Почему кажется, что большие датчики необходимы для хорошей работы при слабом освещении?

Question

Производители телефонов недавно начали рекламировать размер фотосайтов на сенсорах камеры смартфона. Они утверждают, что большие фотосайты обеспечивают лучшую производительность при слабом освещении. Я думаю, что хорошей аналогией были бы производители автомобилей, утверждающие, что большие колеса приводят к более быстрым автомобилям. Правда, учитывая то же число f, больший фотосайт захватывает больше света, и с тем же числом оборотов оси, большие колеса заставляют автомобиль двигаться быстрее. Однако колеса большего размера означают, что к дороге прилагается меньшее усилие при одинаковом крутящем моменте двигателя, что отменяет эффект.

Я думал, что это будет то же самое для камер. Более крупный датчик требует большего фокусного расстояния для обеспечения того же поля зрения. При одинаковом размере входного зрачка это увеличивает число f, отменяя эффект захвата большего количества света. У меня сложилось впечатление, что число объективов камеры телефона f было ограничено самым большим размером входного зрачка, который может поместиться в смартфоне. Удивительно, но производители телефонов смогли увеличить входной зрачок настолько, чтобы поддерживать постоянное число f при увеличении размера датчика. Фактически, в некоторых случаях им даже удалось значительно снизить число f.

Аналогичное явление можно наблюдать в отношении полнокадровых и кадрирующих камер. Число f объектива для обрезки обычно, по крайней мере, так же велико, как у его полнокадрового аналога, и вряд ли есть быстрые простые объективы для камер обрезки вообще. Кажется, что намного легче получить большие входные зрачки на линзах, построенных для больших датчиков. Возьмите полнокадровый объектив 35 мм f / 1.4 с диаметром входного зрачка 25 мм. Разве невозможно построить подобную линзу, которая концентрирует свет, захваченный этим входным зрачком, в меньший круг изображения, подходящий для датчика обрезки, давая объектив 22 мм f / 0,88? Почему кажется, что большие датчики необходимы для хорошей работы при слабом освещении?

Примечание. Я знаю, что размер датчика также влияет на электрические характеристики, но здесь меня интересуют только оптические характеристики. Давайте представим, что датчики являются идеальными детекторами фотонов с бесконечным динамическим диапазоном, оставляя только дробовой шум для определения характеристик при слабом освещении. Предположим также, что все эти датчики имеют одинаковое количество фотосайтов.

Вопрос Почему датчики большего размера лучше при слабом освещении? не отвечает на мой вопрос, поскольку все ответы предполагают постоянное число f, что я и хотел бы оспорить.

РЕДАКТИРОВАТЬ: я должен отметить, что мой вопрос не о том, что происходит, когда вы устанавливаете полнокадровые линзы на кадрирующих телах. Очевидно, что это тратит впустую много света, захваченного линзой, так что это сравнение яблок с апельсинами в моей книге. Вместо этого мне интересно, почему так сложно сконцентрировать весь этот свет на круг изображения датчика обрезки, чтобы получить линзу, которая делает такое же общее количество света доступным для меньшего датчика.

Answer 1

Почему кажется, что большие датчики необходимы для хорошей работы при слабом освещении?

Поскольку при одинаковом количестве света, проходящего через объектив, датчик большего размера будет собирать больше.

Ваша аналогия с размерами шин имеет серьезные недостатки. Лучшей аналогией было бы увеличение диаметра цилиндров двигателя. Размер отдельных молекул топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндр, остается неизменным в больших цилиндрах, но вы можете поместить больше молекул топлива / воздуха в цилиндр и поддерживать одинаковое количество топлива / воздуха на кубический сантиметр рабочего объема цилиндра. , Таким образом, больший цилиндр будет давать большую мощность при той же плотности смеси топлива и воздуха. Для объектива камеры входной зрачок - это диаметр цилиндра, число f - плотность смеси топливо / воздух. Чтобы рассчитать общее количество топлива / воздуха (и, следовательно, энергии) в цилиндре, необходимо учесть плотность и смещение. Передаточные числа и размеры шин эквивалентны величине усиления, необходимой для повышения или понижения ISO. чувствительность.

Удивительно, но производители телефонов смогли увеличить входной зрачок настолько, чтобы поддерживать постоянное число f при увеличении размера датчика.

