Формат датчика изображения - Image sensor format

Сравнительные размеры датчиков размеров

В цифровой фотографии формат датчика изображения - это форма и размер датчика изображения.

Формат датчика изображения цифровой камеры определяет угол обзора конкретного объектива при использовании с конкретным датчиком. Поскольку датчики изображения во многих цифровых камерах меньше, чем область изображения 24 мм × 36 мм полнокадровых 35-мм камер, объектив с заданным фокусным расстоянием дает более узкое поле зрения в таких камерах.

Размер сенсора часто выражается в оптическом формате в дюймах. Также используются другие меры; см. таблицу форматов и размеров датчиков ниже.

Объективы, изготовленные для 35-мм пленочных фотоаппаратов, могут быть хорошо установлены на цифровых корпусах, но больший круг изображения 35-мм системного объектива пропускает нежелательный свет в корпус камеры, а меньший размер датчика изображения по сравнению с пленочным форматом 35 мм приводит к обрезка изображения. Этот последний эффект известен как обрезка поля зрения. Соотношение размеров формата (относительно формата пленки 35 мм) называется кроп-фактором поля зрения, кроп-фактором, коэффициентом объектива, коэффициентом преобразования фокусного расстояния, множителем фокусного расстояния или множителем объектива.

Размер сенсора и глубина резкости

Обсуждаются три возможных сравнения глубины резкости между форматами с применением формул, полученных из статьи о глубине резкости . Глубина резкости трех камер может быть одинаковой или разной в любом порядке, в зависимости от того, что остается постоянным при сравнении.

Рассмотрение изображения с одинаковым расстоянием до объекта и углом обзора для двух разных форматов:

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {DOF} _ {2}} {\ mathrm {DOF} _ {1}}} \ приблизительно {\ frac {d_ {1}} {d_ {2}}}}$

Таким образом, степень свободы обратно пропорциональна абсолютным диаметрам апертуры и . ${\ displaystyle d_ {1}}$${\ displaystyle d_ {2}}$

Использование одного и того же абсолютного диаметра апертуры для обоих форматов с критерием «одинакового изображения» (равный угол обзора, увеличенный до одинакового конечного размера) дает одинаковую глубину резкости. Это эквивалентно корректировке числа f обратно пропорционально кроп-фактору - меньшее число f для меньших датчиков (это также означает, что при фиксированной выдержке затвора экспозиция изменяется путем регулировки требуемого числа f. для выравнивания глубины резкости. Но площадь диафрагмы остается постоянной, поэтому датчики всех размеров получают одинаковое общее количество световой энергии от объекта. В этом случае датчик меньшего размера работает при более низком значении ISO на квадрат кроп-фактора ). Это условие равного поля зрения, равной глубины резкости, равного диаметра апертуры и равного времени экспозиции известно как «эквивалентность».

И мы могли бы сравнить глубину резкости датчиков, получающих одинаковую фотометрическую экспозицию - число f фиксируется вместо диаметра апертуры - в этом случае датчики работают с одинаковыми настройками ISO, но меньший датчик получает меньше всего. свет, по соотношению площадей. Соотношение глубин резкости тогда

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {DOF} _ {2}} {\ mathrm {DOF} _ {1}}} \ приблизительно {\ frac {l_ {1}} {l_ {2}}}}$

где и - характерные размеры формата, и, следовательно, - относительный кроп-фактор между датчиками. Именно этот результат приводит к распространенному мнению, что маленькие сенсоры дают большую глубину резкости, чем большие. ${\ displaystyle l_ {1}}$${\ displaystyle l_ {2}}$${\ displaystyle l_ {1} / l_ {2}}$

Альтернативой является рассмотрение глубины резкости, создаваемой одним и тем же объективом в сочетании с датчиками разного размера (изменение угла обзора). Изменение глубины резкости вызвано требованием разной степени увеличения для достижения того же конечного размера изображения. В этом случае соотношение глубин резкости становится равным

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {DOF} _ {2}} {\ mathrm {DOF} _ {1}}} \ приблизительно {\ frac {l_ {2}} {l_ {1}}}}$.

