Por que eles fabricaram sensores menores do que o quadro completo?

Ocasionalmente, você encontrará artigos sobre o quão impressionantes são as câmeras full-frame. Provavelmente muito disso é excesso de entusiasmo em relação a uma nova peça de equipamento ou a um simples marketing, mas me parece que pelo menos essas coisas são verdadeiras:

• O sensor com uma área grande captura mais luz
• Sensor com pixels individuais grandes teria menos ruído
• Sensor maior pode caber muito mais pixels

As câmeras full-frame são muito mais caras. Isso é estranho para mim, pois tive a impressão de que diminuir os eletrônicos é sempre mais difícil, pois você precisa de equipamentos mais precisos.

Isso deve ter sido ainda mais importante no início das câmeras digitais de lente única, há muitos anos.

Então, por que foi tomada a decisão de tornar os sensores menores do que o filme originalmente usado nas câmeras? Como algumas lentes feitas para câmeras de filme ainda funcionam com algumas DSLRs, por que diferenciar o sensor do filme?

Observe que estou interessado mais no histórico da decisão inicial (já que o tamanho do quadro de filme era o status quo e os DLSRs eram caros de qualquer maneira) do que a diferença de preço.

Tornar grandes dispositivos semicondutores sem, ou apenas um número muito pequeno, de defeitos é muito difícil. Os menores são muito menos exigentes de fazer.

Em particular, o rendimento - a proporção dos que você fabrica que são utilizáveis ​​- para os semicondutores cai à medida que você os aumenta. Se o rendimento for baixo, será necessário fabricar muitos dispositivos para cada bem, e isso significa que o custo por dispositivo se torna muito alto: possivelmente mais alto do que o mercado suportará. Sensores menores, com os rendimentos mais altos resultantes, são fortemente preferidos.

Aqui está uma maneira de entender a curva de juros. Digamos que a chance de um defeito por unidade de área em um processo seja c , e que esse defeito acabe com qualquer dispositivo fabricado com esse pedaço de semicondutor. Existem outros modelos para defeitos nos dispositivos, mas este é bastante bom.

Se quisermos fazer um dispositivo que tem uma área A , então a chance de ele não ter um defeito é (1 - c ) ^A . Portanto, se A é 1, a chance é (1 - c ) e ela fica menor (já que (1 - c ) é menor que um), pois A fica maior.

A chance de um dispositivo da área A não apresentar um defeito é o rendimento: é a proporção de bons dispositivos da área A que obtemos. (De fato, o rendimento pode ser menor, porque pode haver outras coisas que podem dar errado).

Se conhecermos o rendimento y _A para decivas de alguma área A , então podemos calcular c : c = 1 - y _A ^{1 / A} (você obtém isso pegando toras de ambos os lados e reorganizando). Equivalentemente podemos calcular o rendimento para qualquer outra área de um como y = y _Um ^{a / A} .

Então agora, digamos que, quando fabricamos sensores de 24x36 mm (em tamanho cheio), obtemos um rendimento de 10%: 90% dos dispositivos que fabricamos não são bons. Os fabricantes têm vergonha de dizer quais são seus rendimentos, mas isso não é implausivelmente baixo. Isso equivale a dizer que c , a chance de um defeito por mm ² é de aproximadamente 0,0027.

E agora podemos calcular os rendimentos para outras áreas: na verdade, podemos apenas traçar a curva de rendimentos em relação à área:

Neste gráfico, marquei os rendimentos esperados para sensores com tamanhos de tamanho menor que o de quadro completo, se o rendimento de quadro completo for 10% (estes podem ser aproximados, pois APS-C pode significar várias coisas, por exemplo). Como você pode ver, sensores menores obtêm rendimentos muito mais altos.

Com o tempo, à medida que os processos de fabricação melhoram, essa curva de rendimento diminui e os rendimentos para grandes sensores melhoram. Quando isso acontece, sensores maiores caem de preço a um ponto em que o mercado arcará com seus custos.

Os primeiros aplicativos convencionais para sensores de imagem eletrônicos (seja Image-Orthicons, Vidicons, Plumbicons ou CCDs ou sensores de pixel ativo CMOS, seja fluxos de trabalho analógico-eletrônicos ou digitais) estavam em vídeo, não em imagens estáticas.

