i raggi che formano l'immagine sotto forma di fotoni bombardano la superficie del sensore. I colpi di fotone sono proporzionali alla luminosità della scena. In altre parole, i fotositi che ricevono colpi di fotoni che corrispondono ad aree della scena illuminate, ricevono più colpi di fotoni rispetto ai fotositi che corrispondono ad aree di immagini poco illuminate. Quando l'esposizione è completa, i fotositi contengono una carica elettrica proporzionale alla luminosità della scena. Tuttavia, il grado di carica in tutti i fotositi è troppo debole per essere utile se non amplificato. Il prossimo passo nel processo di formazione dell'immagine è quello di amplificare le cariche.

L'amplificazione è come alzare il volume di una radio o TV. L'amplificazione avvia la potenza del segnale dell'immagine ma induce anche distorsione sotto forma di elettricità statica. Nell'imaging digitale non definiamo questa distorsione statica; lo chiamiamo "rumore". Il rumore indotto è in realtà chiamato rumore di tipo fisso. Questo perché ogni photosite ha caratteristiche leggermente diverse. In altre parole, ciascuno di essi risponde diversamente all'amplificazione. Il risultato è che alcuni fotositi che hanno avuto pochi colpi di fotoni verranno visualizzati in nero quando dovrebbero apparire in grigio scuro o grigio. Questo è un rumore di tipo fisso. Riduciamo non aumentando l'amplificazione (mantenendo gli ISO bassi) e tramite il software nella fotocamera.

Poiché il rumore a trama fissa è generalmente dovuto all'elevata amplificazione, è ovvio che un maggior numero di colpi di fotone in un dato fotosite generano una carica più elevata e necessitano di una minore amplificazione. La linea di fondo è che i chip di imaging più grandi sfoggiano fotositi più grandi con una maggiore superficie che consente più colpi di fotoni durante l'esposizione. Più hit si traducono in meno amplificazione; quindi meno distorsione a causa del rumore del pattern fisso.

I sensori più grandi sono generalmente leggermente peggiori in condizioni di scarsa luminosità per l'acquisizione di un'immagine. Gli obiettivi più grandi sono generalmente disponibili per sensori più grandi e gli obiettivi più grandi sono generalmente migliori in condizioni di scarsa luminosità se non ti dispiace per la ridotta profondità di campo.

C'è molto su Internet che afferma che la quantità di luce raccolta da un sensore è proporzionale alla dimensione del sensore. Questo non è corretto Dato lo stesso angolo di vista dell'obiettivo, la stessa quantità di luce verrà proiettata sul sensore indipendentemente dalle dimensioni del sensore. Se un sensore full frame e un sensore MFT hanno lo stesso numero di elementi pixel, ciascun elemento rileverà la stessa quantità di luce, indipendentemente dalle loro dimensioni. Pensa a questo: metti un pezzo di carta sotto il sole dietro un cerchio di vetro: non succede nulla. Concentrare la luce su una piccola area di quella carta con una lente d'ingrandimento dello stesso diametro del suddetto cerchio di vetro e la carta si surriscalda perché la densità di energia nell'area di messa a fuoco è molto maggiore. Lo stesso vale per i sensori di immagine; sensore piccolo = densità di energia superiore rispetto al sensore grande = stessa energia per unità di area su entrambi i sensori. Il motivo di un maggiore rumore sui sensori più piccoli sta altrove; forse nell'interferenza di radiofrequenza tra elementi di rilevamento di immagini strettamente impaccati.