На практике, если использовать объектив с фиксированным фокусным расстоянием и фиксированной диафрагмой и сделать его для круга изображения, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к большому датчику, его необходимо адаптировать без изменения его физических свойств к датчикам меньшего размера, а также к глубине резкости. и сбор света не изменится. ${\ Displaystyle \ mathrm {lx = \, {\ frac {lm} {м ^ {2}}}}}$

Размер сенсора, шум и динамический диапазон

Дисконтирование фото отклик неравномерность (PRNU) и изменение темного шума, которые не являются внутренне зависит от датчика размера, шумы в изображении сенсора дробовых шума , шум считывания , и темно - шум . Общее отношение сигнал / шум датчика (SNR), выраженное в виде сигнальных электронов по отношению к среднеквадратичному шуму в электронах, наблюдаемое в масштабе одного пикселя с учетом дробового шума от распределения Пуассона сигнальных электронов и темных электронов, равно

${\ displaystyle \ mathrm {SNR} = {\ frac {PQ_ {e} t} {\ sqrt {\ left ({\ sqrt {PQ_ {e} t}} \ right) ^ {2} + \ left ({\ sqrt {Dt}} \ right) ^ {2} + N_ {r} ^ {2}}}} = {\ frac {PQ_ {e} t} {\ sqrt {PQ_ {e} t + Dt + N_ {r } ^ {2}}}}}$

где - падающий поток фотонов (фотонов в секунду на площади пикселя), - квантовая эффективность , - время экспозиции, - темновой ток пикселя в электронах в секунду и - среднеквадратичный шум чтения пикселя. ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle Q_ {e}}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle D}$${\ displaystyle N_ {r}}$

Каждый из этих шумов по-разному зависит от размера датчика.

Экспозиция и поток фотонов

Шум датчика изображения можно сравнивать в разных форматах для заданного фиксированного потока фотонов на пиксельную область ( P в формулах); этот анализ полезен для фиксированного числа пикселей с площадью пикселя, пропорциональной площади сенсора, и фиксированным абсолютным диаметром апертуры для фиксированной ситуации визуализации с точки зрения глубины резкости, дифракционного предела на объекте и т. д. Или его можно сравнить с фиксированная освещенность в фокальной плоскости, соответствующая фиксированному числу f , и в этом случае P пропорционально площади пикселя, независимо от площади сенсора. Формулы выше и ниже могут быть оценены для любого случая.

Дробовой шум

В приведенном выше уравнении отношение сигнал / шум дробового шума определяется выражением

${\ displaystyle {\ frac {PQ_ {e} t} {\ sqrt {PQ_ {e} t}}} = {\ sqrt {PQ_ {e} t}}}$.

Помимо квантовой эффективности, он зависит от падающего потока фотонов и времени экспозиции, что эквивалентно экспозиции и площади датчика; поскольку экспозиция - это время интегрирования, умноженное на освещенность плоскости изображения , а освещенность - это световой поток на единицу площади. Таким образом, для равных экспозиций отношение сигнал / шум двух датчиков разных размеров с одинаковой квантовой эффективностью и количеством пикселей будет (для данного конечного размера изображения) пропорционально квадратному корню из площади датчика (или коэффициенту линейного масштабирования датчик). Если экспозиция ограничена необходимостью достижения некоторой требуемой глубины резкости (при той же скорости затвора), то экспозиция будет обратно пропорциональна площади сенсора, что даст интересный результат: если глубина резкости является ограничением, изображение будет снято. шум не зависит от площади датчика. Для линз с одинаковым числом f отношение сигнал / шум увеличивается как квадратный корень из площади пикселя или линейно с шагом пикселя. Поскольку типичные значения диафрагмы для объективов для сотовых телефонов и цифровых зеркальных фотоаппаратов находятся в одном диапазоне f / 1,5-f / 2, интересно сравнить характеристики камер с маленькими и большими сенсорами. Хорошая камера сотового телефона с типичным размером пикселя 1,1 мкм (Samsung A8) будет иметь примерно в 3 раза худшее отношение сигнал / шум из-за дробового шума, чем камера со сменным объективом 3,7 мкм (Panasonic G85) и в 5 раз хуже, чем полнокадровая камера 6 мкм ( Sony A7 III). Принятие во внимание динамического диапазона делает разницу еще более заметной. Таким образом, тенденция увеличения количества «мегапикселей» в камерах сотовых телефонов за последние 10 лет была вызвана скорее маркетинговой стратегией по продаже «большего количества мегапикселей», чем попытками улучшить качество изображения.

