Format przetwornika obrazu - Image sensor format

Wymiary porównawcze rozmiarów czujników

W fotografii cyfrowej format przetwornika obrazu to kształt i rozmiar przetwornika obrazu.

Format przetwornika obrazu aparatu cyfrowego określa kąt widzenia konkretnego obiektywu, gdy jest używany z określonym przetwornikiem. Ponieważ matryce w wielu aparatach cyfrowych są mniejsze niż obszar obrazu 24 mm × 36 mm pełnoklatkowych aparatów 35 mm , obiektyw o danej ogniskowej daje w takich aparatach węższe pole widzenia.

Rozmiar czujnika jest często wyrażany w formacie optycznym w calach. Stosowane są również inne środki; patrz tabela formatów i rozmiarów czujników poniżej.

Obiektywy produkowane do aparatów na film 35 mm mogą dobrze montować się na korpusach cyfrowych, ale większe koło obrazu obiektywu systemu 35 mm wpuszcza niepożądane światło do korpusu aparatu, a mniejszy rozmiar przetwornika obrazu w porównaniu z formatem 35 mm powoduje kadrowanie obrazu. Ten ostatni efekt jest znany jako uprawa pola widzenia. Współczynnik rozmiaru formatu (w stosunku do formatu filmu 35 mm) jest znany jako współczynnik kadrowania pola widzenia, współczynnik kadrowania, współczynnik obiektywu, współczynnik konwersji ogniskowej, mnożnik ogniskowej lub mnożnik obiektywu.

Rozmiar czujnika i głębia ostrości

Omówiono trzy możliwe porównania głębi ostrości między formatami, stosując wzory wyprowadzone w artykule na temat głębi ostrości . Głębie ostrości trzech kamer mogą być takie same lub różne w dowolnej kolejności, w zależności od tego, co jest stałe w porównaniu.

Biorąc pod uwagę obraz z tą samą odległością obiektu i kątem widzenia dla dwóch różnych formatów:

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

więc DOF są odwrotnie proporcjonalne do bezwzględnych średnic apertury i . ${\displaystyle d_{1}}$${\displaystyle d_{2}}$

Użycie tej samej bezwzględnej średnicy apertury dla obu formatów z kryterium „tego samego obrazu” (równy kąt widzenia, powiększony do tego samego rozmiaru końcowego) daje taką samą głębię ostrości. Jest to równoznaczne z ustawieniem liczby f odwrotnie proporcjonalnie do współczynnika kadrowania — mniejsza liczba f dla mniejszych czujników (oznacza to również, że przy stałym czasie otwarcia migawki ekspozycja jest zmieniana przez dostosowanie wymaganej liczby f w celu wyrównania głębi ostrości. Ale obszar przysłony jest utrzymywany na stałym poziomie, więc czujniki wszystkich rozmiarów otrzymują taką samą całkowitą ilość energii świetlnej od obiektu. Mniejszy czujnik pracuje wtedy przy niższym ustawieniu ISO , o kwadrat współczynnika przycięcia ). Ten warunek równego pola widzenia, równej głębi ostrości, równej średnicy apertury i równego czasu ekspozycji jest znany jako „równoważność”.

I możemy porównać głębię ostrości czujników otrzymujących tę samą ekspozycję fotometryczną – liczba f jest stała, a nie średnica apertury – czujniki działają w tym przypadku z tym samym ustawieniem ISO, ale mniejszy czujnik otrzymuje mniej całkowitego światło, przez stosunek powierzchni. Stosunek głębi ostrości wynosi zatem

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

gdzie i są charakterystycznymi wymiarami formatu, a zatem jest względnym współczynnikiem przycięcia między czujnikami. To właśnie ten wynik rodzi powszechną opinię, że małe matryce dają większą głębię ostrości niż duże. ${\displaystyle l_{1}}$${\displaystyle l_{2}}$${\displaystyle l_{1}/l_{2}}$

Alternatywą jest rozważenie głębi ostrości, jaką daje ten sam obiektyw w połączeniu z czujnikami o różnych rozmiarach (zmiana kąta widzenia). Zmiana głębi ostrości spowodowana jest wymogiem różnego stopnia powiększenia, aby osiągnąć ten sam ostateczny rozmiar obrazu. W tym przypadku stosunek głębi ostrości wynosi

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

W praktyce, w przypadku zastosowania obiektywu o stałej ogniskowej i stałej przysłonie oraz wykonanego tak, aby koło obrazowe spełniało wymagania dla dużej matrycy, należy bez zmiany jej właściwości fizycznych dostosować się do mniejszych rozmiarów matrycy ani głębi ostrości ani zgromadzenie światła się nie zmieni. ${\ Displaystyle \ operatorname {lx = \ {\ Frac {lm} {m ^ {2}}}}}$

