РАЗМЕРЫ ДАТЧИКА ЦИФРОВОЙ КАМЕРЫ
Эта статья направлена на то, чтобы ответить на вопрос:как размер сенсора вашей цифровой камеры влияет на различные типы фотографии? Выбор размера сенсора аналогичен выбору между 35-мм пленочными камерами среднего и большого формата — с несколькими заметными отличиями, уникальными для цифровых технологий. В этой теме часто возникает много путаницы, потому что существует так много разных вариантов размера и так много компромиссов, связанных с глубиной резкости, шумом изображения, дифракцией, стоимостью и размером/весом.
Справочную информацию по этой теме можно найти в руководстве по датчикам цифровых камер.
ОБЗОР РАЗМЕРОВ ДАТЧИКОВ
Размеры датчиков в настоящее время имеют множество вариантов, в зависимости от их использования, цены и желаемой мобильности. Относительный размер многих из них показан ниже:
Серии Canon 1Ds/5D и Nikon D3 являются наиболее распространенными полнокадровыми датчиками. Все камеры Canon, такие как Rebel/60D/7D, имеют кроп-фактор 1,6X, в то время как основные зеркальные камеры Nikon имеют кроп-фактор 1,5X. Приведенная выше диаграмма не включает кроп-фактор 1,3X, который используется в камерах Canon серии 1D.
В телефонах с камерой и других компактных камерах используются датчики размером от ~ 1/4 дюйма до 2/3 дюйма. Olympus, Fuji и Kodak объединились для создания стандартной системы 4/3, которая имеет двукратный кроп-фактор по сравнению с 35-мм пленкой. Существуют датчики среднего и большего размера, однако они гораздо менее распространены и в настоящее время чрезмерно дороги. Таким образом, они не будут рассматриваться здесь конкретно, но по-прежнему применяются те же принципы.
Кроп-фактор и множитель фокусного расстояния
Кроп-фактор — это размер диагонали сенсора по сравнению с полнокадровым 35-мм сенсором. . Он так называется, потому что при использовании 35-мм объектива такой датчик эффективно обрезает большую часть изображения снаружи (из-за его ограниченного размера).
Угол обзора полного кадра 35 мм Сначала может показаться, что удаление информации об изображении никогда не бывает идеальным, однако у этого есть свои преимущества. Почти все объективы имеют наибольшую резкость в центре, а качество постепенно ухудшается к краям. Это означает, что кадрированный сенсор эффективно отбрасывает части изображения самого низкого качества. , что весьма полезно при использовании объективов низкого качества (так как они обычно имеют наихудшее качество краев).
Необрезанная фотография 
Центр кадрирования 
Обрезка углов С другой стороны, это также означает, что человек носит с собой объектив гораздо большего размера, чем необходимо, — фактор, особенно важный для тех, кто носит камеру в течение длительного периода времени (см. Раздел ниже). В идеале можно было бы использовать почти весь свет изображения, проходящий через линзу, и эта линза должна быть достаточно высокого качества, чтобы изменение ее резкости было незначительным по краям.
Кроме того, оптические характеристики широкоугольных объективов редко бывают такими же хорошими, как у объективов с большим фокусным расстоянием. . Поскольку кроп-сенсор вынужден использовать более широкоугольный объектив для получения того же угла обзора, что и сенсор большего размера, это может ухудшить качество. Датчики меньшего размера также больше увеличивают центральную область объектива, поэтому его предел разрешения, вероятно, будет более очевидным для объективов более низкого качества. Дополнительные сведения см. в руководстве по качеству объектива камеры.
Точно так же множитель фокусного расстояния связывает фокусное расстояние объектива, используемого в меньшем формате, с объективом 35 мм, обеспечивающим эквивалентный угол обзора. и равен кроп-фактору. Это означает, что объектив 50 мм, используемый на матрице с кроп-фактором 1,6 X, будет давать такое же поле зрения, как объектив 1,6 x 50 =80 мм на полнокадровой матрице 35 мм.
Имейте в виду, что оба этих термина могут вводить в заблуждение. Фокусное расстояние объектива не меняется только потому, что объектив используется на датчике другого размера — только его угол обзора. Объектив 50 мм всегда остается объективом 50 мм, независимо от типа сенсора. В то же время "кроп-фактор" может не подходить для описания очень маленьких сенсоров, поскольку изображение не обязательно обрезается (при использовании объективов, разработанных для этого сенсора).