Причина, по которой число f так полезно, заключается в том, что оно является мерой плотности поля. Это не показатель общего количества света, проходящего через объектив. Скорее, это мера плотности поля света, излучаемого линзой на единицу площади поверхности датчика или пленки на фокусном расстоянии линзы. Объектив излучает одинаковое количество света на мм2 площади датчика независимо от его размера. Если объектив проецирует окружность изображения диаметром 44 мм, он достаточно большой, чтобы покрыть датчик FF 36x24 мм. Если этот же объектив установлен на камеру с датчиком размера APS-C, он по-прежнему проецирует тот же круг изображения шириной 44 мм, но датчик 24x16 мм с диагональю всего 29 мм и площадью поверхности всего 44% от размера датчик большего размера не собирает столько света в круге изображения, сколько датчик большего размера.

Мне интересно, почему так сложно сконцентрировать весь этот свет на круг изображения датчика обрезки, чтобы получить линзу, которая делает такое же общее количество света доступным для меньшего датчика.

Если вы модифицируете тот же объектив и уменьшите размер получаемого круга изображения так, чтобы весь собранный свет теперь проецировался в круг изображения только диаметром 29 мм (вместо 44 мм), вы изменили фокусировку длина объектива в 1 / 1,5Х раз. Таким образом, вы также изменили число f на тот же коэффициент. Вы сконцентрировали такое же общее количество света на меньшей площади, таким образом увеличивая плотность поля. Это справедливо, независимо от того, применяется ли оно к световым кружкам размера FF или APS-C или к 7,5 мм сенсорным чипам против 5 мм сенсорных микросхем. Вы также требовали, чтобы фокусное расстояние объектива было на 50% короче (как ни странно увеличивая толщину телефона, содержащего такую ​​прямолинейную ретро-фокусную линзу), либо чтобы материалы объектива были значительно плотнее при сохранении того же количества светопропускание (существенно увеличивает стоимость).

Почему не существует объективов, специально предназначенных для камер с датчиками кадрирования?

Число f объектива для обрезки обычно, по крайней мере, так же велико, как у его полнокадрового аналога, и вряд ли вообще есть быстрые простые объективы для камер обрезки.

Недавно было выпущено несколько объективов с зум-объективом для камеры, которые используют меньший круг изображения, необходимый для такой камеры, чтобы обеспечить более низкое число f. Например, объектив Sigma 18-35 мм f / 1,8, созданный для камер с сенсорным экраном. Самыми быстрыми зум-объективами для FF-камер обычно являются f / 2.8. Передний элемент объектива 35 мм f / 1,8 должен быть примерно того же диаметра, что и объектив 50 мм f / 2,8. По сути, объектив, такой как Sigma 18-35mm f / 1.8, использует дизайн объектива 28-50mm f / 2.8 FF и использует фокусный редуктор, чтобы сконцентрировать весь этот свет в круг изображения размера APS-C. Они могут делать это дешевле, потому что меньший круг изображения позволяет им больше не беспокоиться о коррекции аберраций в той же степени, в которой потребовался бы объектив FF 28-50 мм с лицевой панелью размером f / 1,8 и наведение большего круга изображения.

Существуют также более доступные зум-объективы, такие как Canon EF-S 17-55mm f / 2.8 или Tamron 17-50mm f / 2.8 Di II для камер с чувствительностью к кадрам, чем их аналоги с 24-70mm f / 2.8 FF.

Причина, по которой едва ли существуют какие-либо быстрые простые числа (или простые числа любого типа), сделанные специально для камер с обрезанным телом, заключается в том, что простые числа, сделанные для полнокадровых / 35-мм пленочных камер, прекрасно работают с камерами, использующими меньшие датчики. Обратное, однако, не так. Простые числа потребительского уровня, разработанные для камер FF, очень хорошо работают на обрезанных камерах, поскольку слабые стороны таких объективов почти всегда находятся по краям круга изображения, который выходит за пределы области обрезанных датчиков. И точно так же, как камеры с обрезанными датчиками, они намного более доступны, чем объективы премиум класса FF. Рыночный спрос на первоклассные объективы премиум-класса для обрезанных камер невелик, потому что, по-видимому, любой, кто хочет и способен платить за премиум-объективы, также желает и способен, по крайней мере, в конечном итоге, заплатить за полнокадровую камеру.

