Perché un sensore più grande ha una gamma dinamica migliore?

Comprendo già tutta la teoria alla base di come un sensore più grande porta a un migliore controllo della profondità di campo e alla riduzione del rumore. Ma devo ancora trovare un posto che possa spiegare perché un sensore più grande offre una gamma dinamica più ampia?

La dimensione del sensore non ha importanza, è la dimensione del pixel. Detto questo, i sensori più grandi come nelle fotocamere full frame tendono ad avere pixel più grandi.

È possibile stimare la dimensione del pixel prendendo la dimensione del sensore e dividerlo per il numero di pixel. Questo calcolo non è accurato perché la maggior parte dei sensori presenta degli spazi tra i pixel e questi spazi differiscono per dimensioni. Ecco perché sto dicendo "stima".

Ora, pensa a un pixel nel sensore come una scatola e i fotoni come palle. Più grande è la scatola, più palline può contenere.

Supponendo che abbiamo le caselle A e B. La casella A può contenere 256 palle e la casella B può contenere 512 palle. Ora sistemiamo una matrice di tipo A e lanciamo molte palline in aria. Vogliamo raccogliere alcune statistiche su dove sono cadute le palle.

Nel mezzo una delle scatole contiene 256 palline e ai bordi le scatole contiene ~ 20 palline. Non possiamo sapere se nel mezzo siano cadute solo 256 palline o più. La nostra misura è limitata al massimo per 256 palline.

Ora ripetiamo questo esperimento ma ora con scatole di tipo B. Ora possiamo vedere che al centro la scatola contiene 347 palline e ai bordi le scatole contiene ~ 20 palline.

La nostra misura è molto più accurata. Questo è esattamente ciò che accade con i fotoni che colpiscono il sensore. La superficie più grande può contenere più fotoni e può misurare un intervallo dinamico più ampio. Nel nostro esempio la gamma dinamica è doppia nella scatola più grande.

Se il pixel è pieno di fotoni, la traslazione in colore sarà un colore completamente saturo ma con una superficie di pixel più grande otterremo un risultato migliore, quindi una gamma dinamica migliorata.

Ecco una foto che può dimostrare la mia spiegazione:

Per una spiegazione più approfondita potresti voler controllare questo articolo:

Gamma dinamica

Considerando i sensori ideali in cui il rumore dei fotoni è l'unica preoccupazione, allora maggiore è il sensore maggiore è la gamma dinamica. La gamma dinamica è la differenza tra il punto in cui il sensore diventa saturo e il punto in cui qualsiasi dettaglio viene perso a causa del rumore nelle ombre.

Un sensore più grande avrà pixel più grandi o più pixel. I pixel più grandi significano una maggiore capacità di immagazzinare la carica (tutto il resto è uguale) e più luce viene catturata per pixel, quindi meno luce nelle ombre, quindi maggiore gamma dinamica. Più pixel indica un rumore simile per pixel ma più pixel su cui sovrastare per ridurre il rumore dell'ombra e quindi aumentare la gamma dinamica.

In realtà ci sono altre fonti di rumore, vale a dire il rumore di lettura, in cui il segnale analogico prodotto dai fotositi raccoglie il rumore prima di essere digitalizzato. Ciò può avere un effetto sulla gamma dinamica che è molto più forte delle differenze nella dimensione del sensore. I segnali a bassa intensità provenienti da aree scure dell'immagine sono particolarmente sensibili alla lettura del rumore, quindi al grande impatto sul DR.

La nuova tecnologia (abbreviando il percorso dal sensore all'ADC, inviando il segnale due volte e confrontando i risultati) può praticamente eliminare il rumore di lettura, consentendo ai sensori APS-C come Sony Exmor di superare la gamma dinamica dei sensori full frame 2,5 volte più grandi di Canon di quasi un ordine di grandezza!

È inoltre necessario distinguere tra gamma dinamica in buona luce e gamma dinamica in scarsa luce. Il primo è determinato principalmente dal rumore di lettura, quindi un piccolo sensore può eccellere a condizione che abbia un rumore di lettura basso e una profondità abbastanza decente. Quest'ultimo è dominato dal rumore del fotone (aumentando l'ISO in condizioni di scarsa luminosità si amplifica il rumore del fotone ma non si legge il rumore), quindi i sensori più grandi tendono a funzionare meglio qui. Ancora una volta non tutti i sensori seguono la tendenza.

Non vi è alcun motivo per cui un sensore più grande possa fornire una gamma dinamica più ampia o un rumore inferiore diverso da una maggiore superficie per pixel, tuttavia le telecamere full frame tendono ad essere unità di fascia più alta e quindi tendono ad avere sensori migliori.

Si noti che non vi è alcun motivo per cui una risoluzione più bassa, un sensore più piccolo non potrebbero avere prestazioni migliori di rumore e gamma dinamica se realizzati con una qualità simile a un sensore full frame. Il numero di pixel per pollice sulla superficie del sensore e la qualità del sensore sono i bit che contano.

L'esempio con le scatole è molto vero e spiega perché i sensori più grandi hanno una vasta gamma dinamica. Più piccolo è il pixel, minore è il numero di fotoelettroni che può immagazzinare (il numero massimo di fotoelettroni che è possibile memorizzare è chiamato capacità a pieno riempimento). Riducendo il sensore, è possibile raggiungere la situazione in cui solo pochi elettroni possono essere archiviati con conseguente bianco e nero immagine (nessuna sfumatura di grigio! (:).

Quindi non c'è dubbio che un sensore più grande ha una gamma dinamica più elevata se tutto il resto è uguale.

La domanda è: puoi aumentare la gamma dinamica abbassando la risoluzione? So che uno può farlo con telecamere scientifiche CCD (l'ho fatto personalmente). Ma puoi fare lo stesso con le fotocamere consumer e con CMOS? Presumo di sì se è possibile associare 2x2 pixel in uno (riducendo effettivamente la risoluzione 4 volte).

Secondo la mia ricerca, anche le dimensioni dei pixel non contano, la teoria della scatola è applicabile per le condizioni di illuminazione poiché i pixel più grandi raccolgono più luce e sicuramente avranno un vantaggio in condizioni di scarsa illuminazione (buon senso), ma la tecnologia dei sensori è il fattore chiave nella gamma dinamica , poiché la gamma dinamica è la capacità del sensore di conservare le vendite al dettaglio in luci e ombre. Ad esempio, la gamma dinamica di un sensore più recente di una ventola piccola o grande è migliore della gamma dinamica di un sensore full frame più vecchio