Rozmiar czujnika, szum i zakres dynamiczny

Po uwzględnieniu niejednorodności odpowiedzi fotoelektrycznej (PRNU) i zmienności ciemnego szumu, które nie są wewnętrznie zależne od rozmiaru czujnika, szumy w przetworniku obrazu to szum śrutowy , szum odczytu i szum ciemny . Całkowity stosunek sygnału do szumu czujnika (SNR), wyrażony jako elektrony sygnałowe w stosunku do szumu rms w elektronach, obserwowany w skali pojedynczego piksela, przy założeniu szumu śrutowego z rozkładu Poissona elektronów sygnałowych i ciemnych elektronów, wynosi

${\ Displaystyle \ operatorname {SNR} = {\ Frac {PQ_ {e} t} {\ sqrt {\ lewo ({\ sqrt {PQ_ {e} t}} \ po prawej) ^ {2} + \ lewo ({\ sqrt {Dt}}\right)^{2}+N_{r}^{2}}}}={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t+Dt+N_{r }^{2}}}}}$

gdzie jest padający strumień fotonów (fotony na sekundę w obszarze piksela), jest wydajnością kwantową , jest czasem ekspozycji, jest prądem ciemności piksela w elektronach na sekundę i jest szumem odczytu piksela w elektronach rms. ${\displaystyle P}$${\displaystyle Q_{e}}$${\displaystyle t}$${\ Displaystyle D}$${\displaystyle N_{r}}$

Każdy z tych dźwięków ma inną zależność od wielkości czujnika.

Ekspozycja i strumień fotonów

Szumy czujnika obrazu można porównać w różnych formatach dla danego stałego strumienia fotonów na obszar piksela ( P we wzorach); analiza ta jest użyteczna dla ustalonej liczby pikseli z powierzchnią pikseli proporcjonalną do powierzchni czujnika i stałą bezwzględną średnicą apertury dla stałej sytuacji obrazowania pod względem głębi ostrości, limitu dyfrakcji na obiekcie itp. stałe natężenie oświetlenia płaszczyzny ogniskowej, odpowiadające stałej liczbie f , w którym to przypadku P jest proporcjonalne do obszaru piksela, niezależnie od obszaru czujnika. Wzory powyżej i poniżej można ocenić w obu przypadkach.

Odgłos strzału

W powyższym równaniu SNR szumu śrutowego jest podany przez

${\ Displaystyle {\ Frac {PQ_ {e} t} {\ sqrt {PQ_ {e} t}}} = {\ sqrt {PQ_ {e} t}}}$.

Oprócz wydajności kwantowej zależy to od padającego strumienia fotonów i czasu ekspozycji, który jest równoważny ekspozycji i powierzchni czujnika; ponieważ ekspozycja to czas całkowania pomnożony przez natężenie oświetlenia płaszczyzny obrazu , a natężenie oświetlenia to strumień świetlny na jednostkę powierzchni. Tak więc przy równych ekspozycjach stosunek sygnału do szumu dwóch czujników o różnej wielkości o równej wydajności kwantowej i liczbie pikseli (dla danego ostatecznego rozmiaru obrazu) będzie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego obszaru czujnika (lub współczynnika skali liniowej czujnik). Jeśli ekspozycja jest ograniczona koniecznością uzyskania pewnej wymaganej głębi ostrości (przy tej samej szybkości migawki), to ekspozycje będą odwrotne do obszaru matrycy, dając interesujący wynik, że jeśli głębia ostrości jest ograniczeniem, zdjęcie zostanie wykonane. hałas nie jest zależny od obszaru czujnika. W przypadku identycznych obiektywów o liczbie przysłony stosunek sygnału do szumu wzrasta jako pierwiastek kwadratowy obszaru piksela lub liniowo wraz z rozstawem piksela. Ponieważ typowe liczby f dla obiektywów do telefonów komórkowych i lustrzanek cyfrowych mieszczą się w tym samym zakresie f/1.5-f/2, warto porównać osiągi aparatów z małą i dużą matrycą. Dobry aparat do telefonu komórkowego o typowym rozmiarze piksela 1,1 μm (Samsung A8) miałby około 3 razy gorszy SNR ze względu na hałas strzału niż aparat z wymiennymi obiektywami 3,7 μm (Panasonic G85) i 5 razy gorszy niż aparat pełnoklatkowy 6 μm ( Sony A7 III). Biorąc pod uwagę zakres dynamiczny, różnica jest jeszcze bardziej widoczna. W związku z tym trend zwiększania liczby „megapikseli” w aparatach telefonów komórkowych w ciągu ostatnich 10 lat był spowodowany raczej strategią marketingową polegającą na sprzedaży „więcej megapikseli” niż próbami poprawy jakości obrazu.

