Формат датчика изображения

Форма и размер датчика изображения цифровой камеры

Сравнительные размеры датчиков

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 определенным 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 обзора в таких камерах.

Размер сенсора часто выражается как оптический формат в дюймах. Также используются другие меры; см. таблицу форматов и размеров сенсора ниже.

Объективы, предназначенные для 35-мм пленочных камер, могут хорошо устанавливаться на цифровые камеры, но больший круг изображения системного объектива 35 мм пропускает нежелательный свет в корпус камеры, а меньший размер датчика изображения по сравнению с форматом пленки 35 мм приводит к кадрированию изображения. Этот последний эффект известен как кадрирование поля зрения. Соотношение размеров формата (относительно формата пленки 35 мм) известно как фактор кадрирования поля зрения, фактор кадрирования, коэффициент объектива, коэффициент преобразования фокусного расстояния, множитель фокусного расстояния или множитель объектива.

Размер сенсора и глубина резкости

Обсуждаются три возможных сравнения глубины резкости между форматами с применением формул, выведенных в статье о глубине резкости . Глубины резкости трех камер могут быть одинаковыми или разными в любом порядке, в зависимости от того, что сохраняется постоянным при сравнении.

Рассмотрим снимок с одинаковым расстоянием до объекта и углом обзора для двух разных форматов:

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

поэтому глубины резкости обратно пропорциональны абсолютным диаметрам апертуры и . ${\displaystyle d_{1}}$ ${\displaystyle d_{2}}$

Использование одинакового абсолютного диаметра диафрагмы для обоих форматов с критерием «одинаковая картинка» (равный угол обзора, увеличенный до одинакового конечного размера) дает одинаковую глубину резкости. Это эквивалентно настройке числа f обратно пропорционально кроп-фактору — меньшее число f для меньших датчиков (это также означает, что при фиксированной выдержке экспозиция изменяется путем регулировки числа f, необходимого для выравнивания глубины резкости. Но площадь диафрагмы остается постоянной, поэтому датчики всех размеров получают одинаковое общее количество световой энергии от объекта. Меньший датчик тогда работает при более низкой настройке ISO , на квадрат кроп-фактора). Это условие равного поля зрения, равной глубины резкости, равного диаметра диафрагмы и равного времени экспозиции известно как «эквивалентность». ^[1]

И мы могли бы сравнить глубину резкости датчиков, получающих одинаковую фотометрическую экспозицию – вместо диаметра апертуры фиксируется число f – в этом случае датчики работают при одинаковой настройке ISO, но меньший датчик получает меньше общего света по отношению площади. Тогда отношение глубин резкости равно

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

где и — характерные размеры формата, а следовательно — относительный кроп-фактор между сенсорами. Именно этот результат порождает общее мнение, что сенсоры малого размера обеспечивают большую глубину резкости, чем сенсоры большого размера. ${\displaystyle l_{1}}$ ${\displaystyle l_{2}}$ ${\displaystyle l_{1}/l_{2}}$

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

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

На практике, если применить объектив с фиксированным фокусным расстоянием и фиксированной апертурой, рассчитанный на круг изображения, отвечающий требованиям большого сенсора, и адаптировать его, не меняя его физических свойств, к сенсорам меньших размеров, то ни глубина резкости, ни светосила не изменятся. ${\displaystyle \mathrm {lx=\,{\frac {lm}{m^{2}}}} }$

Размер сенсора, шум и динамический диапазон

Не принимая во внимание неоднородность фотореакции (PRNU) и вариацию темного шума, которые по сути не зависят от размера сенсора, шумы в сенсоре изображения представляют собой дробовой шум, шум считывания и темный шум. Общее отношение сигнал/шум сенсора (SNR), выраженное как сигнальные электроны относительно среднеквадратичного шума в электронах, наблюдаемое в масштабе одного пикселя, предполагая дробовой шум 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 — поток падающих фотонов (фотонов в секунду на площади пикселя), — квантовая эффективность , — время экспозиции, — темновой ток пикселя в электронах в секунду, — среднеквадратический шум считывания пикселя в электронах. ^[2] ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle Q_{e}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle N_{r}}$

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

Экспозиция и поток фотонов

Шум датчика изображения можно сравнивать между форматами для заданного фиксированного потока фотонов на площадь пикселя ( P в формулах); этот анализ полезен для фиксированного числа пикселей с площадью пикселя, пропорциональной площади сенсора, и фиксированного абсолютного диаметра апертуры для фиксированной ситуации получения изображения с точки зрения глубины резкости, предела дифракции на объекте и т. д. Или его можно сравнивать для фиксированной освещенности фокальной плоскости, соответствующей фиксированному числу f , в этом случае P пропорционален площади пикселя, независимо от площади сенсора. Формулы выше и ниже можно оценить для любого случая.

