ทำไมเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าจึงมีช่วงไดนามิกที่ดีกว่า

ฉันเข้าใจทฤษฎีทั้งหมดแล้วว่าเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่านำไปสู่การควบคุมความชัดลึกและเสียงรบกวนที่ดีขึ้นได้อย่างไร แต่ฉันยังไม่พบสถานที่ที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเซนเซอร์ขนาดใหญ่ถึงให้ช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้น?

ขนาดของเซ็นเซอร์ไม่สำคัญมันคือขนาดของพิกเซล เมื่อพูดถึงเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าเช่นในกล้องฟูลเฟรมมักจะมีพิกเซลที่ใหญ่กว่า

คุณสามารถประมาณขนาดของพิกเซลโดยใช้ขนาดของเซ็นเซอร์และหารด้วยจำนวนพิกเซล การคำนวณนี้ไม่ถูกต้องเนื่องจากเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่มีช่องว่างระหว่างพิกเซลและช่องว่างเหล่านี้มีขนาดแตกต่างกัน นั่นคือเหตุผลที่ฉันพูดว่า "ประมาณ"

ทีนี้ลองนึกถึงพิกเซลในเซ็นเซอร์เป็นกล่องและโฟตอนเหมือนลูกบอล ยิ่งกล่องยิ่งใหญ่

สมมติว่าเรามีกล่อง A และ B กล่อง A สามารถมี 256 ลูกและกล่อง B สามารถมี 512 ลูก ตอนนี้ให้จัดเรียงกล่องเมทริกซ์ของประเภท A และโยนลูกบอลจำนวนมากในอากาศ เราต้องการรวบรวมสถิติบางอย่างที่ลูกตก

ตรงกลางกล่องหนึ่งบรรจุ 256 ลูกและที่ขอบกล่องมี ~ 20 ลูก เราไม่สามารถรู้ได้ว่าในช่วงกลางบอลเพียง 256 ลูกตกหรือมากกว่านั้น การวัดของเรา จำกัด ไว้สูงสุดที่ 256 ลูก

ตอนนี้ให้ทำซ้ำการทดลองนี้ แต่ตอนนี้มีกล่องประเภท B ทีนี้เราจะเห็นว่าในกล่องตรงกลางมี 347 ลูกและที่ขอบกล่องมี ~ 20 ลูก

การวัดของเรานั้นแม่นยำกว่ามาก นั่นเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับโฟตอนที่กระทบกับเซ็นเซอร์ พื้นผิวที่ใหญ่กว่าสามารถบรรจุโฟตอนได้มากขึ้นและสามารถวัดช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้นได้ ในตัวอย่างของเราช่วงไดนามิกนั้นใหญ่เป็นสองเท่าในกล่องที่ใหญ่กว่า

หากพิกเซลเต็มไปด้วยโฟตอนการแปลเป็นสีจะเป็นสีที่อิ่มตัวอย่างสมบูรณ์ แต่ด้วยพื้นผิวพิกเซลที่ใหญ่ขึ้นเราจะได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าดังนั้นจึงปรับปรุงช่วงไดนามิก

นี่คือภาพที่สามารถแสดงคำอธิบายของฉัน:

สำหรับคำอธิบายที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นคุณอาจต้องการตรวจสอบบทความนี้:

Dynamic_Range

เมื่อพิจารณาถึงเซ็นเซอร์ในอุดมคติที่เสียงรบกวนจากโฟตอนเป็นสิ่งเดียวที่น่ากังวลดังนั้นเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าก็ยิ่งมีช่วงไดนามิกมากขึ้น ช่วงไดนามิกคือความแตกต่างระหว่างจุดที่เซ็นเซอร์อิ่มตัวและจุดที่รายละเอียดใด ๆ หายไปกับเสียงรบกวนในเงามืด

เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่อาจมีพิกเซลที่ใหญ่กว่าหรือพิกเซลมากกว่า พิกเซลที่ใหญ่กว่าหมายถึงความจุที่มากขึ้นในการจัดเก็บประจุ (เท่ากับสิ่งอื่นทั้งหมด) และแสงที่ถูกถ่ายมากขึ้นต่อพิกเซลจึงมีแสงน้อยลงในเงามืด พิกเซลมากขึ้นหมายถึงเสียงรบกวนที่คล้ายกันต่อพิกเซล แต่พิกเซลมากกว่าโดยเฉลี่ยเพื่อลดเสียงรบกวนของเงาและเพิ่มช่วงไดนามิก

ในความเป็นจริงมีแหล่งที่มาของเสียงอื่น ๆ คืออ่านเสียงที่สัญญาณอะนาล็อกที่ผลิตโดย photosites รับเสียงก่อนที่จะถูกแปลงเป็นดิจิทัล สิ่งนี้สามารถมีผลต่อช่วงไดนามิกที่แข็งแกร่งกว่าความแตกต่างของขนาดเซ็นเซอร์ สัญญาณความเข้มต่ำจากพื้นที่มืดของภาพมีความไวต่อสัญญาณรบกวนโดยเฉพาะจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อ DR

