ทำไมเซนเซอร์ขนาดใหญ่ถึงดีกว่าเมื่อแสงน้อย?

คำตอบยอดนิยมของจุดและการถ่ายภาพอะไรที่ดีในสภาพแสงน้อย? บอกว่า (1) เลนส์เร็ว / รูรับแสงกว้าง (2) การจัดการ ISO 400+ ที่สมเหตุสมผลและ (3) เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่เมื่อประกอบเข้าด้วยกันเป็นสิ่งสำคัญในการถ่ายภาพในที่แสงน้อย

ครั้งแรกที่ฉันเข้าใจ (มันช่วยให้แสงมากขึ้น) ครั้งที่สองที่ฉันเข้าใจ ("ภาพยนตร์" มีความไวต่อแสงมากกว่า) ขอโทษฉันไม่เข้าใจปัจจัยที่สาม

มันง่ายที่จะเข้าใจความแตกต่างเมื่อเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าและเล็กลงมีพิกเซลเดียวกัน ถ้าเรามีกล้องสมมุติคู่หนึ่งที่มีขนาดเล็กกว่า APS-C เซ็นเซอร์และเป็นหนึ่งเดียวกับเซ็นเซอร์กรอบเต็มและถือว่าทั้งสองมี 8 ล้านพิกเซล, ความแตกต่างเดือดลงไปความหนาแน่นของพิกเซล

เซ็นเซอร์ APS-C มีขนาดประมาณ 24x15 มม. ในขณะที่เซ็นเซอร์ฟูลเฟรม (FF) คือ 36x24 มม. ในแง่ของพื้นที่ที่ APS-C เซ็นเซอร์เป็นเรื่องเกี่ยวกับ360 มม ^ 2และ FF เป็น864mm ^ 2 ตอนนี้การคำนวณพื้นที่จริงของเซ็นเซอร์ที่เป็นพิกเซลใช้งานได้ค่อนข้างซับซ้อนจากมุมมองของโลกจริงดังนั้นเราจะสมมติเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดในเวลานั้นซึ่งพื้นที่ผิวทั้งหมดของเซ็นเซอร์จะทุ่มเทให้กับพิกเซลทำงานสมมติ พิกเซลเหล่านั้นถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพเท่าที่จะเป็นไปได้และสมมติว่าปัจจัยอื่น ๆ ที่มีผลต่อแสง (เช่นความยาวโฟกัสรูรับแสง ฯลฯ ) นั้นเทียบเท่ากัน ระบุว่าและให้กล้องสมมุติของเรามีทั้ง 8mp แล้วมันชัดเจนว่าขนาดของแต่ละพิกเซลสำหรับเซ็นเซอร์ APS-C นั้นเล็กกว่าขนาดของแต่ละพิกเซลสำหรับเซ็นเซอร์ FF ในแง่ที่แน่นอน:

APS-C:
360mm ^ 2 / 8,000,000px = 0.000045mm ^ 2 / px
-> 0.000045 mm ^ 2 * (1,000 µm / mm) ^ 2 = 45µm ^ 2 (ไมครอนสแควร์)
-> sqrt (45 sqm ^ 2) = 6.7 ไมโครเมตร

FF:
864
มม. ^ 2 / 8,000,000px = 0.000108mm ^ 2 / px -> 0.000108 มม. ^ 2 * (1,000 µm / mm) ^ 2 = 108µm ^ 2 (ไมครอน)
-> sqrt (108 sqm ^ 2) = 10.4µm

ในแง่ง่ายกว่าปกติขนาด "พิกเซล" หรือความกว้างหรือความสูงของแต่ละพิกเซล (อ้างถึงโดยทั่วไปในเว็บไซต์ของอุปกรณ์ถ่ายภาพ) เรามี:

ขนาดพิกเซล APS-C = 6.7µm พิกเซลขนาด
FF พิกเซล = 10.4µm พิกเซล

ในแง่ของขนาดพิกเซลกล้อง FF 8mp มีพิกเซลใหญ่กว่า1.55xกว่ากล้อง APS-C 8mp อย่างไรก็ตามความแตกต่างหนึ่งมิติของขนาดพิกเซลไม่ได้บอกเรื่องราวทั้งหมด พิกเซลมีพื้นที่สองมิติซึ่งพวกมันรวบรวมแสงดังนั้นการรับความแตกต่างระหว่างพื้นที่ของพิกเซล FF แต่ละตัวเทียบกับพิกเซล APS-C แต่ละพิกเซลบอกเล่าเรื่องราวทั้งหมด:

