Dlaczego kiedykolwiek stworzyli czujniki mniejsze niż pełnoklatkowe?

Od czasu do czasu napotkasz artykuły o tym, jak niesamowite są pełnoklatkowe kamery. Wiele z tego jest prawdopodobnie nadmiernym entuzjazmem wobec nowego urządzenia lub prostego marketingu, ale wydaje mi się, że przynajmniej te rzeczy są prawdziwe:

• Czujnik o dużej powierzchni przechwytuje więcej światła
• Czujnik z dużymi pojedynczymi pikselami miałby mniej szumów
• Większy czujnik może zmieścić znacznie więcej pikseli

Aparaty pełnoklatkowe są znacznie droższe. Jest to dla mnie dziwne, ponieważ miałem wrażenie, że zmniejszenie elektroniki jest zawsze trudniejsze, ponieważ potrzebujesz bardziej precyzyjnego sprzętu.

To musiało być jeszcze ważniejsze u zarania cyfrowych aparatów z jednym obiektywem, wiele lat temu.

Dlaczego więc podjęto decyzję o zmniejszeniu czujników niż film pierwotnie używany w aparatach? AFAIK niektóre obiektywy wykonane do kamer filmowych nadal współpracują z niektórymi lustrzankami cyfrowymi, więc dlaczego odróżnić czujnik od filmu?

Zwróć uwagę, że bardziej interesuje mnie historia pierwszej decyzji (ponieważ rozmiar klatki filmu był status quo, a DLSR i tak były drogie), niż różnica w cenie.

Wytwarzanie dużych urządzeń półprzewodnikowych bez lub z niewielką liczbą wad jest bardzo trudne. Mniejsze są znacznie mniej wymagające.

W szczególności wydajność - proporcja tych, które można wykorzystać - dla półprzewodników spada, gdy próbujesz je powiększyć. Jeśli wydajność jest niska, musisz wyprodukować wiele urządzeń dla każdego dobrego, a to oznacza, że ​​koszt na urządzenie staje się bardzo wysoki: być może wyższy niż rynek. Mniejsze czujniki, z wynikającymi z tego wyższymi wydajnościami, są wtedy zdecydowanie preferowane.

Oto sposób zrozumienia krzywej dochodowości. Powiedzmy, że szansa na defekt na jednostkę powierzchni w procesie wynosi c , i że taka defekt zabije każde urządzenie wykonane z tego kawałka półprzewodnika. Istnieją inne modele wad urządzeń, ale jest to całkiem niezły.

Jeśli chcemy, aby urządzenie, które ma powierzchnię A wtedy szanse, że nie ma defekt (1 - c ) ^A . Jeśli więc A wynosi 1, szansa wynosi (1 - c ) i maleje (ponieważ (1 - c ) jest mniejsza niż jeden), gdy A staje się większe.

Szansa urządzenia z obszarem nie ma defekt jest wydajność: to odsetek dobrych urządzeń obszaru A mamy. (W rzeczywistości wydajność może być niższa, ponieważ mogą istnieć inne rzeczy, które mogą pójść nie tak).

Jeśli znamy wydajność y _A dla decyzji o pewnym obszarze A , możemy wypracować c : c = 1 - y _A ^{1 / A} (otrzymujesz to biorąc logi z obu stron i przestawiając). Równoważnie można obliczyć wydajność w dowolnym innym miejscu, a gdy r = r _A ^{A / A} .

Powiedzmy teraz, że kiedy wykonujemy czujniki 24x36mm (pełnoklatkowe), uzyskujemy wydajność 10%: 90% wytwarzanych przez nas urządzeń nie jest dobrych. Producenci obawiają się powiedzieć, jakie są ich wydajności, ale nie jest to nieprawdopodobnie niskie. Jest to równoważne z twierdzeniem, że c , prawdopodobieństwo uszkodzenia na mm ² wynosi około 0,0027.