Читать шум

Шум чтения - это сумма всех электронных шумов в цепочке преобразования для пикселей в матрице датчиков. Чтобы сравнить его с фотонным шумом, он должен быть отнесен к его эквиваленту в фотоэлектронах, что требует деления шума, измеренного в вольтах, на коэффициент преобразования пикселя. Это дается, для активного датчика пикселя , напряжение на входе (затвор) считывающий транзистор , деленном на заряде , который генерирует это напряжение, . Это величина, обратная емкости затвора считывающего транзистора (и присоединенной плавающей диффузии), начиная с емкости . Итак . ${\ Displaystyle CG = V_ {rt} / Q_ {rt}}$${\ Displaystyle C = Q / V}$${\ displaystyle CG = 1 / C_ {rt}}$

В общем, для плоской структуры, такой как пиксель, емкость пропорциональна площади, поэтому шум считывания уменьшается с площадью сенсора, если площадь пикселя масштабируется с площадью сенсора, и это масштабирование выполняется путем равномерного масштабирования пикселя.

Принимая во внимание отношение сигнал / шум из-за шума чтения при данной экспозиции, сигнал будет масштабироваться по мере увеличения площади датчика вместе с шумом чтения, и, следовательно, SNR шума чтения не будет зависеть от площади датчика. В ситуации с ограничением глубины резкости экспозиция большего датчика будет уменьшена пропорционально площади датчика, и, следовательно, SNR шума чтения также уменьшится.

Темный шум

Темновой ток вносит два вида шума: смещение темноты, которое лишь частично коррелирует между пикселями, и дробовой шум, связанный с смещением темноты, который не коррелирован между пикселями. В приведенную выше формулу включен только компонент дробового шума Dt , поскольку некоррелированную часть смещения темноты трудно предсказать, а коррелированную или среднюю часть относительно легко вычесть. Средний темновой ток содержит вклад, пропорциональный как площади, так и линейному размеру фотодиода, причем относительные пропорции и масштабные коэффициенты зависят от конструкции фотодиода. Таким образом, в целом можно ожидать, что темновой шум датчика будет расти по мере увеличения размера датчика. Однако в большинстве датчиков средний темновой ток пикселя при нормальных температурах невелик, менее 50 э / с, поэтому для типичных времен фотографической выдержки темновой ток и связанные с ним шумы можно не учитывать. Однако при очень длительной выдержке это может быть ограничивающим фактором. И даже при короткой или средней выдержке некоторые выбросы в распределении темнового тока могут отображаться как «горячие пиксели». Обычно для астрофотографии датчики охлаждаются, чтобы уменьшить темновой ток в ситуациях, когда экспозиция может быть измерена за несколько сотен секунд.

Динамический диапазон

Динамический диапазон - это соотношение наибольшего и наименьшего записываемого сигнала, наименьший обычно определяется «минимальным уровнем шума». В литературе по датчикам изображения минимальный уровень шума принимается за шум считывания, поэтому (обратите внимание, шум считывания - это та же величина, которая упоминается при вычислении отношения сигнал / шум). ${\ displaystyle DR = Q _ {\ text {max}} / \ sigma _ {\ text {readout}}}$${\ displaystyle \ sigma _ {считывание}}$${\ displaystyle N_ {r}}$

Размер сенсора и дифракция

Разрешение всех оптических систем ограничено дифракцией . Один из способов учесть эффект, который дифракция оказывает на камеры, использующие датчики разных размеров, - это рассмотреть функцию передачи модуляции (ФПМ). Дифракция - один из факторов, влияющих на общую ФПМ системы. Другими факторами обычно являются MTF объектива, сглаживающего фильтра и окна выборки датчика. Пространственная частота отсечки из-за дифракции через апертуру линзы равна

${\ displaystyle \ xi _ {\ mathrm {cutoff}} = {\ frac {1} {\ lambda N}}}$

где λ - длина волны света, проходящего через систему, а N - f-число линзы. Если эта апертура круглая, как (приблизительно) большинство фотографических апертур, то MTF определяется как

${\ displaystyle \ mathrm {MTF} \ left ({\ frac {\ xi} {\ xi _ {\ mathrm {cutoff}}}} \ right) = {\ frac {2} {\ pi}} \ left \ { \ cos ^ {- 1} \ left ({\ frac {\ xi} {\ xi _ {\ mathrm {cutoff}}} \ right) - \ left ({\ frac {\ xi} {\ xi _ {\ mathrm {cutoff}}} \ right) \ left [1- \ left ({\ frac {\ xi} {\ xi _ {\ mathrm {cutoff}}}} \ right) ^ {2} \ right] ^ { \ frac {1} {2}} \ right \}}$