Шум выстрела

В приведенном выше уравнении отношение сигнал/ шум дробового шума определяется по формуле

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

Помимо квантовой эффективности, она зависит от падающего потока фотонов и времени экспозиции, что эквивалентно экспозиции и площади сенсора; 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 сенсоров разного размера с одинаковой квантовой эффективностью и количеством пикселей будет (для заданного конечного размера изображения) пропорционально квадратному корню площади сенсора (или линейному масштабному коэффициенту сенсора). Если экспозиция ограничена необходимостью достижения некоторой требуемой глубины резкости (при одинаковой выдержке), то экспозиции будут находиться в обратной зависимости от площади сенсора, что дает интересный результат: если ограничением является глубина резкости, шум кадра изображения не зависит от площади сенсора. Для объективов с одинаковым числом f отношение сигнал/шум увеличивается как квадратный корень площади пикселя или линейно с шагом пикселя. Поскольку типичные числа f для объективов для мобильных телефонов и цифровых зеркальных фотокамер находятся в одном диапазонеж /1,5–2интересно сравнить производительность камер с маленькими и большими сенсорами. Хорошая камера мобильного телефона с типичным размером пикселя 1,1 мкм (Samsung A8) будет иметь примерно в 3 раза худшее SNR из-за шума от выстрела, чем камера со сменным объективом с пикселем 3,7 мкм (Panasonic G85) и в 5 раз хуже, чем полнокадровая камера с пикселем 6 мкм (Sony A7 III). Принимая во внимание динамический диапазон, разница становится еще более заметной. Таким образом, тенденция увеличения количества «мегапикселей» в камерах мобильных телефонов за последние 10 лет была вызвана скорее маркетинговой стратегией продать «больше мегапикселей», чем попытками улучшить качество изображения.

Шум чтения

Шум чтения представляет собой сумму всех электронных шумов в цепочке преобразования для пикселей в матрице датчика. Чтобы сравнить его с фотонным шумом, его нужно соотнести с его эквивалентом в фотоэлектронах, что требует деления шума, измеренного в вольтах, на коэффициент преобразования пикселя. Для активного пиксельного датчика это определяется напряжением на входе (затворе) транзистора чтения, деленным на заряд, который генерирует это напряжение, . Это обратная величина емкости затвора транзистора чтения (и присоединенной плавающей диффузии), поскольку емкость . ^[3] Таким образом . ${\displaystyle CG=V_{rt}/Q_{rt}}$ ${\displaystyle C=Q/V}$ ${\displaystyle CG=1/C_{rt}}$

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

Учитывая отношение сигнал/шум из-за шума чтения при заданной экспозиции, сигнал будет масштабироваться как площадь сенсора вместе с шумом чтения, и поэтому шум чтения SNR не будет зависеть от площади сенсора. В ситуации с ограниченной глубиной резкости экспозиция большего сенсора будет уменьшаться пропорционально площади сенсора, и поэтому шум чтения SNR также уменьшится.

Темный шум

Темновой ток вносит два вида шума: темновое смещение, которое лишь частично коррелирует между пикселями, и дробовой шум, связанный с темновым смещением, который не коррелирует между пикселями. В приведенную выше формулу включен только компонент дробового шума Dt , поскольку некоррелированную часть темнового смещения трудно предсказать, а коррелированную или среднюю часть относительно легко вычесть. Средний темновой ток содержит вклады, пропорциональные как площади, так и линейному размеру фотодиода, с относительными пропорциями и масштабными коэффициентами, зависящими от конструкции фотодиода. ^[4] 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 мал, менее 50 e- в секунду, ^[5] таким образом, для типичного времени фотографической экспозиции темновой ток и связанные с ним шумы можно не учитывать. Однако при очень длительном времени экспозиции он может быть ограничивающим фактором. И даже при коротком или среднем времени экспозиции несколько выбросов в распределении темнового тока могут проявляться как «горячие пиксели». Обычно для астрофотографии датчики охлаждаются для уменьшения темнового тока в ситуациях, когда экспозицию можно измерить за несколько сотен секунд.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — это отношение наибольшего и наименьшего записываемого сигнала, наименьший из которых обычно определяется «полным уровнем шума». В литературе по датчикам изображения за минимальный уровень шума принимается шум считывания, поэтому ^[6] (обратите внимание, что шум считывания — это та же величина, которая упоминается в расчете SNR ^[2] ). ${\displaystyle DR=Q_{\text{max}}/\sigma _{\text{readout}}}$ ${\displaystyle \sigma _{readout}}$ ${\displaystyle N_{r}}$

Размер сенсора и дифракция

Разрешение всех оптических систем ограничено дифракцией . Один из способов рассмотрения эффекта, который дифракция оказывает на камеры, использующие датчики разных размеров, — это рассмотрение функции передачи модуляции (MTF). Дифракция является одним из факторов, которые вносят вклад в общую MTF системы. Другими факторами обычно являются MTF объектива, фильтра сглаживания и окна выборки сенсора. ^[7] Пространственная частота отсечки из-за дифракции через апертуру объектива равна