108µm ^ 2 / 45µm ^ 2 = 2.4

กล้อง FF (เงียบสงบ) มี2.4xหรือประมาณ1สต็อปพลังการรวบรวมแสงของกล้อง APS-C (เงียบสงบ)! นั่นคือเหตุผลที่เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่มีประโยชน์มากขึ้นเมื่อถ่ายภาพในที่แสงน้อย ... พวกเขามีพลังในการรวบรวมแสงมากกว่ากรอบเวลาที่กำหนด

กล่าวอีกนัยหนึ่งพิกเซลที่ใหญ่กว่าสามารถจับโฟตอนได้มากกว่าพิกเซลที่เล็กกว่าในกรอบเวลาที่กำหนด (ความหมายของฉันของ 'ความไว')

ตอนนี้ตัวอย่างและการคำนวณข้างต้นทั้งหมดถือว่าเซ็นเซอร์ "เงียบสงบ" หรือเซ็นเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสมบูรณ์แบบ เซ็นเซอร์ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่ได้เป็นอุดมคติและไม่สามารถเปรียบเทียบได้ง่ายในแอปเปิ้ลต่อแอปเปิ้ล เซ็นเซอร์ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่ได้ใช้ทุก ๆ พิกเซลสลักลงบนพื้นผิวของพวกเขาอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดเซ็นเซอร์ราคาแพงมากขึ้นมักจะมี "เทคโนโลยี" ขั้นสูงที่สร้างขึ้นในพวกเขาเช่น microlenses ที่ช่วยรวบรวมแสงมากขึ้น แต่ละพิกเซล, การเดินสายไฟ backlit ที่ย้ายคอลัมน์ / แถวเปิดใช้งานและอ่านการเดินสายไฟด้านล่างองค์ประกอบที่ไวต่อภาพถ่าย (ในขณะที่การออกแบบปกติปล่อยให้การเดินสายข้างบน (และรบกวน) องค์ประกอบที่ไวต่อภาพถ่าย) ฯลฯ นอกจากนี้ มีจำนวนเมกะพิกเซลสูงกว่าเซ็นเซอร์ขนาดเล็กทำให้ซับซ้อนยิ่งขึ้น

ตัวอย่างจริงของเซ็นเซอร์จริงสองตัวคือการเปรียบเทียบเซ็นเซอร์ Canon 7D APS-C กับเซ็นเซอร์ Canon 5D Mark II FF เซ็นเซอร์ 7D คือ 18mp ในขณะที่เซ็นเซอร์ 5D คือ 21.1mp เซ็นเซอร์ส่วนใหญ่มีการจัดอันดับเป็นเมกะพิกเซลคร่าวๆและมักจะมีจำนวนที่มากกว่าเล็กน้อยในตลาดเนื่องจากพิกเซลขอบจำนวนมากใช้สำหรับจุดประสงค์ในการสอบเทียบถูกบดบังโดยกลไกตัวกรองเซ็นเซอร์ ฯลฯ ดังนั้นเราจะสมมติว่า 18mp และ 21.1mp นั้นเป็นจริง จำนวนพิกเซลของโลก ความแตกต่างของพลังงานการรวบรวมแสงของเซ็นเซอร์ทั้งสองแบบในปัจจุบันและปัจจุบันคือ:

7D APS-C: 360mm ^ 2 / 18,000,000px * 1,000,000 = 20µm ^ 2 / px
5DMII FF: 864mm ^ 2 / 21,100,000px * 1,000,000 = 40.947 ~ = 41µm ^ 2 / px