для и для Основанный на дифракции фактор системы MTF будет поэтому масштабироваться согласно и, в свою очередь, согласно (для той же длины световой волны). ${\ Displaystyle \ хи <\ хи _ {\ mathrm {cutoff}}}$${\ displaystyle 0}$${\ displaystyle \ xi \ geq \ xi _ {\ mathrm {cutoff}}}$${\ displaystyle \ xi _ {\ mathrm {cutoff}}}$${\ displaystyle 1 / N}$

При рассмотрении влияния размера сенсора и его влияния на окончательное изображение необходимо учитывать различное увеличение, необходимое для получения изображения того же размера для просмотра, что приводит к дополнительному коэффициенту масштабирования, где - относительный коэффициент кропа, что делает общий масштабный коэффициент . Учитывая три приведенных выше случая: ${\ displaystyle 1 / {C}}$${\ displaystyle {C}}$${\ Displaystyle 1 / (NC)}$

Для одинаковых условий изображения, одинакового угла обзора, расстояния до объекта и глубины резкости, тогда F-числа находятся в соотношении , поэтому масштабный коэффициент для дифракционной MTF равен 1, что приводит к выводу, что дифракционная MTF при заданная глубина резкости не зависит от размера сенсора. ${\ displaystyle 1 / C}$

Как в условиях «одинаковой фотометрической экспозиции», так и в условиях «одинаковой линзы», F-число не изменяется, и, таким образом, пространственное отсечение и результирующая MTF на датчике не изменяются, оставляя MTF в просматриваемом изображении, которое масштабируется как увеличение. , или обратно пропорционально кроп-фактору.

Формат сенсора и размер объектива

Можно было бы ожидать, что линзы, подходящие для ряда размеров сенсоров, можно было бы изготавливать, просто масштабируя те же конструкции пропорционально кроп-фактору. Такое упражнение теоретически приведет к созданию линзы с тем же числом F и углом обзора, с размером, пропорциональным кроп-фактору сенсора. На практике простое масштабирование конструкции линз не всегда достижимо из-за таких факторов, как немасштабируемость производственных допусков , структурная целостность стеклянных линз разных размеров, а также доступные технологии производства и стоимость. Более того, для сохранения того же абсолютного количества информации в изображении (которое можно измерить как произведение ширины полосы пропускания) объектив для меньшего датчика требует большей разрешающей способности. Разработка объектива « Тессар » обсуждается Нассе и демонстрирует его преобразование от объектива с f / 6,3 для плоских камер, использующего исходную трехгрупповую конфигурацию, до четырехэлементной оптики f / 2,8 5,2 мм с восемью чрезвычайно асферическими поверхностями. , экономичен в изготовлении из-за небольших размеров. Его характеристики «лучше, чем у лучших 35-миллиметровых объективов, но только для очень маленького изображения».

Таким образом, по мере уменьшения размера сенсора конструкция сопутствующих линз будет меняться, часто довольно радикально, чтобы воспользоваться преимуществами производственных технологий, которые стали доступными благодаря уменьшенному размеру. Функциональные возможности таких объективов также могут использовать их преимущества, что позволяет получить экстремальные диапазоны масштабирования. Эти линзы часто бывают очень большими по сравнению с размером сенсора, но с маленьким сенсором их можно уместить в компактный корпус.

Маленький корпус означает маленький объектив и означает маленький сенсор, поэтому, чтобы смартфоны оставались тонкими и легкими, производители смартфонов используют крошечный сенсор, который обычно меньше 1 / 2,3 дюйма, который используется в большинстве камер Bridge . Когда-то только Nokia 808 PureView использовал 1 / Сенсор 1,2 дюйма, что почти в три раза больше сенсора 1 / 2,3 дюйма. Большие сенсоры имеют преимущество в виде лучшего качества изображения, но с улучшением сенсорной технологии меньшие сенсоры могут превзойти более ранние более крупные сенсоры. Эти улучшения в сенсорной технологии позволяют производителям смартфонов использовать датчики изображения размером всего 1/4 дюйма, не жертвуя слишком большим качеством изображения по сравнению с бюджетными камерами «наведи и снимай».