В чем преимущество датчика большего размера?

Предполагая, что такое же количество фотосайтов, больший сенсор имеет большие фотосайты. Это означает, что при одинаковой плотности поля света каждый фотосайт на большем сенсоре собирает больше общего света. Это также означает, что различия, вносимые случайностью распределения фотонов (шум от выстрела), усредняются более равномерно, что снижает общее воздействие. Если шум чтения для каждого фотосайта является постоянным независимо от размера фотосайта, то более крупный фотосайт даст лучшее отношение сигнал / шум как с точки зрения шума считывания, так и с точки зрения шума выстрела.

И хотя ваш вопрос пытается его исключить, разница в эффективности (какой процент фотонов, ударяющихся о поверхность сенсора, фактически достигает дна пиксельных лунок и фактически обнаруживается и подсчитывается датчик) между большим и меньшим датчиком с таким же количеством фотосайтов является значительным. По мере того, как отношение площади поверхности к линейной окружности увеличивается с увеличением размеров фотоэлементов, увеличивается и эффективность. (Предположим, что квадрат 2x2 имеет линейную окружность 8 линейных единиц и площадь 4 площадных единицы. Квадрат 4x4 удваивает окружность до 16 линейных единиц, но в четыре раза увеличивает площадь до 16 площадных единиц.) Поскольку свет демонстрирует свойства как энергии волны, так и Энергия частиц Большинство фотонов, которые теряются, даже на так называемых «бесщелевых датчиках», теряются на краях отдельных фотосайтов.

Answer 2

Предположим, что датчики являются идеальными детекторами фотонов с бесконечным динамическим диапазоном [...]. Предположим также, что все эти датчики имеют одинаковое количество фотосайтов.

Вопрос "Почему большие датчики лучше при слабом освещении?" не отвечает на мой вопрос, так как все ответы предполагают постоянное число f, что именно то, что я хотел бы оспорить .

Вы исходите из правил игры, задаете вопрос . Фиксация количества фото-сайтов, чтобы быть одинаковыми, это хорошо; увеличение фокусного расстояния в порядке. Но, не позволяя f-числу остаться прежним, вы сопоставляете сравнение с любым увеличением размера.

Давайте использовать немного абсурда, чтобы провести четкое различие. IPhone 6S имеет 12 MP, 7,21 кроп-фактор, фокусное расстояние 4,15 мм, 5 / 2,2 макс. Следовательно, видимая апертура составляет 1,9 мм в поперечнике. Итак, давайте «вставим» iPhone 6S в полный размер сенсора и установим объектив диаметром 1,9 мм на камеру на 30 мм. Это дает нам ture / 15,8 апертуры, вряд ли справедливое или разумное сравнение.

Answer 3

Большему сенсору требуется большее фокусное расстояние для обеспечения того же поля зрения. При одинаковом размере входного зрачка это увеличивает число f, отменяя эффект захвата большего количества света.

Это, по крайней мере, часть вашего недоразумения. На число f не влияет размер датчика. Поле зрения, конечно, потому что меньший датчик видит только часть изображения круга. Но объектив собирает одинаковое количество света и доставляет его в одну и ту же область независимо от размера датчика.

Фокусное расстояние определяется расстоянием от оптического центра объектива до плоскости изображения, когда объектив сфокусирован на бесконечности. Это число одинаково для данного объектива независимо от размера датчика. Аналогично, видимый размер входного зрачка не зависит от размера датчика. Таким образом, f / 8 равно f / 8 независимо от того, насколько большой датчик.

Подумайте, что произойдет, если вы используете 35-мм пленочную зеркальную фотокамеру и снимаете с фиксированной выдержкой, скажем 1/100 с. Вы настраиваете диафрагму таким образом, чтобы индикатор отображал разумную экспозицию, а затем делаете снимок и перемещаете пленку к следующему кадру. Затем вы кладете камеру в сумку для пеленания, чтобы работать с ней в полной темноте, открываете заднюю часть и вставляете тонкую непрозрачную карту с отверстием размером APS-C посередине между пленкой и затвором. , Закройте все это, вытащите это из сумки и сделайте еще одну фотографию. Наконец, развивайте фильм. Имеют ли экспонированные части двух кадров одинаковую экспозицию или они разные?