РАЗМЕР ОБЪЕКТИВА И ВЕС
Для сенсоров меньшего размера требуются более легкие линзы (для эквивалентного угла обзора, диапазона увеличения, качества сборки и диапазона диафрагмы). Это различие может иметь решающее значение для съемки дикой природы, пеших прогулок и путешествий, поскольку во всех этих случаях часто используются более тяжелые объективы или требуется перенос оборудования в течение продолжительных периодов времени. На приведенной ниже диаграмме показана эта тенденция для ряда телеобъективов Canon, типичных для съемки спорта и дикой природы:
Следствием этого является то, что если требуется, чтобы объект занимал ту же часть изображения на 35-мм камере, что и при использовании объектива 200 мм f/2,8 на камере с 1,5-кратным кроп-фактором (требуется 300 мм f/2,8). объектив), нужно было бы нести в 3,5 раза больше веса! Это также игнорирует разницу в размерах между ними, что может быть важно, если кто-то не хочет привлекать внимание общественности. Кроме того, более тяжелые объективы обычно стоят намного дороже.
Для зеркальных камер больший размер сенсора приводит к более крупным и четким изображениям в видоискателе, что может быть особенно полезно при ручной фокусировке. Однако они также будут тяжелее и будут стоить дороже, поскольку для передачи света от объектива в видоискатель и к вашему глазу требуется призма или пентазеркало большего размера.
Требования к глубине резкости
По мере увеличения размера сенсора глубина резкости будет уменьшаться для данной диафрагмы (при заполнении кадра объектом того же размера и расстояния). Это связано с тем, что большие датчики требуют приближения к объекту или использования большего фокусного расстояния для заполнения кадра. с этим предметом. Это означает, что нужно использовать постепенно меньшие размеры апертуры, чтобы поддерживать одинаковую глубину резкости на больших датчиках. Следующий калькулятор рассчитывает необходимую диафрагму и фокусное расстояние для достижения одинаковой глубины резкости (при сохранении перспективы).
*Если желательна та же перспектива.
В качестве примера расчета:если нужно воспроизвести ту же перспективу и глубину резкости на полнокадровой матрице, что и при использовании 10-мм объектива при f/11 на камере с кроп-фактором 1,6X, необходимо использовать Объектив 16 мм и диафрагма примерно f/18. В качестве альтернативы, если бы кто-то использовал объектив 50 мм f/1,4 на полнокадровой матрице, это дало бы такую малую глубину резкости, что потребовалась бы апертура 0,9 на камере с коэффициентом кадрирования 1,6X, что невозможно с потребительскими объективами!
Портрет (мелкая глубина резкости)
Пейзаж (большая глубина резкости)
Меньшая глубина резкости может быть желательна для портретов, потому что она улучшает размытие фона, тогда как большая глубина резкости желательна для пейзажной фотографии. Вот почему компактным камерам сложно добиться значительного размытия фона при съемке портретов, а крупноформатным камерам не удается обеспечить достаточную глубину резкости при съемке пейзажей.
Обратите внимание, что приведенный выше калькулятор предполагает, что у вас есть объектив на новом датчике (№ 2), который может воспроизводить тот же угол обзора, что и на исходном датчике (№ 1). Если вместо этого вы используете тот же объектив, то требования к диафрагме останутся прежними (но вам придется приблизиться к объекту). Однако этот параметр также меняет перспективу.
ВЛИЯНИЕ ДИФРАКЦИИ
Датчики большего размера могут использовать меньшие апертуры до того, как дифракционный диск Эйри станет больше, чем кружок нерезкости (определяется размером отпечатка и критериями резкости). В первую очередь это связано с тем, что большие сенсоры не нужно увеличивать настолько сильно, чтобы получить тот же размер отпечатка. В качестве примера:теоретически можно использовать цифровой датчик размером 8x10 дюймов, и тогда его изображение вообще не нужно будет увеличивать для отпечатка 8x10 дюймов, тогда как для датчика 35 мм потребуется значительное увеличение.
Используйте следующий калькулятор, чтобы оценить, когда дифракция начинает снижать резкость. Обратите внимание, что это отображается только тогда, когда дифракция будет видна при просмотре на экране в масштабе 100% — будет ли это видно на окончательном отпечатке, также зависит от расстояния просмотра и размера отпечатка. Чтобы рассчитать это, пожалуйста, посетите:пределы дифракции и фотография.
