Чому більший датчик має кращий динамічний діапазон?

Я вже розумію всю теорію, за якою більший датчик призводить до кращого контролю глибини поля та зниження шуму. Але я ще не знайшов місця, яке б пояснило, чому більший датчик дає вам більший динамічний діапазон?

Розмір датчика не має значення, це розмір пікселя. Зважаючи на це, більші датчики, як у повнокадрових камерах, мають більші пікселі.

Ви можете оцінити розмір пікселя, приймаючи розмір датчика і розділити його на кількість пікселів. Цей розрахунок не є точним, оскільки більшість датчиків мають проміжки між пікселями, і ці розриви відрізняються між собою. Ось чому я кажу "оцінка".

А тепер подумайте про піксель у датчику як коробці, а фотони - як кулі. Чим більша коробка, тим більше кульок вона може містити.

Якщо припустимо, що у нас є вікна A і B. Коробка A може містити 256 куль, а коробка B може містити 512 кульок. Тепер давайте впорядкуємо матрицю коробки типу A і киньмо багато повітряних кульок. Ми хочемо зібрати деякі статистичні дані про те, куди потрапили кульки.

У середній частині однієї коробки міститься 256 куль, а в краях - 20 кульок. Ми не можемо знати, чи в середині впало лише 256 куль або більше. Наша міра обмежена максимумом на 256 балів.

Тепер повторимо цей експеримент, але тепер із полями типу В. Тепер ми бачимо, що посередині коробка містить 347 кульок, а на краях коробки містять ~ 20 кульок.

Наш захід набагато точніший. Саме так відбувається з фотонами, що потрапляють на датчик. Більша поверхня може містити більше фотонів і може вимірювати більший динамічний діапазон. У нашому прикладі динамічний діапазон удвічі більший у більшому полі.

Якщо піксель заповнений фотонами, то переклад у колір буде повністю насиченим кольором, але при більшій поверхні пікселів ми отримаємо кращий результат, таким чином, покращений динамічний діапазон.

Ось малюнок, який може продемонструвати моє пояснення:

Для більш глибокого пояснення ви можете перевірити цю статтю:

Dynamic_Range

Беручи до уваги ідеальні датчики, де фотонний шум викликає єдине значення, то чим більший датчик, тим більший динамічний діапазон. Динамічний діапазон - це різниця між точкою, в якій датчик стає насиченою, і точкою, в якій будь-яка деталь втрачається від шуму в тіні.

Більший сенсор матиме або більші пікселі, або більше пікселів. Більші пікселі означають більшу ємність для зберігання заряду (всі інші рівні) і більше світла, що потрапляє на піксель, отже менше світла в тіні, отже, більший динамічний діапазон. Більше пікселів означає аналогічний шум на піксель, але більше пікселів у середньому для зменшення темнового шуму, а отже, збільшення динамічного діапазону.

Насправді є й інші джерела шуму, а саме шум читання, де аналоговий сигнал, що видається фотосайтами, сприймає шум до їх оцифрування. Це може вплинути на динамічний діапазон, який набагато сильніший за відмінності в розмірах датчика. Сигнали низької інтенсивності з темних областей зображення особливо чутливі до шуму читання, тому великий вплив на ДР.

Нова технологія (скорочення шляху від сенсора до АЦП, надсилання сигналу вдвічі та порівняння результатів) дозволяє практично усунути шум читання, що дозволяє датчикам APS-C, таким як Sony Exmor, перевищувати динамічний діапазон 2,5-кратних датчиків повного кадру Canon на 2,5 рази майже на порядок!

Слід також розрізняти динамічний діапазон при хорошому освітленні та динамічний діапазон при поганому освітленні. Перший визначається в основному шумом читання, отже, малий датчик може перевершуватися за умови низького шуму читання та достатньої пристойної глибини. В останньому переважає фотонний шум (підвищення ISO при слабкому освітленні підсилює шум фотонів, але не шум читання), тому більші датчики, як правило, працюють тут краще. Знову не кожен датчик слідує за тенденцією.

Немає причин, що більший датчик може видавати більший динамічний діапазон або менший шум, крім більшої площі поверхні на піксель, однак камери з повною рамкою мають тенденцію бути більш високими кінцевими одиницями і, отже, мають кращі датчики.

Зауважте, що немає причин, щоб менший датчик, менший датчик не міг мати кращі шуми та динамічний діапазон, якщо це зроблено з аналогічною якістю як датчиком повного кадру. Кількість пікселів на дюйм на поверхні датчиків та якість датчика - це біти, які мають значення.

Приклад з ящиками дуже правдивий і пояснює, чому великі датчики мають великий динамічний діапазон. Чим менший піксель, тим менше фотоелектронів він може зберігати (максимальна кількість фотоелектронів, які можна зберігати, називається повною ємністю свердловини). Збиваючи датчик, ми можемо дійти до ситуації, що може бути збережено лише небагато електронів, що призводить до чорно-білого зображення (немає відтінків сірого! (:)

Тому немає сумнівів, що більший датчик має більший динамічний діапазон, якщо все інше однакове.

Питання в тому, чи можна збільшити динамічний діапазон, знизивши роздільну здатність? Я знаю, що це можна зробити за допомогою наукових камер CCD (я особисто це робив). Але чи можна зробити те ж саме із споживчими камерами та з CMOS? Я припускаю, що ви можете зв'язати 2x2 пікселів в один (ефективно зменшуючи роздільну здатність у 4 рази).

Згідно з моїми дослідженнями, навіть розмір пікселів не має значення, теорія коробки є застосовною для умов освітлення, оскільки більші пікселі збирають більше світла, воно, безумовно, має перевагу при слабкому освітленні (здоровий глузд), але сенсорна технологія є ключовим фактором динамічного діапазону , оскільки динамічний діапазон - це здатність датчика утримувати роздрібні продажі у світлих тонах та тінях. Наприклад, динамічний діапазон більш маленького або великого вентилятора датчика буде кращим, ніж динамічний діапазон старого датчика повного кадру