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

где λ — длина волны света, проходящего через систему, а N — f-число объектива. 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 ^[8] Таким образом, фактор MTF системы, основанный на дифракции, будет масштабироваться в соответствии с и, в свою очередь, в соответствии с (для той же длины волны света). ${\displaystyle \xi <\xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle \xi \geq \xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle 1/N}$

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

Для условий «одной и той же картинки», того же угла зрения, расстояния до объекта и глубины резкости, числа f находятся в соотношении , поэтому масштабный коэффициент для MTF дифракции равен 1, что приводит к выводу, что MTF дифракции при данной глубине резкости не зависит от размера сенсора. ${\displaystyle 1/C}$

В обоих случаях — «одинаковая фотометрическая экспозиция» и «одинаковый объектив» — число f не меняется, и, следовательно, пространственная граница отсечки и результирующая MTF на датчике остаются неизменными, в результате чего MTF на просматриваемом изображении масштабируется как увеличение или обратно пропорционально кроп-фактору.

Формат сенсора и размер объектива

Можно было бы ожидать, что линзы, подходящие для диапазона размеров сенсора, могут быть созданы путем простого масштабирования тех же конструкций пропорционально кроп-фактору. ^[9] Такое упражнение теоретически даст линзу с тем же f-числом и углом обзора, с размером, пропорциональным кроп-фактору сенсора. На практике простое масштабирование конструкций линз не всегда достижимо из-за таких факторов, как немасштабируемость производственных допусков , структурная целостность стеклянных линз разных размеров и доступные производственные технологии и затраты. Более того, для поддержания того же абсолютного количества информации в изображении (которое можно измерить как произведение пространства на полосу пропускания ^[10] ) линза для меньшего сенсора требует большей разрешающей способности. Разработка линзы « Тессар » обсуждается Нассом ^[11] и показывает ее преобразование изж /6.3объектив для пластинчатых камер, использующих исходную конфигурацию из трех групп, вплоть додиафрагма /2.85,2-миллиметровая четырехэлементная оптика с восемью чрезвычайно асферическими поверхностями, экономичная в производстве из-за своего небольшого размера. Ее производительность «лучше, чем у лучших 35-миллиметровых объективов, но только для очень маленького изображения».

Подводя итог, можно сказать, что по мере уменьшения размера сенсора, сопутствующие конструкции объективов будут меняться, часто довольно радикально, чтобы воспользоваться преимуществами производственных технологий, которые стали доступны благодаря уменьшению размера. Функциональность таких объективов также может использовать эти преимущества, при этом становятся возможными экстремальные диапазоны зума. Эти объективы часто очень велики по отношению к размеру сенсора, но с небольшим сенсором их можно поместить в компактный корпус.

Маленький корпус означает маленький объектив и маленький сенсор, поэтому, чтобы сделать смартфоны тонкими и легкими, производители смартфонов используют крошечный сенсор, обычно меньше 1/2,3", который используется в большинстве мостовых камер . Одно время только Nokia 808 PureView использовал сенсор 1/1,2", что почти в три раза больше сенсора 1/2,3". Более крупные сенсоры имеют преимущество в виде лучшего качества изображения, но с усовершенствованиями в технологии сенсоров меньшие сенсоры могут достичь результатов более ранних более крупных сенсоров. Эти усовершенствования в технологии сенсоров позволяют производителям смартфонов использовать сенсоры изображения размером всего 1/4", не жертвуя слишком большим качеством изображения по сравнению с бюджетными камерами типа «наведи и снимай». ^[12]

Активная область датчика

Для расчета угла обзора камеры следует использовать размер активной области сенсора. Под активной областью сенсора подразумевается область сенсора, на которой формируется изображение в данном режиме работы камеры. Активная область может быть меньше сенсора 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 работы камеры. Размер активной области и фокусное расстояние объектива определяют углы обзора. ^[13]

Размер сенсора и эффекты затенения

Полупроводниковые датчики изображения могут страдать от эффектов затенения при больших апертурах и на периферии поля изображения из-за геометрии светового конуса, проецируемого из выходного зрачка линзы в точку или пиксель на поверхности сенсора. Эффекты подробно обсуждаются Катриссом и Ванделлом. ^[14] В контексте этого обсуждения наиболее важным результатом из 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 светопропускание) системы объектива/пикселя должна быть меньше или равна геометрической протяженности системы микролинзы/фоторецептора. Геометрическая протяженность системы объектива/пикселя определяется как, где w _pixel — ширина пикселя, а ( f /#) _lens — f-число линзы объектива. Геометрические размеры системы микролинза/фоторецептор определяются по формуле, где w _{фоторецептор} — ширина фоторецептора, а ( f /#) _{микролинза} — диафрагменное число микролинзы. $${\displaystyle G_{\mathrm {objective} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}\,,}$$ $${\displaystyle G_{\mathrm {pixel} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\,,}$$

Чтобы избежать затенения, поэтому ${\textstyle G_{\mathrm {pixel} }\geq G_{\mathrm {objective} },}$ $${\displaystyle {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\geq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}.}$$