Czytaj hałas

Szum odczytu to suma wszystkich szumów elektronicznych w łańcuchu konwersji dla pikseli w tablicy czujników. Aby porównać go z szumem fotonowym, należy go odnieść do swojego odpowiednika w fotoelektronach, co wymaga podzielenia szumu mierzonego w woltach przez wzmocnienie konwersji piksela. Jest to określone dla aktywnego czujnika pikselowego przez napięcie na wejściu (bramce) czytanego tranzystora podzielone przez ładunek, który generuje to napięcie, . Jest to odwrotność pojemności odczytanej bramki tranzystora (i dołączonej pływającej dyfuzji) od pojemności . Tak więc . ${\ Displaystyle CG = V_ {rt} / Q_ {rt}}$${\ Displaystyle C = Q/V}$${\ Displaystyle CG = 1 / C_ {rt}}$

Ogólnie rzecz biorąc, dla struktury płaskiej, takiej jak piksel, pojemność jest proporcjonalna do obszaru, dlatego szum odczytu zmniejsza się wraz z obszarem czujnika, o ile obszar piksela skaluje się z obszarem czujnika, a skalowanie odbywa się poprzez równomierne skalowanie piksela.

Biorąc pod uwagę stosunek sygnału do szumu z powodu szumu odczytu przy danej ekspozycji, sygnał będzie się skalował, gdy obszar czujnika wraz z szumem odczytu, a zatem SNR odczytu nie będzie miał wpływu na obszar czujnika. W sytuacji ograniczonej głębi ostrości ekspozycja większego czujnika zostanie zmniejszona proporcjonalnie do obszaru czujnika, a zatem zmniejszy się również SNR szumu odczytu.

Ciemny hałas

Ciemny prąd przyczynia się do dwóch rodzajów szumu: ciemnego przesunięcia, które jest tylko częściowo skorelowane między pikselami, oraz szumu śrutowego związanego z ciemnym przesunięciem, które nie jest skorelowane między pikselami. W powyższym wzorze zawarta jest tylko składowa szumu śrutowego Dt , ponieważ nieskorelowana część ciemnego przesunięcia jest trudna do przewidzenia, a skorelowana lub średnia część jest stosunkowo łatwa do odjęcia. Średni prąd ciemny zawiera wkłady proporcjonalne zarówno do powierzchni, jak i liniowego wymiaru fotodiody, przy czym względne proporcje i współczynniki skali zależą od konstrukcji fotodiody. Zatem ogólnie można oczekiwać, że ciemny szum czujnika będzie narastał wraz ze wzrostem rozmiaru czujnika. Jednak w większości czujników średni prąd ciemny piksela w normalnych temperaturach jest mały, niższy niż 50 e-sekundę, dlatego dla typowych czasów ekspozycji fotograficznej prąd ciemny i związane z nim szumy mogą być dyskontowane. Jednak przy bardzo długich czasach ekspozycji może to być czynnikiem ograniczającym. A nawet przy krótkich lub średnich czasach naświetlania kilka wartości odstających w rozkładzie prądu ciemnego może pojawić się jako „gorące piksele”. Zazwyczaj w zastosowaniach astrofotograficznych czujniki są chłodzone w celu zmniejszenia prądu ciemnego w sytuacjach, w których ekspozycje mogą być mierzone w ciągu kilkuset sekund.

Zakres dynamiczny

Zakres dynamiczny to stosunek największego i najmniejszego możliwego do nagrania sygnału, przy czym najmniejszy jest zwykle definiowany przez „poziom szumów”. W literaturze dotyczącej przetworników obrazu poziom szumu jest traktowany jako szum odczytu, a więc (uwaga, szum odczytu jest taką samą wielkością, jak w obliczeniach SNR). ${\ Displaystyle DR = Q_ {\ tekst {max}} / \ sigma _ {\ tekst {odczyt}}}$${\displaystyle \sigma_{odczyt}}$${\displaystyle N_{r}}$

Rozmiar czujnika i dyfrakcja

Rozdzielczość wszystkich systemów optycznych jest ograniczona dyfrakcją . Jednym ze sposobów rozważenia wpływu, jaki dyfrakcja wywiera na kamery wykorzystujące czujniki o różnych rozmiarach, jest uwzględnienie funkcji przenoszenia modulacji (MTF). Dyfrakcja jest jednym z czynników wpływających na ogólny system MTF. Inne czynniki to zazwyczaj MTF obiektywu, filtr antyaliasingowy i okno próbkowania czujnika. Przestrzenna częstotliwość odcięcia z powodu dyfrakcji przez aperturę obiektywu wynosi

${\ Displaystyle \ xi _ {\ operatorname {odcięcie}} = {\ Frac {1} {\ lambda N}}}$

gdzie λ to długość fali światła przechodzącego przez system, a N to liczba f soczewki. Jeśli ta apertura jest kołowa, tak jak (w przybliżeniu) większość apertur fotograficznych, to MTF jest dana przez