41µm ^ 2 / 20µm ^ 2 = 2.05 ~ = 2

กล้องฟูลเฟรม Canon 5D MkII มีกำลังไฟรวมกันประมาณ2xของกล้อง 7D APS-C นั่นจะแปลเป็นหนึ่งในมูลค่าหยุดของความไวพื้นเมืองเพิ่มเติม (ในความเป็นจริงทั้ง 5DII และ 7D มี ISO ดั้งเดิมสูงสุดที่ 6400 อย่างไรก็ตาม 7D นั้นค่อนข้างน่ารำคาญกว่า 5DII ทั้ง 3200 และ 6400 และดูเหมือนว่าจะกลับสู่ระดับปกติที่ ISO 800 เท่านั้นดู: http: / / the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) ในทางตรงกันข้ามเซ็นเซอร์ 18mp FF จะมีประมาณ1.17 เท่าของกำลังการรวบรวมแสงของเซ็นเซอร์ 21.1mp FF ของ 5D MkII เนื่องจากพิกเซลมีการกระจายน้อยลงในพื้นที่เดียวกัน (และใหญ่กว่า APS-C)

การพูดอย่างเคร่งครัดไม่ใช่ขนาดเซ็นเซอร์ที่ทำให้ดีขึ้นมันคือขนาดพิกเซล

พิกเซลขนาดใหญ่มีพื้นที่ผิวมากขึ้นในการจับแสงและสะสมแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นจากการปล่อยอิเล็กตรอนเมื่อโฟตอน (แสง) กระทบกับพื้นผิว สัญญาณรบกวนโดยธรรมชาติส่วนใหญ่จะเป็นแบบสุ่มจึงค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นซึ่งจะเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (S / N)

ข้อมูลโดยนัยที่คุณพลาดคือเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่มักจะมีพิกเซลมากขึ้น เพียงเปรียบเทียบ full-frame 12 MP D3S กับ 12 MP D300S ที่ครอบตัด แต่ละพิกเซลมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น 2.25X ซึ่งเป็นสาเหตุที่ D3S มีประสิทธิภาพ ISO สูงที่เป็นตัวเอก

แก้ไข (2015-11-24):

สำหรับผู้ที่ไม่เชื่อที่ไม่รู้จัก downvoter มีตัวอย่างใหม่และดีกว่า Sony มีกล้องฟูลเฟรมที่เหมือนกันเกือบสองตัวคือ A7S II และ A7R II เซ็นเซอร์ของพวกเขามีขนาดเท่ากัน แต่ในอดีตมีความละเอียด 12 MP ในขณะที่ 42 MP หลังนั้น ประสิทธิภาพแสงน้อยและช่วงความไวแสงของ A7S II นั้นค่อนข้างเหนือกว่า A7R II ถึง ISO 409,600 เทียบกับ 102,400 นั่นคือความแตกต่างสองจุดสำหรับการมีพิกเซลที่ใหญ่กว่าเท่านั้น

ขนาดของพิกเซลเดี่ยวนั้นแทบไม่เกี่ยวข้องเลย นั่นคือตำนานของเมือง!

ให้กล้องที่เหมือนกันสองตัวที่มีเซ็นเซอร์ขนาดเท่ากัน แต่จำนวนพิกเซลที่แตกต่างกัน (พูด 2MP และ 8MP) - และสำหรับขนาดพิกเซลที่แตกต่าง ปริมาณแสงที่ได้รับจากเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ไม่ใช่ขนาดพิกเซล ไม่ต้องสงสัยเลยว่าภาพ 8MP จะน่าสนใจกว่าภาพ 2MP แต่ถ้าคุณลดขนาด 8MP เป็น 2MP คุณจะได้ภาพเกือบเหมือนกัน - ด้วยระดับเสียงรบกวนที่ใกล้เคียงกัน นั่นคือคณิตศาสตร์อย่างง่าย ฉันพูดเกือบเพราะขนาดตรรกะของเซ็นเซอร์มีค่าใช้จ่าย เนื่องจากคุณจะมีลอจิก 4 เท่าบนเซ็นเซอร์ 8MP ที่ 2MP คุณจะได้พื้นที่เซ็นเซอร์ไวต่อแสงสุทธิน้อยลง แต่นั่นจะไม่เสียค่าใช้จ่ายคุณ 1 stop (= 50%) อาจจะเล็กน้อย แต่ไม่มาก!