Если w _{фоторецептора} / w _{пикселя} = ff , линейный коэффициент заполнения линзы, то условие становится $${\displaystyle {(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }\leq {(f/\#)}_{\mathrm {objective} }\times {\mathit {ff}}\,.}$$

Таким образом, если необходимо избежать затенения, число f микролинзы должно быть меньше числа f снимающей линзы по крайней мере на коэффициент, равный линейному коэффициенту заполнения пикселя. Число f микролинзы в конечном счете определяется шириной пикселя и его высотой над кремнием, что определяет его фокусное расстояние. В свою очередь, это определяется высотой слоев металлизации, также известной как «высота стека». Для заданной высоты стека число f микролинз будет увеличиваться по мере уменьшения размера пикселя, и, таким образом, число f объектива, при котором происходит затенение, будет иметь тенденцию к увеличению. ^[a]

Для поддержания количества пикселей меньшие датчики будут иметь меньшие пиксели, в то время как в то же время меньшие числа объектива f требуются для максимального количества света, проецируемого на датчик. Для борьбы с эффектом, обсуждаемым выше, пиксели меньшего формата включают инженерные конструктивные особенности, позволяющие уменьшить число f их микролинз. Они могут включать упрощенные конструкции пикселей, которые требуют меньшей металлизации, «световоды», встроенные в пиксель, чтобы приблизить его видимую поверхность к микролинзе, и « освещение с обратной стороны », при котором пластина утончается, чтобы обнажить заднюю часть фотодетекторов, а слой микролинз размещается непосредственно на этой поверхности, а не на передней стороне с ее слоями проводки. ^[b]

Распространенные форматы датчиков изображения

Размеры датчиков, используемых в большинстве современных цифровых камер, относительно стандартного кадра 35 мм.

Для камер со сменными объективами

Некоторые профессиональные цифровые зеркальные фотокамеры, однообъективные зеркальные фотоаппараты и беззеркальные камеры используют полнокадровые датчики, эквивалентные размеру кадра 35-мм пленки.

Большинство цифровых зеркальных фотокамер, однообъективных зеркальных фотоаппаратов и беззеркальных фотокамер потребительского уровня используют относительно большие датчики, либо размером немного меньше кадра пленки APS -C, с кроп-фактором 1,5–1,6; либо на 30% меньше, с кроп-фактором 2,0 (это система Four Thirds , принятая Olympus и Panasonic ).

По состоянию на ноябрь 2013 года ^[update]существовала только одна беззеркальная модель, оснащенная очень маленьким сенсором, более типичным для компактных камер: Pentax Q7 с сенсором 1/1,7" (кроп-фактор 4,55). См. раздел Сенсоры, оснащенные компактными цифровыми камерами и камерофонами ниже.

В маркетинге используется множество различных терминов для описания форматов сенсоров DSLR/SLT/беззеркальных фотокамер, включая следующие:

• Полнокадровый цифровой зеркальный фотоаппарат площадью 860 мм2 ^с размерами сенсора, почти соответствующими размерам сенсора 35-мм пленки (36×24 мм) от Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony и Sigma .
• Стандартный формат APS-C площадью 370 мм2 ^от Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (кроп-фактор 1,5) (Однако фактическая пленка APS-C больше.)
• Площадь 330 мм ² APS-C меньшего формата от Canon (кроп-фактор 1,6)
• Площадь 225 мм2 ^, формат Micro Four Thirds System от Panasonic, Olympus, Black Magic и Polaroid (кроп-фактор 2,0)

К устаревшим и снятым с производства датчикам относятся:

• Площадь сенсора Leica M8 и M8.2 составляет 548 мм ² (кроп-фактор 1,33). Текущие сенсоры серии M фактически являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• Площадь 548 мм ² Формат APS-H от Canon для высокоскоростных профессиональных зеркальных камер (кроп-фактор 1,3). Текущие датчики серий 1D/5D фактически являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• Формат APS-H с площадью 548 мм ² для высококлассной беззеркальной камеры SD Quattro H от Sigma (кроп-фактор 1,35)
• Площадь 370 мм2 ^, формат APS-C, кроп-фактор 1,5 от Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• Формат Foveon X3 площадью 286 мм ² используется в зеркальных камерах серии SD Sigma и беззеркальных камерах серии DP (кроп-фактор 1,7). Более поздние модели, такие как SD1 , DP2 Merrill и большинство моделей серии Quattro, используют датчик Foveon с кроп-фактором 1,5; еще более поздняя беззеркальная камера Quattro H использует датчик APS-H Foveon с кроп-фактором 1,35.
• Площадь 225 мм2 ^, формат Four Thirds System от Olympus (кроп-фактор 2,0)
• Площадь 116 мм2 ^, формат 1" Nikon CX, используемый в серии Nikon 1 ^[17] и серии Samsung mini-NX (кроп-фактор 2,7)
• Площадь 43 мм ² 1/1,7" Pentax Q7 (кроп-фактор 4,55)
• Площадь 30 мм ² 1/2,3" оригинальный Pentax Q (кроп-фактор 5,6). Современные камеры серии Q имеют кроп-фактор 4,55.