A teraz możemy obliczyć plony dla innych obszarów: w rzeczywistości możemy po prostu wykreślić krzywą plonu względem obszaru:

Na tym wykresie zaznaczyłem oczekiwane wydajności dla czujników o różnych rozmiarach mniejszych niż pełne klatki, jeśli wydajność pełnej klatki wynosi 10% (mogą być przybliżone, ponieważ APS-C może oznaczać na przykład różne rzeczy). Jak widać, mniejsze czujniki uzyskują znacznie wyższe wydajności.

Z biegiem czasu, wraz z poprawą procesów produkcyjnych, krzywa wydajności ulega spłaszczeniu, a wydajności dużych czujników poprawiają się. W takim przypadku ceny większych czujników spadają do punktu, w którym rynek poniesie ich koszt.

Pierwsze aplikacje głównego nurtu dla elektronicznych czujników obrazu (czy to Image-Orthicons, Vidicons, Plumbicons, CCDs, czy CMOS aktywnych czujników pikselowych, czy to analogowo-elektroniczny czy cyfrowy przepływ pracy) były na wideo, a nie na zdjęciach.

Wideo podążało za czynnikami podobnymi do filmu. W filmie 35 mm (odpowiednik pełnej klatki) lub nawet 70 mm były egzotycznie dużymi formatami używanymi tylko do rzeczywistej (filmowej) produkcji filmowej ze względu na znaczne koszty.

Ponadto wymagania dotyczące rozdzielczości dla większości aplikacji wideo były znacznie mniejsze - jeśli głównym odbiornikiem telewizyjnym przed HD (maksymalna rozdzielczość 625 linii, może po 1000 pikseli każdy) był głównym celem, możliwości wysokiej rozdzielczości nie były konieczne.

Ponadto w świecie filmowym, który nie jest kinowy, wymagania wobec obiektywów wydają się być inne - znacznie więcej oczekiwań dotyczących szybkości obiektywu i zakresu zoomu, a tym bardziej jakości obrazu. Można to zrobić o wiele bardziej opłacalne dzięki projektom soczewek, które muszą obsługiwać tylko małe koło obrazu.

Cyfrowe aparaty fotograficzne istniały kilka lat przed tym, jak stało się możliwe stosowanie aparatów z wymiennymi obiektywami, które najpierw używały niewielkich czujników, które najprawdopodobniej zostały zaprojektowane lub oparte na projektach wideo.

Czujniki wielkości APS-C były OGROMNE w porównaniu z normalnym czujnikiem aparatu cyfrowego, gdy wprowadzono wczesne lustrzanki cyfrowe; kilka wczesnych pełnoklatkowych lustrzanek cyfrowych (myślę, że Kodak DCS) i ich czujniki były bardzo drogie, prawdopodobnie dlatego, że bardzo mało doświadczenia projektowego w tworzeniu ekonomicznych czujników tej wielkości.

Czujniki obrazu mają bardzo grubą faktyczną strukturę w porównaniu z procesorami lub układami pamięci, nawet w latach 90. używanymi - na przykład zwykły procesor dla komputerów stacjonarnych z późnych lat 90. XX wieku używał funkcji o wielkości 250 nm, która jest znacznie mniejsza niż to, co byłoby fizycznie przydatne na czujnik obrazujący światło widzialne. Dzisiaj 14 nm (!!) dotyczy najnowocześniejszych rozwiązań.

Konieczność uniknięcia dużych rozmiarów matryc na część, niezależnie od rozmiarów konstrukcji, jak już wyjaśniono w innych postach, niewiele się zmieniła.