${\ Displaystyle \ operatorname {MTF} \ lewo ({\ Frac {\ xi} {\ xi _ {\ operatorname {odcięcie}}}} \ prawej) = {\ Frac {2} {\ pi}} \ lewo \ { \cos ^{-1}\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {odcięcie} }}}\right)-\left({\frac {\xi }{\xi _{\ mathrm {odcięcie} }}}\right)\left[1-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {odcięcie} }}}\right)^{2}\right]^{ \frac {1}{2}}\prawo\}}$

dla i dla Współczynnik oparty na dyfrakcji systemu MTF będzie zatem skalowany zgodnie i kolejno zgodnie z (dla tej samej długości fali światła). ${\displaystyle \xi <\xi _{\mathrm {odcięcie}}}$${\ Displaystyle 0}$${\ Displaystyle \ xi \ geq \ xi _ {\ operatorname {odcięcie}}}$${\ Displaystyle \ xi _ {\ operatorname {odcięcie}}}$${\ Displaystyle 1/N}$

Rozważając wpływ rozmiaru czujnika i jego wpływ na ostateczny obraz, należy wziąć pod uwagę różne powiększenia wymagane do uzyskania tego samego rozmiaru obrazu do oglądania, co skutkuje dodatkowym współczynnikiem skali, gdzie jest względny współczynnik przycięcia, co powoduje, że ogólny współczynnik skali . Biorąc pod uwagę trzy powyższe przypadki: ${\ Displaystyle 1/{C}}$${\ Displaystyle {C}}$${\ Displaystyle 1/(NC)}$

Dla warunków „tego samego obrazu”, tego samego kąta widzenia, odległości obiektu i głębi ostrości, liczby F są w stosunku , więc współczynnik skali dla MTF dyfrakcji wynosi 1, co prowadzi do wniosku, że MTF dyfrakcji przy dana głębia ostrości jest niezależna od rozmiaru czujnika. ${\ Displaystyle 1/C}$

Zarówno w warunkach „tej samej ekspozycji fotometrycznej”, jak i „tego samego obiektywu”, liczba F nie ulega zmianie, a zatem odcięcie przestrzenne i wynikowy MTF na czujniku pozostają niezmienione, pozostawiając MTF w oglądanym obrazie do przeskalowania jako powiększenia lub odwrotnie jako współczynnik upraw.

Format czujnika i rozmiar obiektywu

Można by oczekiwać, że soczewki odpowiednie dla różnych rozmiarów czujników można by wytwarzać po prostu skalując te same projekty proporcjonalnie do współczynnika upraw. Takie ćwiczenie teoretycznie dałoby obiektyw o tej samej liczbie F i kącie widzenia, o rozmiarze proporcjonalnym do współczynnika kadrowania czujnika. W praktyce proste skalowanie konstrukcji soczewek nie zawsze jest osiągalne ze względu na takie czynniki, jak brak skalowalności tolerancji produkcyjnej , integralność strukturalna soczewek szklanych o różnych rozmiarach oraz dostępne techniki wytwarzania i koszty. Co więcej, aby zachować tę samą bezwzględną ilość informacji na obrazie (którą można zmierzyć jako iloczyn szerokości pasma przestrzennego), soczewka dla mniejszej matrycy wymaga większej mocy rozdzielczej. Opracowanie obiektywu „ Tessar ” omawia Nasse i pokazuje jego transformację od obiektywu f/6,3 do kamer płytowych przy użyciu oryginalnej konfiguracji z trzema grupami do czteroelementowej optyki f/2,8 5,2 mm z ośmioma wyjątkowo asferycznymi powierzchniami , ekonomicznie wytwarzany ze względu na niewielkie rozmiary. Jego osiągi są „lepsze niż najlepsze obiektywy 35 mm – ale tylko dla bardzo małego obrazu”.

Podsumowując, wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru matrycy, towarzyszące jej konstrukcje soczewek zmienią się, często dość radykalnie, w celu wykorzystania technik produkcyjnych dostępnych ze względu na zmniejszony rozmiar. Funkcjonalność takich obiektywów również może je wykorzystywać, dzięki czemu możliwe stają się ekstremalne zakresy zoomu. Soczewki te są często bardzo duże w stosunku do rozmiaru czujnika, ale z małym czujnikiem można je zmieścić w kompaktowym opakowaniu.

Mały korpus oznacza mały obiektyw i oznacza mały czujnik, więc aby smartfony były smukłe i lekkie, producenci smartfonów stosują malutki czujnik zwykle mniejszy niż 1/2,3" stosowany w większości aparatów Bridge . Kiedyś tylko Nokia 808 PureView używała 1/ Czujnik 1,2", prawie trzy razy większy niż czujnik 1/2,3". Większe czujniki mają tę zaletę, że lepsza jakość obrazu, ale dzięki ulepszeniom w technologii czujników mniejsze czujniki mogą osiągnąć to samo, co wcześniejsze większe czujniki. Te ulepszenia w technologii czujników pozwalają producentom smartfonów na stosowanie przetworników obrazu o wielkości zaledwie 1/4 cala bez poświęcania zbyt dużej jakości obrazu w porównaniu z budżetowymi aparatami typu point & shoot.