Когда впервые появились полнокадровые датчики, производственные затраты могли превышать стоимость датчика APS-C в двадцать раз. На кремниевой пластине размером 8 дюймов (20 см) можно изготовить только двадцать полнокадровых датчиков, что позволило бы разместить 100 или более датчиков APS-C, и выход продукции значительно снизился из-за большой площади для загрязнений на компонент. Кроме того, изготовление полнокадровых датчиков изначально требовало трех отдельных экспозиций на каждом этапе процесса фотолитографии , что требует отдельных масок и этапов контроля качества. Canon выбрала промежуточный размер APS-H , поскольку на тот момент он был самым большим, который можно было нанести с помощью одной маски, что помогло контролировать производственные затраты и управлять выходом продукции. ^[18] Более новое фотолитографическое оборудование теперь позволяет производить однопроходную экспозицию для полнокадровых датчиков, хотя другие производственные ограничения, связанные с размером, остаются практически прежними.

Из-за постоянно меняющихся ограничений в производстве и обработке полупроводников , а также из-за того, что производители камер часто используют сенсоры сторонних литейных заводов , размеры сенсоров обычно немного различаются в пределах одного и того же номинального формата. Например, номинально полнокадровые сенсоры камер Nikon D3 и D700 на самом деле имеют размеры 36 × 23,9 мм, что немного меньше, чем кадр 36 × 24 мм 35-мм пленки. В качестве другого примера, сенсор Pentax K200D (производства Sony ) имеет размеры 23,5 × 15,7 мм, в то время как сенсор современной модели K20D (производства Samsung ) имеет размеры 23,4 × 15,6 мм.

Большинство этих форматов датчиков изображения приближаются к соотношению сторон 3:2 35-мм пленки. Опять же, система Four Thirds является заметным исключением с соотношением сторон 4:3, как в большинстве компактных цифровых камер (см. ниже).

Меньшие датчики

Большинство датчиков предназначены для камерофонов, компактных цифровых камер и мостовых камер. Большинство датчиков изображения, которыми оснащаются 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 ^[update]большинство компактных цифровых камер использовали небольшие датчики размером 1/2,3 дюйма. К таким камерам относятся Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 и Nikon Coolpix S9100. Некоторые старые цифровые камеры (в основном 2005–2010 годов) использовали еще меньшие датчики размером 1/2,5 дюйма: 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 к высококлассным компактным камерам, использующим датчики размером в один дюйм, которые имеют площадь, почти в четыре раза превышающую площадь обычных компактов, относятся Canon PowerShot G-серии (G3 X - G9 X), Sony DSC RX100 серии, Panasonic Lumix TZ100 и Panasonic DMC-LX15. Canon использует датчик APS-C в своей топовой модели PowerShot G1 X Mark III.

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

Наконец, в линейке Sony есть камеры DSC-RX1 и DSC-RX1R, оснащенные полнокадровым датчиком, который обычно используется только в профессиональных цифровых зеркальных фотокамерах, однообъективных зеркальных фотоаппаратах и ​​многофункциональных цифровых фотокамерах.

Из-за ограничений по размеру мощных зум-объективов большинство современных мостовых камер оснащены датчиками 1/2,3", такими же маленькими, как и те, которые используются в обычных более компактных камерах. Поскольку размеры объективов пропорциональны размеру датчика изображения, меньшие датчики обеспечивают большие значения зума с объективами среднего размера. В 2011 году высококлассная Fujifilm X-S1 была оснащена гораздо более крупным датчиком 2/3". В 2013–2014 годах и Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ), и Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) выпускали мостовые камеры с датчиками 1".

Датчики камерофонов, как правило, намного меньше, чем у типичных компактных камер, что позволяет добиться большей миниатюризации электрических и оптических компонентов. Размеры датчиков около 1/6" распространены в камерофонах, веб-камерах и цифровых видеокамерах . Датчик 1/1,83" Nokia N8 (2010) был самым большим в телефоне в конце 2011 года. Nokia 808 (2012) превосходит компактные камеры с 41 миллионом пикселей, датчиком 1/1,2". ^[19]

Цифровые датчики среднего формата

Самые большие цифровые датчики в коммерчески доступных камерах описываются как « средний формат », по отношению к форматам пленки схожих размеров. Хотя самая распространенная пленка среднего формата, рулон 120 , имеет ширину 6 см (2,4 дюйма) и чаще всего снимается квадратной формы, наиболее распространенные размеры цифровых датчиков «среднего формата» составляют приблизительно 48 мм × 36 мм (1,9 дюйма × 1,4 дюйма), что примерно в два раза больше размера полнокадрового формата датчика DSLR.