Активная область датчика

Для расчета угла обзора камеры следует использовать размер активной области сенсора. Под активной областью датчика подразумевается область датчика, на которой формируется изображение в заданном режиме работы камеры. Активная область может быть меньше датчика изображения, а активная область может отличаться в разных режимах работы одной и той же камеры. Размер активной области зависит от соотношения сторон сенсора и соотношения сторон выходного изображения камеры. Размер активной области может зависеть от количества пикселей в данном режиме камеры. Размер активной области и фокусное расстояние объектива определяют углы обзора.

Размер сенсора и эффекты затенения

Полупроводниковые датчики изображения могут страдать от эффектов затенения на больших апертурах и на периферии поля изображения из-за геометрии светового конуса, проецируемого из выходного зрачка линзы в точку или пиксель на поверхности датчика. Эффекты подробно обсуждаются Катрисс и Ванделл. В контексте этого обсуждения наиболее важным результатом вышеизложенного является то, что для обеспечения полной передачи световой энергии между двумя связанными оптическими системами, такими как выходной зрачок линзы, к фоторецептору пикселя, геометрическая протяженность (также известная как etendue или светопропускная способность) ) системы линза объектива / пиксель должен быть меньше или равен геометрической протяженности системы микролинза / фоторецептор. Геометрическая протяженность системы линза объектива / пиксель определяется выражением

${\ displaystyle G _ {\ mathrm {objective}} \ simeq {\ frac {w _ {\ mathrm {pixel}}} {2 {(f / \ #)} _ {\ mathrm {objective}}}}}$,

где w _pixel - это ширина пикселя, а (f / #) _{объектива} - f-число линзы объектива. Геометрическая протяженность системы микролинза / фоторецептор определяется выражением

${\ displaystyle G _ {\ mathrm {pixel}} \ simeq {\ frac {w _ {\ mathrm {photoreceptor}}} {2 {(f / \ #)} _ {\ mathrm {microlens}}}}}$,

где w _{фоторецептор} - это ширина фоторецептора, а (f / #) _{микролинза} - f-число микролинзы.

Чтобы избежать затенения,

${\ displaystyle G _ {\ mathrm {pixel}} \ geq G _ {\ mathrm {objective}}}$, следовательно ${\ displaystyle {\ frac {w _ {\ mathrm {photoreceptor}}} {{(f / \ #)} _ {\ mathrm {microlens}}}} \ geq {\ frac {w _ {\ mathrm {pixel}}} {{(f / \ #)} _ {\ mathrm {objective}}}}}$

Если w _{фоторецептор} / w _{пиксель} = ff , коэффициент линейного заполнения линзы, то условие становится

${\ displaystyle {(f / \ #)} _ {\ mathrm {microlens}} \ leq {(f / \ #)} _ {\ mathrm {objective}} \ times {\ mathit {ff}}}$

Таким образом, если необходимо избежать затенения, f-число микролинзы должно быть меньше f-числа принимающей линзы, по крайней мере, на коэффициент, равный коэффициенту линейного заполнения пикселя. F-число микролинзы в конечном итоге определяется шириной пикселя и его высотой над кремнием, которая определяет его фокусное расстояние. В свою очередь, это определяется высотой слоев металлизации, также известной как «высота стопки». Для заданной высоты стопки f-число микролинз будет увеличиваться по мере уменьшения размера пикселя, и, таким образом, f-число линзы объектива, при котором происходит затенение, будет иметь тенденцию к увеличению. Этот эффект наблюдается на практике, как записано в статье DxOmark «Блюз F-stop».

Чтобы поддерживать количество пикселей, более мелкие датчики будут иметь меньшие пиксели, в то же время для увеличения количества света, проецируемого на датчик, требуются меньшие f-числа объектива. Для борьбы с эффектом, описанным выше, пиксели меньшего формата включают конструктивные особенности, позволяющие уменьшить f-число их микролинз. Они могут включать в себя упрощенные конструкции пикселей, которые требуют меньшей металлизации, «световоды», построенные внутри пикселя, чтобы приблизить его видимую поверхность к микролинзе, и « освещение задней стороны », в котором пластина утончается, чтобы обнажить заднюю часть фотодетекторов и микролинзы. слой размещается непосредственно на этой поверхности, а не на лицевой стороне со слоями разводки. Относительная эффективность этих уловок довольно подробно обсуждается Аптиной .

Распространенные форматы датчиков изображения

Размеры сенсоров, используемых в большинстве современных цифровых фотоаппаратов, относительно стандартной 35-миллиметровой рамки.