เทคโนโลยีใหม่ (ลดเส้นทางจากเซ็นเซอร์ไปยัง ADC ส่งสัญญาณสองครั้งและเปรียบเทียบผลลัพธ์) สามารถกำจัดเสียงรบกวนการอ่านได้อย่างแท้จริงทำให้เซ็นเซอร์ APS-C เช่น Sony Exmor เกินขอบเขตไดนามิกของเซนเซอร์ฟูลเฟรม 2.5 เท่าที่ใหญ่กว่าของ Canon เกือบจะเป็นลำดับความสำคัญ!

นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องแยกความแตกต่างระหว่างช่วงไดนามิกในแสงที่ดีและช่วงไดนามิกในแสงที่ไม่ดี อดีตถูกกำหนดโดยเสียงรบกวนการอ่านดังนั้นเซ็นเซอร์ขนาดเล็กสามารถ excel หากมีเสียงรบกวนการอ่านต่ำและความลึกดีพอ หลังถูกครอบงำด้วยเสียงโฟตอน (เพิ่ม ISO ในที่แสงน้อยขยายสัญญาณโฟตอน แต่ไม่อ่านเสียง) ดังนั้นเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่มักจะทำงานได้ดีขึ้นที่นี่ ไม่ใช่ทุกเซ็นเซอร์ที่ติดตามแนวโน้ม

ไม่มีเหตุผลที่เซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าสามารถให้ช่วงไดนามิกที่ใหญ่ขึ้นหรือเสียงรบกวนต่ำกว่าพื้นที่ผิวต่อพิกเซลได้มากกว่าอย่างไรก็ตามกล้องฟูลเฟรมมักจะมียูนิตที่สูงกว่าและดังนั้นจึงมีเซนเซอร์ที่ดีกว่า

โปรดทราบว่าไม่มีเหตุผลที่ความละเอียดต่ำกว่าเซ็นเซอร์ขนาดเล็กจะไม่มีเสียงรบกวนและประสิทธิภาพของช่วงไดนามิกที่ดีขึ้นหากทำที่คุณภาพใกล้เคียงกับเซ็นเซอร์ฟูลเฟรม จำนวนพิกเซลต่อนิ้วบนพื้นผิวเซ็นเซอร์และคุณภาพของเซ็นเซอร์เป็นบิตที่สำคัญ

ตัวอย่างที่มีกล่องเป็นจริงมากและอธิบายว่าทำไมเซ็นเซอร์ที่ใหญ่กว่าจึงมีช่วงไดนามิกที่กว้างใหญ่ พิกเซลขนาดเล็กที่เล็กกว่าโฟโตอิเล็กตรอนที่สามารถจัดเก็บได้ (จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่มากที่สุดที่สามารถจัดเก็บได้เรียกว่าเต็มความจุ) โดยการหดตัวเซ็นเซอร์เราสามารถไปถึงสถานการณ์ที่มีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่สามารถเก็บรักษาได้ ภาพ (ไม่มีเฉดสีเทา!)

ดังนั้นไม่ต้องสงสัยเลยว่าเซ็นเซอร์ขนาดใหญ่มีช่วงไดนามิกสูงกว่าหากทุกอย่างเหมือนกัน

คำถามคือคุณสามารถเพิ่มช่วงไดนามิกโดยลดความละเอียดได้หรือไม่ ฉันรู้ว่าสามารถทำได้ด้วยกล้อง CCD ทางวิทยาศาสตร์ (ฉันทำเอง) แต่คุณสามารถทำเช่นเดียวกันกับกล้องผู้บริโภคและ CMOS ได้หรือไม่ ฉันสันนิษฐานว่าถ้าคุณสามารถผูก 2x2 พิกเซลเป็นหนึ่งเดียว (ลดความละเอียดได้อย่างมีประสิทธิภาพ 4 เท่า)

จากการวิจัยของฉันถึงขนาดพิกเซลไม่สำคัญทฤษฎีกล่องถูกใช้สำหรับสภาพแสงเนื่องจากพิกเซลที่ใหญ่กว่ารวบรวมแสงมากขึ้นแน่นอนว่ามันจะมีขอบในแสงน้อย (สามัญสำนึก) แต่เทคโนโลยีเซ็นเซอร์เป็นปัจจัยสำคัญในช่วงไดนามิก เนื่องจากช่วงไดนามิกเป็นความสามารถของเซ็นเซอร์ในการรักษาขายปลีกในไฮไลท์และเงา ตัวอย่างเช่นช่วงไดนามิกของเซ็นเซอร์ใหม่พัดลมขนาดเล็กหรือใหญ่จะดีกว่าช่วงไดนามิกของเซ็นเซอร์ฟูลเฟรมรุ่นเก่า