Доступные датчики CCD включают в себя цифровой задник Phase One P65+ с датчиком Dalsa размером 53,9 мм × 40,4 мм (2,12 дюйма × 1,59 дюйма), содержащим 60,5 мегапикселей ^[20] и цифровую зеркальную фотокамеру Leica «S-System» с датчиком размером 45 мм × 30 мм (1,8 дюйма × 1,2 дюйма), содержащим 37 мегапикселей. ^[21] В 2010 году Pentax выпустила среднеформатную цифровую зеркальную фотокамеру 40MP 645D с датчиком CCD размером 44 мм × 33 мм (1,7 дюйма × 1,3 дюйма); ^[22] более поздние модели серии 645 сохранили тот же размер датчика, но заменили CCD на датчик CMOS. В 2016 году Hasselblad анонсировала X1D, среднеформатную беззеркальную камеру с разрешением 50 МП и КМОП-датчиком размером 44 мм × 33 мм (1,7 дюйма × 1,3 дюйма). ^[23] В конце 2016 года Fujifilm также анонсировала на рынке свою новую среднеформатную беззеркальную камеру Fujifilm GFX 50S с КМОП-датчиком размером 43,8 мм × 32,9 мм (1,72 дюйма × 1,30 дюйма) и разрешением 51,4 МП. ^{[24] [25]}

Таблица форматов и размеров датчиков

Различные размеры датчиков Omnivision CMOS Один датчик OV7910 (1/3") и три датчика OV6920 (1/18"), оба типа с композитными видеовыходами ( NTSC ).

Размеры сенсоров выражены в дюймах, поскольку во времена популяризации цифровых сенсоров изображения они использовались для замены трубок видеокамер . Обычные круглые трубки видеокамер с внешним диаметром 1 дюйм имеют прямоугольную фоточувствительную область около16 мм по диагонали, поэтому цифровой датчик сРазмер диагонали 16 мм эквивалентен 1-дюймовой видеотрубке. Название 1-дюймового цифрового датчика точнее читать как «датчик, эквивалентный 1-дюймовой видеотрубке». Текущие дескрипторы размера цифрового датчика изображения — это эквивалентный размер видеотрубки, а не фактический размер датчика. Например, 1-дюймовый датчик имеет диагональное измерение16 мм . ^{[26] [27]}

Размеры часто выражаются в виде долей 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, приблизительно в 1,5 раза превышающий длину диагонали датчика. Эта мера « оптического формата » восходит к способу выражения размеров изображения видеокамер, использовавшихся до конца 1980-х годов, ссылаясь на внешний диаметр стеклянной оболочки трубки видеокамеры . Дэвид Поуг из The New York Times утверждает, что «фактический размер датчика намного меньше того, что публикуют компании-производители камер, — примерно на треть меньше». Например, камера, рекламирующая датчик 1/2,7", не имеет датчика с диагональю 0,37 дюйма (9,4 мм); вместо этого диагональ ближе к 0,26 дюйма (6,6 мм). ^{[28] [29] [30]} Вместо «форматов» эти размеры датчика часто называют типами , например «ПЗС-матрица 1/2-дюймового типа».

Из-за того, что форматы сенсоров на основе дюймов не стандартизированы, их точные размеры могут различаться, но перечисленные являются типичными. ^[29] Перечисленные области сенсора охватывают более чем в 1000 раз и пропорциональны максимально возможному сбору света и разрешению изображения (та же скорость объектива , т. е. минимальное число f ), но на практике не прямо пропорциональны шуму изображения или разрешению из-за других ограничений. См. сравнения. ^{[31] [32]} Размеры форматов пленки также включены для сравнения. Примеры применения телефона или камеры могут не показывать точные размеры сенсора.

1. Здесь определяется как эквивалентное количество потерянных (или приобретенных, если число положительное) стопов из-за площади датчика относительно полного35 мм рамка (36 мм × 24 мм ). Рассчитывается как ${\textstyle \mathrm {Stops} =\log _{2}\left({\frac {\mathrm {Area_{sensor}} }{\mathrm {Area_{35\ mm}} }}\right)\,.}$
2. Здесь определяется как отношение диагонали полного35 мм кадра по отношению к формату сенсора, то есть ${\textstyle \mathrm {CF} ={\frac {\mathrm {diag_{35\ mm}} }{\mathrm {diag_{sensor}} }}\,.}$

Смотрите также

• Полнокадровая цифровая зеркальная фотокамера
• Размер сенсора и угол обзора
• Эквивалентное фокусное расстояние 35 мм
• Формат фильма
• Цифровая и пленочная фотография
• Список видеокамер с большим сенсором и сменным объективом
• Список датчиков, используемых в цифровых камерах
• Угол зрения
• Фактор урожая
• Поле зрения

Примечания

1. Этот эффект наблюдался на практике, как указано в статье DxOmark «F-stop blues» ^[15]
2. Относительная эффективность этих стратагем подробно обсуждается Аптиной . ^[16]