Duże czujniki kosztują więcej niż małe czujniki z mniej więcej tego samego powodu, dla którego duże telewizory kosztują więcej niż małe telewizory. Porównaj 30-calowy telewizor i 60-calowy telewizor (około 75 cm i 150 cm, jeśli wolisz). Miniaturyzacja nie stanowi problemu - moglibyśmy zmniejszyć wszystkie części 30-calowego telewizora bez żadnych trudności. Telewizor 30-calowy kosztuje mniej niż telewizor 60-calowy, ponieważ zużywa mniej materiałów i wymaga mniej pracy do wykończenia. Oraz 60-calowy telewizor będzie miał wyższy wskaźnik awaryjności - 4 razy środki miejscami znacznie większe szanse, że coś pójdzie nie tak gdzieśna ekranie, tworząc martwy piksel. Ponieważ klienci nienawidzą martwych pikseli, panel, który ma więcej niż jeden lub dwa (a może nawet więcej niż zero), jest złomowany lub sprzedawany jako część tańszego produktu. Koszty produkcji wadliwych jednostek są wliczane w cenę dopuszczalnych jednostek, które są sprzedawane, więc im większy, tym droższe.

Te same uwagi dotyczą czujników obrazu. Nawet najmniejsze czujniki w aparatach prosumenckich mają ogromne możliwości w porównaniu z możliwościami technologii półprzewodnikowej, więc koszt miniaturyzacji nie jest głównym czynnikiem. Kompaktowe aparaty fotograficzne i telefony komórkowe zwykle używają znacznie mniejszych czujników, a nawet telefony budżetowe zwykle mają dwie kamery, a bardziej zaawansowane mają trzy lub cztery! Przy rozsądnych rozmiarach mniejszy kosztuje mniej, nie więcej. W grę wchodzi również problem wady. Im większy zrobisz czujnik, tym bardziej prawdopodobne będzie, że będziesz miał wadę, która wymaga zeskrobania całej rzeczy, a tym więcej pieniędzy (w materiałach) stracisz, kiedy ją złomujesz. To zwiększa koszty, znacznie przekraczając pewien punkt.

Największy format aparatu cyfrowego, jaki można uzyskać w tym piśmie, ma imponujący czujnik 9 x 11 pikseli (to ponad 8-krotność przekątnej czujnika „pełnoklatkowego” lub ponad 64-krotność powierzchni) i ma tylko 12 megapikseli, więc oczywiście miniaturyzacja nie stanowi problemu - te piksele są ogromne . Sprzedaje za ponad 100 000 $.

Ponieważ konkretnie pytałeś o historię ...

Sugerowałbym: rozmiar, wagę i koszt.

Wszystkie te rozważania były równie prawdziwe w czasach przed cyfrowym (tj. Filmowym). Popularnym formatem filmu był rozmiar 110. Zobacz: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

Film 110 był tańszy, aparaty tańsze, a wiele kamer było znacznie mniejszych i lżejszych niż najmniejsze aparaty kompaktowe 35 mm. Mogłyby bardzo łatwo zmieścić się w małej kieszeni. Oczywiście te same ograniczenia istnieją dzisiaj w przypadku aparatów cyfrowych, jak zauważyli inni. Więc dzisiaj nie są to tylko małe i duże czujniki obrazu; były to również małe i duże formaty filmowe.

Na długo przed wprowadzeniem technologii cyfrowej ludzie starali się produkować mniejsze formaty filmów w celu rozwiązania problemów związanych z produkcją, użytecznością i innymi kosztami, które opisano w innych odpowiedziach.

To, co jest obecnie znane jako „pełna klatka”, było kiedyś znane jako „miniatura”. Gdyby nie formaty miniaturowe i subminiaturowe, musielibyśmy nosić ze sobą takie aparaty:

Oprócz tego, co już wspomniano, istnieje szczególnie dobry powód, aby tworzyć mniejsze czujniki do lustrzanek cyfrowych; Ułatwia projektowanie tańszych i lżejszych soczewek dla szybko rozwijającego się rynku konsumenckiego. Ale wciąż wysokiej jakości.

Gdy zmniejszysz czujnik, możesz także zmniejszyć lustro, a następnie zmniejszyć odległość od tylnego elementu w obiektywie do czujnika (tzw. Odległość kołnierza).