Для фотоаппаратов со сменным объективом

Некоторые профессиональные зеркалок, ТА и MILCs / Зол использовать полный кадр датчиков, что эквивалентно размеру кадра 35 мм пленки.

В большинстве цифровых зеркальных фотоаппаратов, SLT и MILC потребительского уровня используются относительно большие датчики, размер которых несколько меньше размера кадра пленки APS -C, с кроп-фактором 1,5–1,6; или на 30% меньше этого значения при кроп-факторе 2,0 (это система четырех третей , принятая Olympus и Panasonic ).

По состоянию на ноябрь 2013 года существует только одна модель MILC, оснащенная очень маленьким сенсором, более типичным для компактных камер: Pentax Q7 с сенсором 1 / 1,7 дюйма (кроп-фактор 4,55). См. Датчики, оснащенные компактными цифровыми камерами и телефонами с камерой. раздел ниже.

В маркетинге для описания форматов датчиков DSLR / SLT / MILC используется множество различных терминов, включая следующие:

• Площадь 860 мм². Формат полнокадровой цифровой SLR- камеры с размерами сенсора, почти такими же, как у 35-мм пленки (36 × 24 мм) от Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony и объявленный в 2018 году компанией Sigma как готовящийся к выпуску.
• Формат APS-H площадью 548 мм² для высококачественной беззеркальной SD Quattro H от Sigma (кроп-фактор 1,35)
• Стандартный формат APS-C площадью 370 мм² от Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (кроп-фактор 1,5) (однако фактическая пленка APS-C больше).
• APS-C, площадь 330 мм², меньший формат от Canon (кроп-фактор 1,6)
• Площадь 225 мм², формат системы Micro Four Thirds от Panasonic, Olympus, Black Magic и Polaroid (кроп-фактор 2,0)
• Площадь 43 мм² 1 / 1,7 дюйма Pentax Q7 (кроп-фактор 4,55)

Размеры устаревших и снятых с производства сенсоров включают:

• 548 мм ² площадь Leica «ы M8 и M8.2 датчик (кроп - фактор 1,33). Современные датчики серии M являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• 548 мм ² площадь Canon «с APS-H формат для высокоскоростных зеркалок профессионального уровня (фактор урожая 1.3). Современные датчики серий 1D / 5D являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• Площадь 370 мм², формат APS-C с кроп-фактором 1,5 от Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• Площадь 286 мм² Формат Foveon X3 , используемый в зеркальных фотокамерах Sigma серии SD и беззеркальных камерах DP (кроп-фактор 1,7). Более поздние модели, такие как SD1 , DP2 Merrill и большая часть серии Quattro, используют датчик Foveon с кроп-фактором 1,5; даже более новый беззеркальный Quattro H использует датчик APS-H Foveon с кроп-фактором 1,35.
• Площадь 225 мм², формат системы Four Thirds от Olympus (кроп-фактор 2,0)
• Площадь 116 мм² 1- дюймовый формат Nikon CX, используемый в Nikon серии 1 и Samsung mini-NX (кроп-фактор 2,7)
• Площадь 30 мм² Оригинальный Pentax Q размером 1 / 2,3 дюйма (кроп-фактор 5,6). Современные камеры серии Q имеют кроп-фактор 4,55.

Когда были впервые представлены полнокадровые датчики, производственные затраты могли в двадцать раз превышать стоимость датчика APS-C. Только двадцать полнокадровых датчиков могут быть изготовлены на кремниевой пластине диаметром 8 дюймов (20 см) , на которую поместятся 100 или более датчиков APS-C, и есть значительное снижение выхода из-за большой площади для загрязняющих веществ на каждый компонент. Кроме того, изготовление полнокадрового сенсора первоначально требовало трех отдельных экспозиций на этапе фотолитографии , что требует отдельных масок и этапов контроля качества. Canon выбрала средний размер APS-H , поскольку в то время он был самым большим, на который можно было нанести рисунок с помощью одной маски, что помогало контролировать производственные затраты и управлять урожайностью. Новое оборудование для фотолитографии теперь позволяет производить однопроходную экспозицию для полнокадровых датчиков, хотя другие производственные ограничения, связанные с размерами, остаются почти такими же.