O vídeo seguiu fatores de forma semelhantes ao filme. No filme, 35 mm (equivalente ao quadro completo) ou até 70 mm eram formatos exoticamente grandes, usados ​​apenas para a produção real de filmes (cinematográficos) devido a custos significativos.

Além disso, as demandas de resolução para a maioria dos aplicativos de vídeo costumavam ser muito menores - se as televisões domésticas pré-HD (resolução máxima de 625 linhas de talvez 1000 pixels cada) fossem o principal alvo, os recursos de alta resolução não seriam necessários.

Além disso, no mundo das imagens em movimento que não são de cinema, as demandas por lentes parecem ser diferentes - muito mais expectativas quanto à velocidade e ao alcance da lente, muito menos à qualidade da imagem. Isso pode ser feito de maneira muito mais econômica com designs de lentes que precisam apenas atender um pequeno círculo de imagem.

As câmeras fotográficas digitais existiram vários anos antes de as câmeras com lentes intercambiáveis ​​se tornarem plausíveis, e elas usaram primeiro sensores minúsculos que provavelmente foram projetados ou baseados em modelos de vídeo.

Os sensores do tamanho APS-C eram ENORMES em comparação com um sensor normal de câmera digital quando DSLRs iniciais foram introduzidas; os poucos DSLRs full frame anteriores (acho que o Kodak DCS) e seus sensores eram extremamente caros, provavelmente porque havia muito pouca experiência em design na fabricação de sensores econômicos nesse tamanho.

Os sensores de imagem são muito grosseiros na estrutura real em comparação com os processadores ou chips de memória usados ​​na década de 1990 - por exemplo, uma CPU comum para computadores de mesa do final dos anos 90 usava um tamanho de recurso de 250 nm, que é bem menor do que o que seria fisicamente útil em um computador. sensor de imagem com luz visível. Hoje, 14nm (!!) é sobre o estado da arte.

A necessidade de evitar grandes tamanhos de matriz por peça, independentemente do tamanho da estrutura, como já explicado em outros posts, não mudou muito.

Sensores grandes custam mais que sensores pequenos, mais ou menos, pelo mesmo motivo que TVs grandes custam mais que TVs pequenas. Compare uma TV de 30 polegadas e uma de 60 polegadas (cerca de 75 cm e 150 cm, se preferir). A miniaturização não é um problema - poderíamos diminuir todas as partes da TV de 30 polegadas sem ter dificuldade. A TV de 30 polegadas custa menos do que a TV de 60 polegadas porque usa menos materiais e requer menos trabalho para terminar. E a TV de 60 polegadas terá uma taxa de defeitos mais alta - 4 vezes a área significa muito mais chances de algo dar errado em algum lugarna tela, criando um pixel morto. Como os clientes odeiam pixels mortos, um painel com mais de um ou dois (ou talvez até mais que zero) é descartado ou vendido como parte de um produto de custo mais baixo. Os custos de produção das unidades defeituosas são incluídos no preço das unidades aceitáveis ​​que são vendidas; portanto, quanto maior você aumentar, mais caras as coisas.

As mesmas considerações se aplicam aos sensores de imagem. Mesmo os menores sensores nas câmeras prosumer têm recursos enormes em comparação com o que a tecnologia de semicondutores é capaz, portanto, o custo da miniaturização não é um fator importante. Câmeras compactas e telefones celulares normalmente usam sensores muito menores, e até telefones econômicos normalmente têm duas câmeras, sendo que as mais sofisticadas têm três ou quatro! Para tamanhos razoáveis, custos menores são menores, não mais. O problema do defeito também entra em jogo. Quanto maior você fabricar o sensor, maior a probabilidade de você ter um defeito que exija que você descarte a coisa toda e mais dinheiro (em materiais) você perderá quando descartá-lo. Essas unidades custam com tamanho, muito além de um certo ponto.

A câmera digital de maior formato que você pode obter neste documento possui um enorme sensor de 9 "x11" (mais de 8 vezes a diagonal de um sensor de "quadro completo" ou mais de 64 vezes a área), e possui apenas 12 megapixels, então obviamente a miniaturização não é um problema - esses pixels são enormes . É vendido por mais de US $ 100.000.

Porque você perguntou especificamente sobre a história ...

Eu sugeriria: tamanho, peso e custo.