สิ่งที่ทำให้แตกต่างคือเลนส์ หากคุณถ่ายภาพคุณจะไม่สนใจเมตริกเลยไม่ว่าจะเป็นขนาดเซ็นเซอร์ขนาดพิกเซลหรือความยาวโฟกัส คุณต้องการที่จะจับใบหน้ากลุ่มคนอาคารหรืออย่างอื่นจากระยะทางที่กำหนด สิ่งที่คุณมีความสนใจในเป็นมุมมอง ความยาวโฟกัสของคุณจะขึ้นอยู่กับขนาดเซ็นเซอร์และมุมมอง หากคุณมีเซ็นเซอร์ขนาดเล็กคุณก็จะมีความยาวโฟกัสเล็ก ๆ (พูดสัก 2-3 มิลลิเมตร) เลนส์ที่มีความยาวโฟกัสเล็ก ๆ จะไม่ส่องแสงมากนักเนื่องจากมันจะถูก จำกัด ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่จะต้องมีความยาวโฟกัสที่ใหญ่กว่าเลนส์ที่มีความเร็วเท่ากันจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าและจะจับแสงได้มากขึ้น

ใครต้องการ 10MP ขึ้นไปยกเว้นการพิมพ์โปสเตอร์ ลดขนาดให้เหลือ MP ไม่กี่ภาพทุกภาพดูโอเค ขนาดเซนเซอร์ไม่ได้ จำกัด คุณภาพของภาพโดยตรง แต่เลนส์ของคุณจะ แม้ว่าขนาดเลนส์มักจะขึ้นอยู่กับขนาดของเซ็นเซอร์ (ต้องไม่) แต่ฉันเคยเห็นกล้องที่มีเซ็นเซอร์ขนาดเล็กและ MP จำนวนมาก แต่เลนส์ที่ยอดเยี่ยม

ฉันเคยเขียนบทความเกี่ยวกับเรื่องนี้มานานแล้ว มันเป็นภาษาเยอรมันฉันไม่มีเวลาแปลมันเป็นภาษาอังกฤษ - ขอโทษสำหรับสิ่งนั้น มันละเอียดมากขึ้นและอธิบายปัญหาบางอย่าง (โดยเฉพาะปัญหาเรื่องเสียง) โดยละเอียดมากขึ้น

ขนาดของพิกเซลแต่ละพิกเซลนั้นไม่สำคัญ พิกเซลขนาดเล็กจำนวนมากสามารถรวมกันทางคณิตศาสตร์เป็นขนาดใหญ่หนึ่งรายละเอียดการซื้อขายเพื่อความไว

กล้องเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่มีมุมมองที่กำหนดเป็นเลนส์ทางยาวโฟกัสที่ยาวกว่ากล้องเซนเซอร์ขนาดเล็ก เลนส์ที่ยาวกว่านี้มีรูรับแสงทางกายภาพขนาดใหญ่สำหรับ f-stop (เปิดในม่านตา) ซึ่งจะส่งผลให้แสงเข้าสู่ระบบได้มากขึ้นและบัญชีสำหรับประสิทธิภาพแสงน้อยที่ดีขึ้น นอกจากนี้ยังอธิบายถึงความลึกของสนามที่ตื้นกว่า

พื้นผิวของเซ็นเซอร์ดิจิตอลถูกปกคลุมไปด้วย photosites สิ่งเหล่านี้บันทึกภาพของโลกภายนอกตามที่ฉายโดยเลนส์ ในระหว่างการเปิดรับแสง, การสร้างภาพในรูปแบบของโฟตอนส่งผลให้พื้นผิวของเซ็นเซอร์ จำนวนโฟตอนที่ได้รับนั้นขึ้นอยู่กับความสว่างของฉาก กล่าวอีกนัยหนึ่งโฟโต้ไซต์ที่รับโฟตอนฮิตที่ตรงกับพื้นที่ที่มีแสงสว่างจ้าของฉากรับโฟตอนฮิตมากกว่าโฟโต้ไซต์ที่ตรงกับพื้นที่รูปภาพที่มีแสงน้อย เมื่อการเปิดรับแสงเสร็จสมบูรณ์ photosites จะมีประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความสว่างของฉาก อย่างไรก็ตามระดับของประจุไฟฟ้าใน photosites ทั้งหมดนั้นอ่อนเกินกว่าที่จะเป็นประโยชน์ได้หากไม่ได้รับการขยาย ขั้นตอนต่อไปในกระบวนการสร้างภาพคือการขยายประจุ