Из-за постоянно меняющихся ограничений производства и обработки полупроводников , а также из-за того, что производители камер часто используют датчики сторонних производителей , размеры датчиков обычно незначительно варьируются в пределах одного и того же номинального формата. Например, номинально полнокадровые сенсоры фотокамер Nikon D3 и D700 на самом деле имеют размер 36 × 23,9 мм, что немного меньше, чем размер кадра 36 × 24 мм на 35-мм пленке. В качестве другого примера, сенсор Pentax K200D (производства Sony ) имеет размеры 23,5 × 15,7 мм, в то время как датчик современного K20D (производства Samsung ) имеет размеры 23,4 × 15,6 мм.

Большинство из этих форматов датчиков изображения имеют соотношение сторон 35-мм пленки примерно 3: 2 . Опять же, система Four Thirds является заметным исключением с соотношением сторон 4: 3, которое наблюдается в большинстве компактных цифровых камер (см. Ниже).

Меньшие датчики

Большинство датчиков предназначены для камерофонов, компактных цифровых камер и мостовых камер. Большинство датчиков изображения, которыми оснащены компактные камеры, имеют соотношение сторон 4: 3. Это соответствует соотношению сторон популярных разрешений дисплеев SVGA , XGA и SXGA во времена первых цифровых камер, что позволяет отображать изображения на обычных мониторах без обрезки.

По состоянию на декабрь 2010 года в большинстве компактных цифровых камер использовались небольшие сенсоры размером 1 / 2,3 дюйма. К таким камерам относятся Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 и Nikon Coolpix S9100. В некоторых старых цифровых камерах (в основном с 2005 по 2010 год) использовались даже меньшие 1 / 2,5 дюйма. датчики: к ним относятся Panasonic Lumix DMC-FS62, Canon Powershot SX120 IS, Sony Cyber-shot DSC-S700 и Casio Exilim EX-Z80.

По состоянию на 2018 год высококлассные компактные камеры с однодюймовыми сенсорами, площадь которых почти в четыре раза больше, чем у обычных компактных камер, включают Canon PowerShot серии G (от G3 X до G9 X), серию Sony DSC RX100, Panasonic Lumix TZ100 и Panasonic DMC- LX15. Canon имеет датчик APS-C на своей топовой модели PowerShot G1 X Mark III.

В течение многих лет до сентября 2011 года существовал разрыв между размерами сенсора компактных цифровых и цифровых зеркальных камер. Ось x представляет собой дискретный набор размеров формата сенсора, используемого в цифровых камерах, а не линейную ось измерения.

Наконец, в линейке Sony есть камеры DSC-RX1 и DSC-RX1R с полнокадровым сенсором, который обычно используется только в профессиональных зеркальных фотокамерах, SLT и MILC.

Из-за ограничений по размеру мощных зум-объективов большинство современных мостовых камер имеют сенсоры размером 1 / 2,3 дюйма, такие же маленькие, как и те, что используются в обычных более компактных камерах. Поскольку размеры линз пропорциональны размеру сенсора изображения, меньшие сенсоры обеспечивают большие значения трансфокации с объективы среднего размера. В 2011 году Fujifilm X-S1 высшего класса был оснащен гораздо более крупным 2/3-дюймовым сенсором. В 2013–2014 годах Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ) и Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) производили мостовые камеры с 1 -дюймовым сенсором .

Датчики камерофонов обычно намного меньше, чем у типичных компактных камер, что позволяет добиться большей миниатюризации электрических и оптических компонентов. Размер сенсора около 1/6 дюйма является обычным для телефонов с камерой, веб-камер и цифровых видеокамер . Сенсор 1/1,83 дюйма Nokia N8 был самым большим в телефоне в конце 2011 года. Nokia 808 превосходит компактные камеры с его 41 миллионом пикселей. , Датчик 1 / 1,2 дюйма.

Среднеформатные цифровые датчики

Самые большие цифровые датчики в имеющихся в продаже камерах описываются как среднеформатные со ссылкой на форматы пленок аналогичных размеров. Хотя традиционная пленка 120 среднего формата обычно имела одну сторону длиной 6 см (другая - от 4,5 до 24 см), наиболее распространенные размеры цифровых сенсоров, описанные ниже, составляют приблизительно 48 мм × 36 мм (1,9 дюйма × 1,4 дюйма), что примерно в два раза больше формата сенсора полнокадровой цифровой SLR .