Сноски и ссылки

1. «Что такое эквивалентность и почему меня это должно волновать?». Обзор DP . 2014-07-07 . Получено 2017-05-03 .
2. Fellers, Thomas J.; Davidson, Michael W. "Источники шума ПЗС и отношение сигнал-шум". Hamamatsu Corporation . Получено 20 ноября 2013 г.
3. Aptina Imaging Corporation. «Использование технологии динамического отклика пикселей для оптимизации динамического диапазона между сценами» (PDF) . Aptina Imaging Corporation . Получено 17 декабря 2011 г. .
4. Лукьянова, Наталья В.; Фолкертс, Хайн Отто; Маас, Йорис П.В.; Вербугт, Йорис П.В.; Даниэль В.Е. Миероп, Адри Дж.; Хёкстра, Виллем; Рокс, Эдвин и Тойвиссен, Альберт Дж.П. (январь 2003 г.). "Моделирование тока утечки тестовых структур для характеристики темнового тока в КМОП-датчиках изображения" (PDF) . IEEE Transactions on Electron Devices . 50 (1): 77–83. Bibcode :2003ITED...50...77L. doi :10.1109/TED.2002.807249 . Получено 17 декабря 2011 г. .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
5. "Темный граф". Apogee Imaging Systems . Получено 17 декабря 2011 г.
6. Кавуси, Сэм; Эль Гамаль, Аббас (2004). "Количественное исследование архитектур датчиков изображения с высоким динамическим диапазоном" (PDF) . В Blouke, Morley M; Sampat, Nitin; Motta, Ricardo J (ред.). Датчики и системы камер для научных, промышленных и цифровых фотографических приложений V . Том 5301. стр. 264–275. Bibcode :2004SPIE.5301..264K. doi :10.1117/12.544517. S2CID  14550103 . Получено 17 декабря 2011 г. .
7. Осуна, Рубен; Гарсия, Эфраин. «Превосходят ли датчики разрешение линз?». Светящийся пейзаж. Архивировано из оригинала 2 января 2010 года . Проверено 21 декабря 2011 г.
8. Бореман, Гленн Д. (2001). Функция передачи модуляции в оптических и электрооптических системах. SPIE Press. стр. 120. ISBN 978-0-8194-4143-0.
9. Ozaktas, Haldun M; Urey, Hakan; Lohmann, Adolf W. (1994). «Масштабирование дифракционных и рефракционных линз для оптических вычислений и взаимосвязей». Applied Optics . 33 (17): 3782–3789. Bibcode :1994ApOpt..33.3782O. doi :10.1364/AO.33.003782. hdl : 11693/13640 . PMID  20885771. S2CID  1384331.
10. Гудман, Джозеф В. (2005). Введение в Фурье-оптику, 3-е издание . Гринвуд-Виллидж, Колорадо: Roberts and Company. стр. 26. ISBN 978-0-9747077-2-3.
11. Nasse, HH "Из серии статей о названиях объективов: Tessar" (PDF) . Carl Zeiss AG. Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2012 г. . Получено 19 декабря 2011 г. .
12. Саймон Крисп (21 марта 2013 г.). «Размер сенсора камеры: почему это важно и насколько они велики?» . Получено 29 января 2014 г.
13. Станислав Уточкин. "Указание размера активной области датчика изображения" . Получено 21 мая 2015 г.
14. Catrysse, Peter B.; Wandell, Brian A. (2005). "Roadmap for CMOS image sensors: Moore meets Planck and Sommerfeld" (PDF) . В Sampat, Nitin; Dicarlo, Jeffrey M.; Motta, Ricardo J. (ред.). Digital Photography . Vol. 5678. p. 1. Bibcode :2005SPIE.5678....1C. CiteSeerX 10.1.1.80.1320 . doi :10.1117/12.592483. S2CID  7068027. Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2015 г. Получено 29 января 2012 г. 
15. DxOmark. "F-stop blues". DxOMark Insights . Архивировано из оригинала 25 января 2012 года . Получено 29 января 2012 года .
16. Aptina Imaging Corporation. "Объективный взгляд на FSI и BSI" (PDF) . Белая книга Aptina Technology . Получено 29 января 2012 г. .
17. "Nikon представляет беззеркальную камеру J1 с малым сенсором как часть системы Nikon 1", Digital Photography Review.
18. "Полнокадровые датчики CMOS Canon" (PDF) (пресс-релиз). 2006. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-28 . Получено 2013-05-02 .
19. http://europe.nokia.com/PRODUCT_METADATA_0/Products/Phones/8000-series/808/Nokia808PureView_Whitepaper.pdf Технический документ по технологии обработки изображений Nokia PureView
20. "The Phase One P+ Product Range". ФАЗА ОДИН. Архивировано из оригинала 2010-08-12 . Получено 2010-06-07 .
21. "Leica S2 с сенсором на 56% больше, чем у полнокадровой камеры" (пресс-релиз). Leica. 2008-09-23 . Получено 2010-06-07 .