Obszar aktywny czujnika

Do obliczenia kąta widzenia kamery należy wykorzystać wielkość obszaru aktywnego czujnika. Obszar aktywny czujnika oznacza obszar czujnika, na którym w danym trybie kamery tworzony jest obraz. Obszar aktywny może być mniejszy niż czujnik obrazu, a obszar aktywny może się różnić w różnych trybach pracy tej samej kamery. Rozmiar obszaru aktywnego zależy od proporcji matrycy i proporcji obrazu wyjściowego kamery. Rozmiar obszaru aktywnego może zależeć od liczby pikseli w danym trybie kamery. Rozmiar obszaru aktywnego i ogniskowa obiektywu określają kąty widzenia.

Rozmiar czujnika i efekty cieniowania

Półprzewodnikowe czujniki obrazu mogą cierpieć z powodu efektów cieniowania przy dużych otworach i na obrzeżach pola obrazu, ze względu na geometrię stożka światła rzutowanego ze źrenicy wyjściowej obiektywu na punkt lub piksel na powierzchni czujnika. Efekty szczegółowo omawiają Catrysse i Wandell. W kontekście tej dyskusji najważniejszym wynikiem powyższego jest zapewnienie pełnego transferu energii świetlnej między dwoma sprzężonymi układami optycznymi, takimi jak źrenica wyjściowa obiektywu do fotoreceptora piksela, zasięg geometryczny (znany również jako ciąg lub przepustowość światła ) układu soczewka obiektywu/piksel musi być mniejsza lub równa geometrycznemu zasięgowi układu mikrosoczewki/fotoreceptora. Zasięg geometryczny układu obiektyw/piksel jest określony wzorem

${\ Displaystyle G_ {\ operatorname {cel} } \ simeq {\ Frac {w_ {\ operatorname {piksel}}} {2 {(f/\#)} _ {\ operatorname {cel}}}}}$,

gdzie w _piksel ma szerokość piksela i (f / #) _cel jest liczba f soczewki obiektywu. Geometryczny zasięg układu mikrosoczewka/fotoreceptor jest określony wzorem

${\ Displaystyle G_ {\ operator {piksel} } \ simeq {\ Frac {w_ {\ operator {fotoreceptor}}} {2 {(f/\ #)} _ {\ operator {mikrosoczewki}}}}}$,

gdzie W _{fotoreceptora} jest szerokością fotoreceptorów i (f / #) _{mikrosoczewkowej} jest f liczba mikrosoczewki.

Aby uniknąć cieniowania,

${\ Displaystyle G_ {\ operatorname {piksel} } \ geq G_ {\ operatorname {cel}}}$, dlatego ${\displaystyle {\frac {w_{\mathrm {fotoreceptor}}}{{(f/\#)}_{\mathrm {mikrosoczewki}}}}\geq {\frac {w_{\mathrm {piksel}}} {{(f/\#)}_{\mathrm {cel} }}}}$

Jeśli w _fotoreceptor / w _piksel = ff , liniowy współczynnik wypełnienia soczewki, wówczas warunek staje się

${\ Displaystyle {(f/\#)} _ {\ operatorname {mikrosoczewki}} \ leq {(f/\ #)} _ {\ operatorname {cel}} \ razy {\ mathit {ff}}}$

Zatem, jeśli ma być unikane cieniowanie, liczba f mikrosoczewek musi być mniejsza niż liczba f soczewki biorącej co najmniej o współczynnik równy liniowemu współczynnikowi wypełnienia piksela. Liczba f mikrosoczewek jest ostatecznie określona przez szerokość piksela i jego wysokość nad krzemem, która określa jego ogniskową. O tym z kolei decyduje wysokość warstw metalizacji, znana również jako „wysokość stosu”. Dla danej wysokości stosu, liczba f mikrosoczewek będzie wzrastać wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru piksela, a zatem liczba f soczewki obiektywu, przy której występuje zacienienie, będzie miała tendencję do wzrostu. Efekt ten zaobserwowano w praktyce, co zapisano w artykule DxOmark „F-stop blues”

Aby zachować liczbę pikseli, mniejsze czujniki będą miały mniejsze piksele, podczas gdy jednocześnie wymagane są mniejsze liczby f obiektywu, aby zmaksymalizować ilość światła rzucanego na czujnik. Aby zwalczyć omówiony powyżej efekt, piksele o mniejszym formacie zawierają cechy konstrukcyjne, które umożliwiają zmniejszenie liczby f ich mikrosoczewek. Mogą to być uproszczone projekty pikseli, które wymagają mniejszej metalizacji, „światłowody” wbudowane w piksel w celu zbliżenia jego widocznej powierzchni do mikrosoczewki oraz „ podświetlenie tylnej strony ”, w którym płytka jest pocieniona, aby odsłonić tył fotodetektorów i mikrosoczewki warstwa jest umieszczona bezpośrednio na tej powierzchni, a nie na przedniej stronie z warstwami okablowania. Względną skuteczność tych podstępów szczegółowo omawia Aptina .

Popularne formaty przetworników obrazu

Rozmiary czujników stosowanych w większości obecnych aparatów cyfrowych w stosunku do standardowej ramki 35 mm.