Я знаю, что размер датчика также влияет на электрические характеристики, но здесь меня интересуют только оптические характеристики. Давайте представим, что датчики являются идеальными детекторами фотонов с бесконечным динамическим диапазоном, оставляя только шум от выстрела для определения характеристик при слабом освещении.

Проблема в том, что улучшенные электрические характеристики являются основной причиной того, что большие датчики дают лучшие результаты. Когда вы повышаете чувствительность (ISO), вы существенно увеличиваете множитель, который применяется к данным для каждого пикселя. При слабом сигнале (слабое освещение) и высоком усилении (большой множитель) крошечные изменения из-за электрических помех усиливаются в более шумное изображение. Из-за увеличенной площади более крупные фотосайты собирают больше фотонов и генерируют более сильный сигнал так же, как большие солнечные панели обеспечивают большую мощность. С более сильным сигналом требуется меньшее усиление, и вы получите больше изображения и меньше шума.

Полагаю, в какой-то момент вы попадаете в ситуацию, когда датчик действительно считает довольно небольшое количество фотонов. В этот момент, даже с идеальными фотосайтами, большой сенсор будет записывать более качественное (более гладкое, менее "шумное") изображение просто благодаря закону больших чисел : маленькие фотосайты будут записывать меньше фотонов, чем большие на их меньшую площадь, поэтому относительный масштаб случайных различий между сайтами будет больше. Небольшие случайные различия в относительно большом количестве фотонов, собранных более крупными фотосайтами, будут иметь меньшее влияние. Честно говоря, я не знаю, работают ли сенсоры в мобильных телефонах на этом уровне - я сильно сомневаюсь в этом, но это только предположение.

Answer 4

Следует учитывать, что размер изображения, проецируемого объективом, полностью не зависит от его f-числа и фокусного расстояния, но является фактором конструкции объектива. F-число является произведением ширины диафрагмы и фокусного расстояния. Фокусное расстояние - это расстояние между точкой схождения и датчиком, полностью игнорирующее факторы, выходящие за пределы объектива.

Вы можете создавать изображение точно такого же качества, что и датчик FF, на датчике телефона, если вы проектируете «эквивалентный» объектив. Но, как вы уже говорили, чтобы создать эквивалентное поле зрения, фокусное расстояние необходимо уменьшить, так как нужно больше сгибать свет, чтобы сжать его в этот круг изображения. С размером сенсоров телефона эти цифры становятся все меньше, часто меньше 5 мм.

Когда вы уменьшаете размер сенсора и фокусное расстояние, для компенсации необходимо увеличить число f. Уменьшение фокусного расстояния будет собирать больше света, вы используете свет только в том же поле зрения. Конструкция объектива может учитывать это и просто не собирать потраченный свет. Фактическая ширина диафрагмы (или входного зрачка) должна оставаться неизменной, что увеличивает число f.

Когда фокусное расстояние такое маленькое, а апертура сравнительно большая, это становится все более сложной технической задачей, поскольку стекло занимает место, а с увеличением апертуры размер этих элементов будет увеличиваться, но с фокусным расстоянием Длина настолько мала, что они все равно должны быть либо абсурдно близко друг к другу, где они занимают одно и то же пространство, либо настолько нелепо большими и тяжелыми, что вам понадобятся непрактичные и массивные приспособления на задней панели устройства.

Стоит также отметить эффект хроматической аберрации, вызванный тем, что различные длины волн света, проходящего через линзу, будут изгибаться по-разному, чуть больше или меньше, в зависимости от длины волны. Производители линз довольно хорошо исправили этот эффект, но это становится все труднее, если доводить до крайности.

Общее количество собранного света является важным фактором качества изображения, эффективность датчика в основном одинакова для всех современных датчиков. Большие датчики не обязательно лучше, но они значительно уменьшают сложность конструкции объектива.

Answer 5

Свет, падающий на единицу площади, определяется размером входного зрачка. Больший датчик требует большего фокусного расстояния для достижения того же поля зрения. Этот больший датчик требует большего входного зрачка для поддержания заданного числа f. Большой зрачок собирает больше света.

Вы должны поддерживать число f, так как оно, вместе со скоростью затвора и чувствительностью ISO, напрямую связано с количеством света, излучаемого сценой.