22. "Pentax представляет среднеформатную цифровую зеркальную фотокамеру 40MP 645D" (пресс-релиз). Pentax. 2010-03-10 . Получено 2010-12-21 .
23. Джонсон, Эллисон (22.06.2016). "Беззеркальная камера среднего формата: Hasselblad представляет X1D". Обзор цифровой фотографии . Получено 26.06.2016 .
24. "Fujifilm объявляет о разработке новой среднеформатной беззеркальной камеры "GFX"" (пресс-релиз). Fujifilm . 2016-09-19.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
25. "Fujifilm's Medium Format GFX 50S поступит в продажу в феврале по цене 6500 долларов США". 2017-01-19.
26. Staff (7 октября 2002 г.). «Making (some) sense out of sensor sizes». Обзор цифровой фотографии . Получено 29 июня 2012 г.
27. Сотрудники. "Формат датчика изображения". Термины и определения глоссария изображений . РЕШЕНИЯ ДЛЯ ТОЧЕЧНОЙ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ. Архивировано из оригинала 26 марта 2015 г. Получено 3 июня 2015 г.
28. Поуг, Дэвид (22.12.2010). «Маленькие камеры с большими сенсорами и как их сравнивать». The New York Times .
29. Bockaert, Vincent. "Sensor Sizes: Camera System: Glossary: ​​Learn". Обзор цифровой фотографии . Архивировано из оригинала 2013-01-25 . Получено 2012-04-09 .
30. «Придание (некоторого) смысла размерам сенсоров».
31. Рейтинги сенсоров камер, архив 2012-03-21 на Wayback Machine DxOMark
32. Ресурс изображений: Образцы изображений Comparometer Ресурс изображений
33. "Разгадка размеров сенсора – фотообзор". www.photoreview.com.au . Получено 22.09.2016 .
34. Nokia Lumia 720 – Полные характеристики телефона, GSMArena.com, 25 февраля 2013 г. , получено 21 сентября 2013 г.
35. Размер сенсора камеры: почему это важно и насколько он большой?, Gizmag, 21 марта 2013 г. , получено 19 июня 2013 г.
36. "Диагональ 5,822 мм (тип 1/3,09) 16-мегапиксельный КМОП-датчик изображения с квадратным пикселем для цветных камер" (PDF) . Sony. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2019 г. . Получено 16 октября 2019 г. .
37. Сравнение характеристик iPhone, PhoneArena
38. "Диагональ 6,23 мм (тип 1/2,9) КМОП-датчик изображения с квадратным пикселем для цветных камер" (PDF) . Sony. 2015 . Получено 3 апреля 2019 .
39. "Разборка iPhone XS Max выявила новый сенсор с большим количеством фокусных пикселей". Обзор цифровой фотографии. 27 сентября 2018 г. Получено 1 марта 2019 г.
40. "Phantom 3 Professional - Дайте волю своему творчеству с камерой 4K в небе. - DJI". Официальный сайт DJI . Получено 01.12.2019 .
41. "DJI - Мировой лидер в производстве камер-дронов/квадрокоптеров для аэрофотосъемки". Официальный сайт DJI . Получено 01.12.2019 .
42. "Диагональ 7,87 мм (тип 1/2,3) 20,7-мегапиксельный КМОП-датчик изображения с квадратными пикселями для цветных камер" (PDF) . Sony. Сентябрь 2014 г. Архивировано из оригинала (PDF) 3 апреля 2019 г. . Получено 3 апреля 2019 г. .
43. "Samsung официально представила 108MP ISOCELL Bright HMX mobile camera sensor". Обзор цифровой фотографии. 12 августа 2019 г. Получено 16 февраля 2021 г.
44. "Диагональ 17,6 мм (тип 1.1) прибл. 12,37 млн ​​эффективных пикселей монохромный и цветной КМОП-датчик изображения" (PDF) . Sony. Март 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 г. Получено 3 апреля 2019 г.
45. "Hasselblad X1D-II 50c Datasheet" (PDF) . Hasselblad. 2019-06-01 . Получено 2022-04-09 .
46. "Технические характеристики GFX 50s". Fujifilm. 17 января 2019 г. Получено 09.04.2022 г.
47. ДАТЧИК ИЗОБРАЖЕНИЯ KODAK KAF-39000, СПЕЦИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТРОЙСТВА (PDF) , KODAK, 30 апреля 2010 г. , получено 09.02.2014 г.
48. Среднеформатная цифровая зеркальная камера Hasselblad H5D-60, B&H PHOTO VIDEO , получено 19 июня 2013 г.

Внешние ссылки

• Эрик Фоссум: От фотонов к битам и далее: наука и технология цифровых технологий, 13 октября 2011 г. (видеозапись лекции на YouTube)
• Джозеф Джеймс: Эквивалентность в Joseph James Photography
• Саймон Тиндеманс: Альтернативные фотографические параметры: независимый от формата подход в 21stcenturyshoebox
• Режимы высокой чувствительности ISO компактной камеры: отделяем факты от шумихи 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
• [2] на hasselblad.com