Do aparatów z wymiennymi obiektywami

Niektóre profesjonalne lustrzanki cyfrowe, SLT i MILC/EVIL wykorzystują pełnoklatkowe czujniki, odpowiadające rozmiarowi klatki filmu 35 mm.

Większość lustrzanek cyfrowych, SLT i MILC na poziomie konsumenckim wykorzystuje stosunkowo duże czujniki, albo nieco mniejsze od klatki filmu APS- C, ze współczynnikiem upraw 1,5-1,6; lub o 30% mniejsze, przy współczynniku przycięcia 2,0 (jest to System Cztery Trzecie , przyjęty przez Olympus i Panasonic ).

W listopadzie 2013 roku istnieje tylko jeden model MILC wyposażony w bardzo małej matrycy, bardziej typowe dla aparatów kompaktowych: the Q7 Pentax , z czujnika (4,55 mnożnik ogniskowej) 1 / 1,7" widzieć. Czujniki wyposażanie Kompaktowe aparaty cyfrowe i kamery telefony poniżej.

W marketingu używa się wielu różnych terminów do opisania formatów czujników DSLR/SLT/MILC, w tym:

• Powierzchnia 860 mm² Pełnoklatkowy format cyfrowej lustrzanki o wymiarach matrycy prawie równych wymiarom filmu 35 mm (36×24 mm) firm Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony i zapowiedziany w 2018 r. przez Sigma jako nadchodzący.
• Format APS-H o powierzchni 548 mm² dla wysokiej klasy bezlusterkowca SD Quattro H firmy Sigma (współczynnik kadrowania 1,35)
• Standardowy format APS-C o powierzchni 370 mm² firmy Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (crop factor 1,5) (rzeczywisty film APS-C jest jednak większy.)
• Mniejszy format APS-C o powierzchni 330 mm² firmy Canon (współczynnik kadrowania 1,6)
• Powierzchnia 225 mm² Format systemu Mikro Cztery Trzecie firm Panasonic, Olympus, Black Magic i Polaroid (współczynnik przycięcia 2,0)
• Powierzchnia 43 mm² 1/1,7" Pentax Q7 (współczynnik uprawy 4,55)

Przestarzałe i wycofane z produkcji rozmiary czujników obejmują:

• 548 mmt Leica jest M8 M8.2 czujnik (czynnik upraw 1,33). Obecne czujniki serii M są w rzeczywistości pełnoklatkowe (współczynnik kadrowania 1,0).
• 548 Powierzchnia mm² Canon „s APS-H format szybkich lustrzanek pro szczebla (mnożnik ogniskowej 1.3). Obecne czujniki z serii 1D/5D są w rzeczywistości pełnoklatkowe (współczynnik kadrowania 1,0).
• Format APS-C crop factor 1.5 o powierzchni 370 mm² firmy Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• Obszar 286 mm² Format Foveon X3 używany w lustrzankach cyfrowych Sigma z serii SD i bezlusterkowcach z serii DP (współczynnik kadrowania 1,7). Późniejsze modele, takie jak SD1 , DP2 Merrill i większość serii Quattro, wykorzystują czujnik Foveon o współczynniku upraw 1,5; jeszcze nowszy bezlusterkowiec Quattro H wykorzystuje matrycę APS-H Foveon o współczynniku kadrowania 1,35.
• Powierzchnia 225 mm² Format systemu Cztery Trzecie firmy Olympus (współczynnik kadrowania 2,0)
• Powierzchnia 116 mm² Format 1" Nikon CX używany w seriach Nikon 1 i Samsung mini-NX (współczynnik przycięcia 2,7)
• Powierzchnia 30 mm² 1/2,3" oryginalnego Pentaxa Q (współczynnik kadrowania 5,6). Obecne aparaty z serii Q mają współczynnik kadrowania równy 4,55.

Kiedy po raz pierwszy wprowadzono matryce pełnoklatkowe , koszty produkcji mogły przewyższać dwudziestokrotnie koszt matrycy APS-C. Na 20-centymetrowej płytce krzemowej , która zmieściłaby 100 lub więcej czujników APS-C, można wyprodukować tylko dwadzieścia pełnoklatkowych czujników , a wydajność jest znacznie mniejsza ze względu na dużą powierzchnię dla zanieczyszczeń przypadających na komponent. Dodatkowo produkcja matrycy pełnoklatkowej pierwotnie wymagała trzech oddzielnych ekspozycji na etapie fotolitografii , co wymaga oddzielnych masek i etapów kontroli jakości. Firma Canon wybrała średni rozmiar APS-H , ponieważ był to w tamtym czasie największy, który można było wymodelować za pomocą jednej maski, co pomagało kontrolować koszty produkcji i zarządzać wydajnością. Nowszy sprzęt do fotolitografii umożliwia teraz naświetlanie jednoprzebiegowe dla pełnoklatkowych czujników, chociaż inne ograniczenia produkcyjne związane z rozmiarem pozostają w dużej mierze takie same.