Доступные ПЗС-сенсоры включают цифровую заднюю панель Phase One P65 + с сенсором Dalsa размером 53,9 × 40,4 мм (2,12 дюйма × 1,59 дюйма), содержащим 60,5 мегапикселей, и зеркальную камеру Leica S-System с размером 45 мм × 30 мм (1,8 дюйма). дюйм × 1,2 дюйма) сенсор с разрешением 37 мегапикселей. В 2010 году Pentax выпустила среднеформатную цифровую зеркальную камеру 40MP 645D с ПЗС-сенсором 44 мм × 33 мм (1,7 дюйма × 1,3 дюйма); более поздние модели серии 645 сохранили тот же размер сенсора, но заменили CCD сенсором CMOS. В 2016 году Hasselblad анонсировала X1D, 50- мегапиксельную беззеркальную камеру среднего формата с CMOS-сенсором 44 мм × 33 мм (1,7 дюйма × 1,3 дюйма ). В конце 2016 года Fujifilm также объявила о выходе на рынок нового беззеркального среднеформатного Fujifilm GFX 50S с CMOS-сенсором 43,8 мм × 32,9 мм (1,72 дюйма × 1,30 дюйма) и разрешением 51,4 МП.

Таблица форматов и размеров сенсоров

Размеры сенсоров выражаются в дюймах, потому что во время популяризации цифровых сенсоров изображения они использовались для замены трубок видеокамер . Обычные круглые трубки видеокамеры с внешним диаметром 1 дюйм имеют прямоугольную фоточувствительную область размером около 16 мм по диагонали, поэтому цифровой датчик с размером диагонали 16 мм является эквивалентом видеотрубки диаметром 1 дюйм. Название 1-дюймового цифрового датчика следует более точно читать как "датчик, эквивалентный однодюймовой трубке видеокамеры". Текущие дескрипторы размера датчика цифрового изображения - это эквивалентный размер трубки видеокамеры, а не фактический размер датчика. Например, 1-дюймовый сенсор имеет диагональ 16 мм.

Размеры часто выражаются в долях дюйма с единицей в числителе и десятичным числом в знаменателе. Например, 1 / 2,5 преобразуется в 2/5 как простую дробь или 0,4 как десятичное число. Эта «дюймовая» система дает результат, примерно в 1,5 раза превышающий длину диагонали сенсора. Эта мера « оптического формата » восходит к способу выражения размеров изображения видеокамер, используемых до конца 1980-х годов, и относится к внешнему диаметру стеклянной оболочки трубки видеокамеры . Дэвид Пог из New York Times заявляет, что «фактический размер сенсора намного меньше, чем тот, который публикуют производители камер, - примерно на треть меньше». Например, камера, рекламирующая сенсор 1 / 2,7 дюйма, не имеет сенсора с диагональю 0,37 дюйма; вместо этого диагональ ближе к 0,26 дюйма . Вместо «форматов» эти размеры сенсора часто называют типами , как в «ПЗС-матрице 1/2 дюйма».

Из-за того, что дюймовые форматы сенсоров не стандартизированы, их точные размеры могут отличаться, но перечисленные являются типичными. Перечисленные области сенсора охватывают более 1000 раз и пропорциональны максимально возможному сбору света и разрешению изображения (та же светосила объектива , т. Е. Минимальное число F ), но на практике не прямо пропорциональны шуму изображения или разрешению из-за к другим ограничениям. Смотрите сравнения. Размеры формата пленки также включены для сравнения. Примеры использования телефона или камеры могут не отображать точные размеры сенсора.

Смотрите также

• Полнокадровая цифровая SLR
• Размер сенсора и угол обзора
• Эквивалентное фокусное расстояние 35 мм
• Формат фильма
• Цифровая фотография против пленочной
• Список видеокамер со сменными объективами с большим сенсором
• Список датчиков, используемых в цифровых камерах
• Угол обзора
• Фактор урожая
• Поле зрения

Примечания и ссылки

внешние ссылки

• Эрик Фоссум: от фотонов к битам и дальше: наука и цифровые технологии , 13 октября 2011 г. (видео лекции на YouTube)
• Джозеф Джеймс: эквивалентность в фотографии Джозефа Джеймса
• Саймон Тиндеманс: Альтернативные фотографические параметры: независимый от формата подход в 21stcenturyshoebox
• Компактная камера Режимы высоких ISO: факты и шумиха на dpreview.com, май 2007 г.
• Лучшим компромиссом для компактной камеры является сенсор с 6 миллионами пикселей или лучше сенсор с размером пикселя> 3 мкм на 6mpixel.org.