Zmniejszenie odległości kołnierza ułatwia projektowanie soczewek; W szczególności obiektywy szerokokątne korzystają z mniejszej odległości kołnierza. Szerokokątny obiektyw zmiennoogniskowy f / 2.8 dla pełnoklatkowego aparatu może być dość kosztowny.

Obecnie, gdy bezlusterkowce stają się coraz bardziej popularne, problem odległości kołnierza został wyeliminowany.

Jednak mniejszy czujnik nadal oznacza, że ​​obiektyw musi jedynie rzutować obraz na mniejszy obszar, wymagając mniejszej średnicy soczewki, przyczyniając się do mniejszych kosztów również w przypadku soczewek.

BTW, o ile wiem (co może być błędne), czujnik nie jest nawet bliski bycia najdroższym komponentem DSLR. Światłomierze (jest ich wiele) są znacznie droższe.

Myślałem, że przeczytałem to z wiarygodnego źródła, ale próba znalezienia źródła w celu potwierdzenia tego faktu zakończyła się niczym; więc prawdopodobnie się tutaj mylę.

Mniejsze czujniki mają wyższą wydajność produkcji, a elektronika do przetworzenia jest tańsza.

Podwój czujnik i zgrubnie potrzebną moc obliczeniową.

W rzeczywistości czujniki DX mają często wyższą rozdzielczość i większy zakres dynamiczny niż filmy, które zastępują.

Oddzielna odpowiedź, ponieważ nie jest powiązana z drugą:

Chociaż czujniki pełnoklatkowe oferują wiele korzyści entuzjastom, artystom i profesjonalnym fotografom, wprowadzają także wady, które w wielu przypadkach są naprawdę niepożądane przez zwykłego użytkownika - a w niektórych przypadkach nawet przez profesjonalnego artystę lub reportera do niektórych zadań:

• Maksymalna osiągalna głębia ostrości jest bardziej ograniczona. Niezwykle wolna przysłona jest niezbędna do uzyskania ekstremalnej głębi ostrości, co prowadzi do problemów, takich jak złe zachowanie przy słabym świetle i widoczność brudu czujnika.

• soczewki będą bardziej nieporęczne, ciężkie i droższe.

• ... szczególnie jeśli chodzi o długie ogniskowe, aby mieć duży zasięg.

• Stabilizacja obrazu będzie trudniejsza ze względu na potrzebę większych ruchów w celu kompensacji drgań.

• Niektóre grupy docelowe będą preferować obrazy o dużej głębi ostrości, wszystko w centrum uwagi, w stylu twardej tonacji, do którego są przyzwyczajeni z kamer urządzeń mobilnych.

Cóż, powiem to w ten sposób. Oto zdjęcie z małym aparatem z matrycą (1 / 2,3 "), współczynnikiem kadrowania 5.6 i czujnikiem klasy APS-C (współczynnik kadrowania 1,66, nieco mniejszy niż APS-C) w maksymalnym położeniu zoomu (do którego duży aparat sięga tylko przy użyciu konwertera teleobiektywu 1,7 ×. Mały aparat ma 3-krotność efektywnej ogniskowej (600 mm) dużego aparatu (200 mm).

Oto te same kamery gotowe do spakowania:

Jeśli próbujesz wykonać zdjęcia ptaków i zbliżeń małych obiektów, większy zakres zoomu aparatu z małą matrycą przewyższy stosunkowo krótki zasięg dużego czujnika. Teraz dzisiejsze czujniki mają większe rozdzielczości niż 10 MP starego aparatu tutaj, ale nawet czujnik 40 MP po prostu kupuje współczynnik ogniskowej 2 razy przy przycinaniu do tej samej liczby pikseli.

Obraz jakość większego czujnika jest dość lepsze, ale że nie kupuje Ci dużo, gdy rozmiar obrazu jest to, że znaczka.