Por que um sensor maior tem melhor alcance dinâmico?

Eu já entendo toda a teoria por trás de como um sensor maior leva a um melhor controle da profundidade de campo e menor ruído. Mas ainda não encontrei um lugar que possa explicar por que um sensor maior oferece uma faixa dinâmica maior?

O tamanho do sensor não importa, é o tamanho do pixel. Dito isto, sensores maiores, como nas câmeras full frame, tendem a ter pixels maiores.

Você pode estimar o tamanho do pixel, pegando o tamanho do sensor e dividindo-o pelo número de pixels. Este cálculo não é preciso porque a maioria dos sensores possui intervalos entre os pixels e esses intervalos diferem em tamanho. É por isso que estou dizendo "estimativa".

Agora, pense em um pixel no sensor como uma caixa e em fótons como bolas. Quanto maior a caixa, mais bolas ela pode conter.

Supondo que temos as caixas A e B. A caixa A pode conter 256 bolas e a caixa B pode conter 512 bolas. Agora vamos organizar uma matriz de caixa do tipo A e jogar muitas bolas no ar. Queremos reunir algumas estatísticas de onde as bolas caíram.

No meio, uma das caixas contém 256 bolas e nas bordas as caixas contêm ~ 20 bolas. Não podemos saber se no meio apenas 256 bolas caíram ou mais. Nossa medida é limitada ao máximo para 256 bolas.

Agora vamos repetir esse experimento, mas agora com caixas do tipo B. Agora podemos ver que no meio a caixa contém 347 bolas e nas bordas as caixas contêm ~ 20 bolas.

Nossa medida é muito mais precisa. É exatamente o que acontece com os fótons atingindo o sensor. Superfícies maiores podem conter mais fótons e podem medir uma faixa dinâmica maior. No nosso exemplo, o intervalo dinâmico é duas vezes maior na caixa maior.

Se o pixel estiver cheio de fótons, a conversão para cor será uma cor totalmente saturada, mas com uma superfície maior de pixels, obteremos um resultado melhor, assim, um alcance dinâmico aprimorado.

Aqui está uma imagem que pode demonstrar minha explicação:

Para uma explicação mais detalhada, consulte este artigo:

Dynamic_Range

Considerando os sensores ideais, onde o ruído do fóton é a única preocupação, quanto maior o sensor, maior a faixa dinâmica. Faixa dinâmica é a diferença entre o ponto em que o sensor fica saturado e o ponto em que qualquer detalhe é perdido por ruído nas sombras.

Um sensor maior terá pixels maiores ou mais pixels. Pixels maiores significam uma maior capacidade de armazenar carga (todos os demais são iguais) e mais luz sendo capturada por pixel, portanto, menos luz nas sombras e, portanto, maior alcance dinâmico. Mais pixels significa o ruído semelhante por pixel, mas mais pixels ficam na média para reduzir o ruído das sombras e, portanto, aumentar o alcance dinâmico.

Na realidade, existem outras fontes de ruído, como o ruído de leitura, onde o sinal analógico produzido pelos photosites capta o ruído antes de ser digitalizado. Isso pode afetar a faixa dinâmica muito mais forte que as diferenças no tamanho do sensor. Sinais de baixa intensidade de áreas escuras da imagem são particularmente sensíveis ao ruído de leitura, portanto, o grande impacto no DR.

A nova tecnologia (encurtar o caminho do sensor para o ADC, enviar o sinal duas vezes e comparar os resultados) pode praticamente eliminar o ruído de leitura, permitindo que os sensores APS-C, como o Sony Exmor, excedam a faixa dinâmica dos sensores de quadro completo 2,5 vezes maiores da Canon, quase uma ordem de magnitude!

Também é necessário distinguir entre faixa dinâmica com boa luz e faixa dinâmica com pouca luz. O primeiro é determinado principalmente pelo ruído de leitura, portanto, um sensor pequeno pode se sobressair, desde que tenha baixo ruído de leitura e profundidade de poço decente o suficiente. Este último é dominado pelo ruído do fóton (o aumento do ISO em condições de pouca luz amplifica o ruído do fóton, mas não o ruído da leitura), portanto, sensores maiores tendem a ter um desempenho melhor aqui. Novamente, nem todos os sensores seguem a tendência.

Não há razão para que um sensor maior possa fornecer uma faixa dinâmica maior ou menor ruído, além de mais área de superfície por pixel; no entanto, as câmeras full frame tendem a ser unidades de extremidade superior e, portanto, tendem a ter melhores sensores.

Observe que não há razão para que um sensor menor de resolução mais baixa não tenha melhor desempenho de ruído e faixa dinâmica se for produzido com uma qualidade semelhante a um sensor de quadro completo. O número de pixels por polegada na superfície dos sensores e a qualidade do sensor são os bits que importam.

O exemplo com as caixas é muito verdadeiro e explica por que sensores maiores têm uma grande faixa dinâmica. Quanto menor o pixel, menor o número de fotoelétrons que ele pode armazenar (o número máximo de fotoelétrons que podem ser armazenados é chamado de capacidade total do poço). Ao reduzir o sensor, podemos chegar à situação em que apenas poucos elétrons podem ser armazenados, resultando em preto e branco imagem (sem tons de cinza! (:).

Portanto, não há dúvida de que um sensor maior possui uma faixa dinâmica mais alta se tudo o resto for o mesmo.

A questão é: você pode aumentar o alcance dinâmico diminuindo a resolução? Eu sei que se pode fazer isso com câmeras científicas CCD (eu pessoalmente fiz isso). Mas você pode fazer o mesmo com câmeras de consumidor e com CMOS? Presumo que sim, se você pode vincular 2 x 2 pixels em um (reduzindo efetivamente a resolução 4 vezes).

De acordo com minha pesquisa, mesmo o tamanho do pixel não importa, a teoria da caixa é aplicável às condições de iluminação, pois pixels maiores coletam mais luz, certamente terão uma margem com pouca luz (senso comum), mas a tecnologia do sensor é o fator chave na faixa dinâmica , como faixa dinâmica é a capacidade do sensor de reter os itens vendidos em realces e sombras. Por exemplo, o alcance dinâmico de um sensor mais novo, pequeno ou grande ventilador, é melhor que o alcance dinâmico de um sensor de quadro completo mais antigo