Ze względu na stale zmieniające się ograniczenia związane z produkcją i przetwarzaniem półprzewodników , a także ponieważ producenci kamer często zaopatrują się w czujniki z odlewni innych firm , często zdarza się , że wymiary czujników różnią się nieznacznie w ramach tego samego formatu nominalnego. Na przykład, nominalnie pełnoklatkowe matryce aparatów Nikon D3 i D700 mierzą w rzeczywistości 36 × 23,9 mm, nieco mniej niż klatka 36 × 24 mm z filmu 35 mm. Jako kolejny przykład, matryca Pentaxa K200D (firmy Sony ) mierzy 23,5×15,7 mm, podczas gdy współczesny sensor K20D (firmy Samsung ) mierzy 23,4×15,6 mm.

Większość z tych formatów przetworników obrazu jest zbliżona do proporcji 3:2 filmu 35 mm. Ponownie, system Cztery Trzecie jest godnym uwagi wyjątkiem, z proporcjami obrazu 4:3, jak w większości kompaktowych aparatów cyfrowych (patrz poniżej).

Mniejsze czujniki

Większość czujników jest przeznaczona do telefonów z aparatem, kompaktowych aparatów cyfrowych i aparatów typu bridge. Większość przetworników obrazu wyposażonych w aparaty kompaktowe ma współczynnik proporcji 4:3. Jest to zgodne z proporcjami popularnych rozdzielczości wyświetlania SVGA , XGA i SXGA w czasach pierwszych aparatów cyfrowych, umożliwiając wyświetlanie obrazów na zwykłych monitorach bez przycinania.

Od grudnia 2010 roku większość kompaktowych aparatów cyfrowych wykorzystywała małe przetworniki 1/2,3". Takie aparaty to Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 i Nikon Coolpix S9100. Niektóre starsze aparaty cyfrowe (głównie z lat 2005-2010) wykorzystywały jeszcze mniejsze 1/2.5" sensory: są to między innymi Panasonic Lumix DMC-FS62, Canon Powershot SX120 IS, Sony Cyber-shot DSC-S700 oraz Casio Exilim EX-Z80.

Począwszy od 2018 r., wysokiej klasy aparaty kompaktowe wykorzystujące jednocalowe czujniki, które mają prawie czterokrotnie większą powierzchnię niż te, które są wyposażone w typowe kompakty, obejmują Canon PowerShot z serii G (G3 X do G9 X), Sony DSC serii RX100, Panasonic Lumix TZ100 i Panasonic DMC- LX15. Canon ma matrycę APS-C w swoim topowym modelu PowerShot G1 X Mark III.

Przez wiele lat, aż do września 2011 r., istniała luka między rozmiarami matryc kompaktowych aparatów cyfrowych i lustrzanek cyfrowych. Oś x to dyskretny zestaw rozmiarów czujników stosowanych w aparatach cyfrowych, a nie liniowa oś pomiaru.

Wreszcie, Sony ma w swojej ofercie aparaty DSC-RX1 i DSC-RX1R, które mają pełnoklatkowy czujnik zwykle używany tylko w profesjonalnych lustrzankach cyfrowych, SLT i MILC.

Ze względu na ograniczenia wielkości obiektywów z dużym zoomem , większość obecnych aparatów typu bridge ma czujniki 1/2,3 cala, tak małe jak te stosowane w zwykłych, bardziej kompaktowych aparatach. Ponieważ rozmiary obiektywów są proporcjonalne do rozmiaru czujnika obrazu, mniejsze czujniki umożliwiają duże powiększenie obiektywy średniej wielkości. W 2011 roku wysokiej klasy Fujifilm X-S1 został wyposażony w znacznie większą matrycę 2/3". W latach 2013-2014 zarówno Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ), jak i Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) produkowały kamery mostowe z przetwornikami 1".

Sensory telefonów z aparatami są zazwyczaj znacznie mniejsze niż w typowych aparatach kompaktowych, co pozwala na większą miniaturyzację komponentów elektrycznych i optycznych. Rozmiary czujników około 1/6" są powszechne w telefonach z aparatami, kamerach internetowych i kamerach cyfrowych . Pod koniec 2011 roku czujnik 1/1,83" w Nokia N8 był największym w telefonie. Nokia 808 przewyższa kompaktowe aparaty dzięki 41 milionom pikseli. , czujnik 1/1,2".

Średnioformatowe czujniki cyfrowe

Największe matryce cyfrowe w dostępnych na rynku aparatach określane są jako średni format , w odniesieniu do formatów filmowych o zbliżonych wymiarach. Chociaż tradycyjna klisza średniego formatu 120 zwykle miała jedną stronę o długości 6 cm (druga od 4,5 do 24 cm), najczęściej opisane poniżej rozmiary czujników cyfrowych to około 48 mm × 36 mm (1,9 cala × 1,4 cala), co jest mniej więcej dwa razy większy od formatu pełnoklatkowej matrycy cyfrowej lustrzanki .