การขยายภาพก็เหมือนกับการเพิ่มระดับเสียงของวิทยุหรือโทรทัศน์ การขยายจะบูทความแรงของสัญญาณภาพ แต่ยังลดความผิดเพี้ยนในรูปแบบของสแตติก ในการถ่ายภาพดิจิตอลเราไม่เรียกว่าความเพี้ยนนี้ เราเรียกมันว่า "เสียงรบกวน" เสียงรบกวนที่เกิดขึ้นจริงเรียกว่าเสียงรูปแบบคงที่ นี่เป็นเพราะแต่ละแสงมีลักษณะแตกต่างกันเล็กน้อย ในคำอื่น ๆ พวกเขาแต่ละคนตอบสนองต่อการขยายที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์คือโฟโต้ไซต์บางอันที่มีโฟตอนไม่กี่ครั้งจะให้ภาพเป็นสีดำเมื่อพวกเขาควรจะให้ภาพเป็นสีเทาเข้มหรือสีเทา นี่คือสัญญาณรบกวนรูปแบบคงที่ เราลดขนาดโดยไม่เพิ่มการขยาย (ทำให้ค่า ISO ต่ำ) และซอฟต์แวร์ในกล้อง

เนื่องจากเสียงรบกวนแบบคงที่โดยทั่วไปเกิดจากการขยายเสียงสูงมันจึงเป็นเหตุผลว่าจำนวนโฟตอนที่ได้รับจากโฟโต้ไฟท์มากกว่านั้นทำให้เกิดประจุที่สูงขึ้นและต้องการการขยายที่น้อยลง บรรทัดล่างคือชิปภาพขนาดใหญ่ที่มีรูปถ่ายขนาดใหญ่ขึ้นพร้อมพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นทำให้สามารถรับโฟตอนได้มากขึ้นระหว่างการเปิดรับแสง ความนิยมมากขึ้นแปลเป็นขยายน้อย; จึงลดความผิดเพี้ยนน้อยลงเนื่องจากเสียงรบกวนคงที่

เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปจะแย่ลงเล็กน้อยในที่แสงน้อยเพื่อถ่ายภาพ โดยทั่วไปแล้วเลนส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าสำหรับเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่และโดยทั่วไปแล้วเลนส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าจะดีกว่าในสภาพแสงน้อยหากคุณไม่คำนึงถึงระยะชัดลึกที่น้อยลง

มีจำนวนมากบนอินเทอร์เน็ตที่อ้างว่าปริมาณของแสงที่รวบรวมโดยเซ็นเซอร์เป็นสัดส่วนกับขนาดของเซ็นเซอร์ สิ่งนี้ไม่ถูกต้อง ด้วยมุมมองของเลนส์ที่เท่ากันปริมาณแสงที่เท่ากันจะถูกฉายลงบนเซ็นเซอร์โดยไม่คำนึงถึงขนาดของเซ็นเซอร์ หากเซ็นเซอร์ฟูลเฟรมและเซ็นเซอร์ MFT มีจำนวนพิกเซลเท่ากันทุกองค์ประกอบจะตรวจจับปริมาณแสงเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงขนาดของมัน ลองคิดดู: วางกระดาษแผ่นหนึ่งไว้ในดวงอาทิตย์หลังวงกลมแก้ว - ไม่มีอะไรเกิดขึ้น รวมแสงเข้ากับพื้นที่เล็ก ๆ ของกระดาษนั้นด้วยแว่นขยายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกับวงกลมของแก้วดังกล่าวข้างต้นและกระดาษจะร้อนขึ้นเพราะความหนาแน่นของพลังงานที่บริเวณโฟกัสนั้นใหญ่กว่ามาก เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์ภาพ เซ็นเซอร์ขนาดเล็ก = ความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่ = พลังงานเดียวกันต่อหน่วยพื้นที่ในเซ็นเซอร์ทั้งสอง เหตุผลที่ทำให้เกิดเสียงดังในเซ็นเซอร์ขนาดเล็กนั้นอยู่ที่อื่น อาจเป็นการรบกวนความถี่วิทยุระหว่างองค์ประกอบการตรวจจับภาพที่อัดแน่น