Имейте в виду, что начало дифракции постепенное, поэтому апертуры, немного большие или меньшие, чем указанный выше предел дифракции, не будут внезапно выглядеть лучше или хуже, соответственно. Кроме того, вышеизложенное является лишь теоретическим пределом; фактические результаты также будут зависеть от характеристик объектива. На следующих диаграммах показан размер диска Эйри (теоретическая максимальная разрешающая способность) для двух апертур на сетке, представляющей размер пикселя:
Пределы плотности пикселей Разрешение (требование малой глубины резкости)
Разрешение ограничений Airy Disk (требование глубокой глубины резкости)
Важным следствием приведенных выше результатов является то, что размер пикселя, ограниченный дифракцией, увеличивается для больших сенсоров. (если требования к глубине резкости остаются прежними). Этот размер пикселя относится к случаю, когда размер воздушного диска становится ограничивающим фактором для общего разрешения, а не плотность пикселей. Кроме того, глубина резкости, ограниченная дифракцией, постоянна для датчиков всех размеров. Этот фактор может иметь решающее значение при выборе новой камеры для предполагаемого использования, поскольку большее количество пикселей не обязательно обеспечивает большее разрешение (для ваших требований к глубине резкости). На самом деле, большее количество пикселей может даже ухудшить качество изображения из-за увеличения шума и уменьшения динамического диапазона (следующий раздел).
РАЗМЕР ПИКСЕЛЯ:УРОВЕНЬ ШУМА И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН
Датчики большего размера, как правило, также имеют более крупные пиксели (хотя это не всегда так), что дает им возможность производить меньший шум изображения и иметь более широкий динамический диапазон. Динамический диапазон описывает диапазон тонов, которые датчик может зафиксировать ниже, когда пиксель становится полностью белым, но еще выше, когда текстура неотличима от фонового шума (почти черный). Поскольку более крупные пиксели имеют больший объем и, следовательно, больший диапазон фотонной емкости, они обычно имеют более высокий динамический диапазон.
Примечание:полости показаны без цветных фильтров
Кроме того, более крупные пиксели получают больший поток фотонов в течение заданного времени экспозиции (при той же диафрагме), поэтому их световой сигнал намного сильнее. При заданном уровне фонового шума это дает более высокое отношение сигнал/шум и, следовательно, более плавное изображение.
Большие пиксели (с датчиком большего размера)
Меньше пикселей (с датчиком меньшего размера)
Однако это не всегда так, потому что количество фонового шума также зависит от процесса изготовления сенсора и от того, насколько эффективно камера извлекает тональную информацию из каждого пикселя (без внесения дополнительного шума). Однако в целом указанная выше тенденция сохраняется. Еще один аспект, который следует учитывать, заключается в том, что даже если два датчика имеют одинаковый видимый шум при просмотре в масштабе 100 %, датчик с большим количеством пикселей будет давать более чистый окончательный отпечаток. . Это связано с тем, что шум увеличивается меньше для датчика с большим количеством пикселей (для данного размера отпечатка), поэтому этот шум имеет более высокую частоту и, следовательно, выглядит более мелкозернистым.
СТОИМОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ
Стоимость цифрового датчика резко возрастает по мере увеличения его площади. Это означает, что датчик с удвоенной площадью будет стоить более чем в два раза дороже, поэтому вы фактически платите больше за единицу «недвижимости датчика» по мере перехода к большим размерам.
Кремниевая пластина(разделена на маленькие датчики)
Кремниевая пластина(разделена на большие датчики)
Это можно понять, посмотрев, как производители делают свои цифровые датчики. Каждый датчик вырезается из более крупного листа кремниевого материала, называемого пластиной, которая может содержать тысячи отдельных чипов. Каждая пластина чрезвычайно дорогая (тысячи долларов), поэтому меньшее количество чипов на пластину приводит к гораздо более высокой стоимости чипа. Кроме того, вероятность неустранимого дефекта (слишком много горячих пикселей или что-то другое) в данном датчике увеличивается с увеличением площади датчика, поэтому процент пригодных для использования датчиков снижается с увеличением площади датчика (выход на пластину). Если предположить, что эти факторы (количество чипов на пластину и производительность) являются наиболее важными, затраты возрастают пропорционально квадрату площади сенсора (сенсор в 2 раза больше стоит в 4 раза дороже). Реальное производство имеет более сложную взаимосвязь размера и стоимости, но это дает вам представление о стремительном росте затрат.
Однако это не означает, что датчики определенных размеров всегда будут чрезмерно дорогими; их цена может в конечном итоге упасть, но относительная стоимость датчика большего размера, вероятно, останется значительно дороже (на единицу площади) по сравнению с датчиком меньшего размера.
ДРУГИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Некоторые линзы доступны только для датчиков определенных размеров (или может не работать, как предполагалось в противном случае), что также может быть соображением, если это помогает вашему стилю фотографии. Одним из примечательных типов являются линзы с наклоном / сдвигом, которые позволяют увеличивать (или уменьшать) кажущуюся глубину резкости с помощью функции наклона. Объективы с наклоном/сдвигом также могут использовать смещение для управления перспективой и уменьшения (или устранения) сходящихся вертикальных линий, вызванных наведением камеры выше или ниже горизонта (полезно в архитектурной фотографии). Кроме того, светосильные сверхширокоугольные объективы (f/2,8 или больше) не так распространены для кроп-сенсоров, что может быть решающим фактором при необходимости в спорте или фотожурналистике.
ВЫВОДЫ:ОБЩИЕ ДЕТАЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНКУРИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ
Глубина резкости намного меньше для датчиков большего формата, однако можно также использовать меньшую апертуру до достижения дифракционного предела (для выбранного вами размера отпечатка и критериев резкости). Итак, у какого варианта есть потенциал для получения наиболее детального снимка? Датчики большего размера (и, соответственно, большее количество пикселей), несомненно, дают больше деталей, если вы можете позволить себе пожертвовать глубиной резкости. С другой стороны, если вы хотите сохранить одинаковую глубину резкости, датчик большего размера не обязательно дает преимущество в разрешении. . Кроме того, дифракционная глубина резкости одинакова для сенсоров всех размеров. . Другими словами, если использовать наименьшую апертуру до того, как дифракция станет существенной, датчики всех размеров будут давать одинаковую глубину резкости, даже если апертура, ограниченная дифракцией, будет разной.
Технические примечания :Этот результат предполагает, что размер вашего пикселя сравним с размером воздушного диска с дифракционным ограничением для каждого рассматриваемого сенсора, и что каждый объектив имеет сравнимое качество. Кроме того, функция наклона объектива гораздо более распространена в камерах большего формата, позволяя изменять угол фокальной плоскости и, следовательно, увеличивать видимое DoF. 
Другой важный результат заключается в том, что если ограничивающим фактором является глубина резкости, требуемое время экспозиции увеличивается с размером сенсора при той же чувствительности. Этот фактор, вероятно, наиболее актуален для макросъемки и съемки ночных пейзажей. Обратите внимание, что даже если фотографии можно сделать с рук в меньшем формате, те же самые фотографии не обязательно можно сделать с рук в большем формате.
С другой стороны, время экспозиции может не обязательно увеличиваться настолько сильно, как можно было предположить изначально, потому что датчики большего размера обычно имеют более низкий уровень шума (и, таким образом, могут позволить использовать более высокую настройку чувствительности ISO при сохранении аналогичного воспринимаемого шума).
В идеале воспринимаемый уровень шума (при заданном размере отпечатка) обычно уменьшается с увеличением сенсора цифровой камеры (независимо от размера пикселя) .
Независимо от размера пикселя, датчики большего размера неизбежно имеют большую площадь сбора света. Теоретически датчик большего размера с меньшими пикселями по-прежнему будет иметь меньший видимый шум (для данного размера отпечатка), чем датчик меньшего размера с большими пикселями (и, как следствие, гораздо меньшее общее количество пикселей). Это связано с тем, что шум в камере с более высоким разрешением увеличивается меньше, даже если он может выглядеть более шумным при 100% увеличении на экране вашего компьютера. В качестве альтернативы можно усреднить соседние пиксели в датчике с большим числом пикселей (таким образом уменьшив случайный шум), при этом достигнув разрешения датчика с меньшим количеством пикселей. Вот почему изображения, уменьшенные для Интернета, и мелкие шрифты выглядят так без шума.
Технические примечания :Все это предполагает, что различия в эффективности микролинз и расстоянии между пикселями незначительны. Если расстояние между пикселями должно оставаться постоянным (из-за считывания и других схем на чипе), то более высокая плотность пикселей приведет к меньшей площади сбора света, если только микролинзы не смогут компенсировать эту потерю. Кроме того, при этом не учитывается влияние фиксированного шаблона или шумов темнового тока, которые могут значительно различаться в зависимости от модели камеры и схемы считывания.В целом:большие сенсоры обычно обеспечивают больший контроль и большую художественную гибкость, но за счет увеличения объективов и более дорогого оборудования . Эта гибкость позволяет создать меньшую глубину резкости, чем это возможно с датчиком меньшего размера (при желании), но при этом достичь глубины резкости, сравнимой с датчиком меньшего размера, с использованием более высокой чувствительности ISO и меньшей диафрагмы (или при использовании штатива). ).