Dostępne matryce CCD obejmują cyfrowy tył Phase One P65+ z matrycą Dalsa 53,9 mm × 40,4 mm (2,12 cala × 1,59 cala) zawierającą 60,5 megapikseli oraz lustrzankę cyfrową Leica „S-System” o wymiarach 45 mm × 30 mm (1,8 w × 1,2 cala) czujnik zawierający 37 megapikseli. W 2010 roku Pentax wypuścił 40MP 645D średnioformatową lustrzankę cyfrową z czujnikiem CCD 44 mm × 33 mm (1,7 cala × 1,3 cala); późniejsze modele serii 645 zachowały ten sam rozmiar czujnika, ale zastąpiły CCD czujnikiem CMOS. W 2016 roku Hasselblad ogłosił X1D, A 50MP średniego formatu bez lustra aparatu, z 44 mm x 33 mm (1.7 x 1,3 cala) CMOS. Pod koniec 2016 r. Fujifilm ogłosiła również wprowadzenie na rynek nowego średniego formatu Fujifilm GFX 50S , bezlusterkowca , z matrycą CMOS 43,8 mm × 32,9 mm (1,72 cala × 1,30 cala) i 51,4 MP.

Tabela formatów i rozmiarów czujników

Rozmiary sensorów wyrażane są w notacji calowej, ponieważ w czasach popularyzacji cyfrowych sensorów obrazu zastępowały one tubusy kamer wideo . Popularne okrągłe tubusy kamer wideo o średnicy zewnętrznej 1" mają prostokątny obszar światłoczuły o przekątnej około 16 mm, więc czujnik cyfrowy o przekątnej 16 mm jest odpowiednikiem tubusu wideo 1". Nazwę 1-calowego czujnika cyfrowego należy dokładniej odczytywać jako „jednocalowy odpowiednik kineskopu kamery wideo”. Obecne deskryptory rozmiaru cyfrowego czujnika obrazu to odpowiedni rozmiar kineskopu kamery wideo, a nie rzeczywisty rozmiar czujnika. Na przykład Czujnik 1" ma przekątną 16 mm.

Rozmiary są często wyrażane jako ułamek cala, z jedynką w liczniku i liczbą dziesiętną w mianowniku. Na przykład 1/2.5 konwertuje na 2/5 jako prosty ułamek lub 0,4 jako liczbę dziesiętną. Ten „calowy” system daje wynik około 1,5-krotności długości przekątnej czujnika. Ten „ format optyczny ” wywodzi się ze sposobu, w jaki wyrażano rozmiary obrazu z kamer wideo używanych do późnych lat 80. XX wieku, odnosząc się do zewnętrznej średnicy szklanej osłony tubusu kamery wideo . David Pogue z The New York Times stwierdza, że ​​„rzeczywisty rozmiar matrycy jest znacznie mniejszy niż to, co publikują firmy fotograficzne – o około jedną trzecią mniejszy”. Np. kamera reklamująca czujnik 1/2,7" nie ma czujnika o przekątnej 0,37"; zamiast tego przekątna jest bliższa 0,26”. Zamiast „formatów” te rozmiary czujników są często nazywane typami , jak w „1/2-calowym przetworniku CCD”.

Ze względu na brak standaryzacji formatów czujników opartych na calach, ich dokładne wymiary mogą się różnić, ale wymienione są typowe. Wymienione obszary czujnika obejmują więcej niż współczynnik 1000 i są proporcjonalne do maksymalnego możliwego zbierania światła i rozdzielczości obrazu (ta sama prędkość obiektywu , tj. minimalna liczba F ), ale w praktyce nie są wprost proporcjonalne do szumu obrazu lub rozdzielczości ze względu na do innych ograniczeń. Zobacz porównania. Dla porównania uwzględniono również rozmiary formatów folii. Przykłady zastosowań telefonu lub aparatu mogą nie pokazywać dokładnych rozmiarów czujnika.

Zobacz też

• Pełnoklatkowa cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa
• Rozmiar czujnika i kąt widzenia
• Odpowiednik ogniskowej 35 mm
• Format filmu
• Fotografia cyfrowa a fotografia filmowa
• Lista kamer wideo z wymiennymi obiektywami z dużymi matrycami
• Lista czujników stosowanych w aparatach cyfrowych
• Kąt widzenia
• Współczynnik upraw
• Pole widzenia

Uwagi i referencje

Zewnętrzne linki

• Eric Fossum: Photons to Bits and Beyond: The Science & Technology of Digital , 13 października 2011 (nagranie wideo z wykładu na YouTube)
• Joseph James: Równoważność w Joseph James Photography
• Simon Tindemans: Alternatywne parametry fotograficzne: podejście niezależne od formatu w pudełku na buty XXI wieku
• Tryby aparatu kompaktowego High ISO: oddzielanie faktów od szumu na stronie dpreview.com, maj 2007 r.
• Najlepszym kompromisem dla kompaktowego aparatu jest czujnik z 6 milionami pikseli lub lepszy czujnik o rozmiarze piksela >3μm przy 6mpixel.org