Todas essas considerações eram igualmente verdadeiras nos dias pré-digitais (ou seja, filmes). Um formato de filme popular era o tamanho 110. Veja: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

O filme 110 era mais barato, as câmeras eram mais baratas e muitas delas eram muito menores e mais leves que os menores compactos de filme de 35 mm. Eles poderiam caber muito facilmente em um pequeno bolso. É claro que essas mesmas restrições existem hoje com as câmeras digitais, como outros já apontaram. Portanto, hoje não são apenas pequenos e grandes sensores de imagem; também eram pequenos e grandes formatos de filme naquela época.

Muito antes do digital, as pessoas procuravam produzir formatos de filme menores para abordar questões de fabricação, usabilidade e outros custos-benefícios, descritos em outras respostas.

O que agora é conhecido como "quadro completo" já foi conhecido como "miniatura". Se não fosse o formato miniatura e sub-miniatura, teríamos que carregar câmeras como esta:

Além do que já foi mencionado, há uma razão particularmente boa para criar sensores menores para DSLRs; Isso facilita o design de lentes mais baratas e leves para o mercado consumidor em rápido crescimento. Mas ainda de alta qualidade.

Quando você diminui o sensor, também pode diminuir o espelho e diminuir a distância do elemento traseiro na lente ao sensor (o que é conhecido como distância do flange).

Diminuir a distância do flange facilita o design de lentes; as lentes grande angulares se beneficiam especialmente da menor distância do flange. Uma lente zoom grande angular f / 2.8 para uma câmera full frame pode ser bastante cara.

Hoje, como o mirrorless está se tornando mais popular, o problema da distância do flange é eliminado.

No entanto, o sensor menor ainda significa que a lente só precisa projetar a imagem em uma área menor, exigindo um diâmetro menor da lente, contribuindo para custos menores nas lentes também.

BTW, que eu saiba (o que pode estar errado), o sensor não está nem perto de ser o componente mais caro de uma DSLR. Os medidores de luz (são muitos) são muito mais caros.

Eu pensei que tinha lido isso de uma fonte respeitável, mas tentar procurar uma fonte para confirmar esse fato acabou sem nada; então provavelmente estou enganado aqui.

Sensores menores têm maiores rendimentos de produção e os componentes eletrônicos a serem processados ​​têm um custo menor.

Dobrar o sensor e aproximadamente a potência de processamento necessária.

A realidade é que os sensores DX costumam ter maior resolução e maior alcance dinâmico do que os filmes que estão substituindo.

Resposta separada, uma vez que não está relacionada à outra:

Embora os sensores de quadro inteiro ofereçam muitos benefícios para o fotógrafo entusiasta, artístico e profissional, eles também apresentam desvantagens que, em muitos casos, são realmente indesejadas pelo usuário casual - e, em alguns casos, até pelo artista ou repórter profissional para determinadas tarefas:

• A profundidade máxima de campo alcançável é mais limitada. São necessárias aberturas extremamente lentas para profundidade de campo extrema, levando a problemas como mau manuseio com pouca luz e visibilidade do sensor.

• as lentes serão mais volumosas, pesadas e caras.

• ... especialmente quando se trata de distâncias focais longas para ter um alcance maior.

• A estabilização da imagem será mais difícil devido à necessidade de movimentos maiores para compensar a trepidação.

• Alguns grupos-alvo preferem imagens com alta profundidade de campo, tudo em foco, estilo de tonalidade difícil a que estão acostumados a partir de câmeras de dispositivos móveis.

Bem, deixe-me colocar desta maneira. Aqui está uma fotografia com uma câmera com sensor pequeno (1 / 2,3 "), fator de corte 5,6 e um sensor da classe APS-C (fator de corte 1,66, um pouco menor que o APS-C) em sua posição máxima de zoom (que a câmera grande atinge apenas usando um conversor de tele 1.7 ×) A câmera pequena possui 3 vezes a distância focal efetiva (600 mm) da câmera grande (200 mm).

Aqui estão as mesmas câmeras prontas para guardar:

Se você tentar fotografar pássaros e close de objetos pequenos, o alcance maior do zoom da câmera com sensor pequeno ultrapassará o alcance comparativamente curto do sensor grande. Agora, os sensores de hoje têm resoluções maiores que os 10MP da câmera antiga aqui, mas mesmo um sensor de 40MP compra um fator de 2 na distância focal ao cortar com o mesmo número de pixels.

A qualidade da imagem do sensor maior é bastante melhor, mas isso não custa muito quando o tamanho da imagem é o de um carimbo.