Почему они когда-либо делали меньше, чем полнокадровые датчики?

Время от времени вы будете сталкиваться со статьями о том, какие потрясающие полнокадровые камеры. Многое из этого, вероятно, является чрезмерным энтузиазмом по поводу нового оборудования или простого маркетинга, но мне кажется, что по крайней мере эти вещи являются правдой:

• Датчик с большой площадью захватывает больше света
• Датчик с большими отдельными пикселями будет иметь меньше шума
• Большой датчик может вместить гораздо больше пикселей

Полнокадровые камеры намного дороже. Это странно для меня, так как у меня сложилось впечатление, что делать электронику меньше всегда сложнее, поскольку вам нужно более точное оборудование.

Должно быть, это было еще важнее на заре цифровых однообъективных камер много лет назад.

Так почему же было принято решение сделать датчики меньше, чем пленка, изначально использованная в камерах? AFAIK Некоторые объективы, предназначенные для пленочных камер, по-прежнему работают с некоторыми зеркальными фотокамерами, так почему же датчик отличается от пленочного?

Обратите внимание, что меня больше интересует история первоначального решения (поскольку размер кадра фильма был статус-кво, а DLSR в любом случае были дорогими), чем разница в цене.

Изготовление больших полупроводниковых приборов без или с очень небольшим количеством дефектов очень сложно. Меньшие из них гораздо менее требовательны к изготовлению.

В частности, урожайность - доля тех, которые вы делаете, которые пригодны для использования - для полупроводников падает, когда вы пытаетесь увеличить их. Если доходность низкая, то вам нужно сделать много устройств для каждого хорошего, и это означает, что стоимость одного устройства становится очень высокой: возможно, выше, чем на рынке. Меньшие датчики, с получающимися в результате более высокими выходами, тогда сильно предпочтены.

Вот способ понять кривую доходности. Предположим, что вероятность дефекта на единицу площади в процессе равна c , и такой дефект уничтожит любое устройство, состоящее из этого полупроводника. Существуют и другие модели дефектов в устройствах, но это довольно хорошая модель.

Если мы хотим , чтобы сделать устройство , которое имеет площадь А то шанс , что не имеющий дефект (1 - с ) ^A . Таким образом, если A равно 1, то вероятность равна (1 - c ), и она становится меньше (поскольку (1 - c ) меньше единицы) по мере того, как A становится больше.

Вероятность того, что устройство области A не будет иметь дефектов, является выходом: это доля хороших устройств области A, которую мы получаем. (На самом деле урожай может быть ниже, потому что могут быть и другие вещи, которые могут пойти не так).

Если мы знаем , что выход у _А для decives некоторого некоторой области А , то мы можем работать C : с = 1 - у _A ^{1 / A} (вы получите это, беря журналы обеих сторон и перегруппировки). Эквивалентно , мы можем вычислить выход для любой другой области а , как у = у _A ^{A / A} .

Итак, давайте предположим, что когда мы производим 24x36 мм (полнокадровые) датчики, мы получаем доходность 10%: 90% устройств, которые мы производим, не годятся. Производители стесняются говорить о том, что их доходность, но это не невероятно низко. Это равносильно тому, что c вероятность появления дефекта на мм ² составляет примерно 0,0027.

И теперь мы можем вычислить доходность для других областей: фактически мы можем просто построить кривую доходности против области:

На этом графике я отметил ожидаемые выходы для датчиков с размерами менее полного кадра, если выход полного кадра составляет 10% (они могут быть приблизительными, например, APS-C может означать разные вещи). Как вы можете видеть, меньшие датчики получают гораздо более высокую урожайность.

Со временем, когда производственные процессы улучшаются, эта кривая доходности выравнивается, и выходы для больших датчиков улучшаются. Когда это происходит, более крупные датчики падают в цене до такой степени, что рынок будет нести их стоимость.

Первые основные приложения для электронных датчиков изображения (будь то Image-Orthicons, Vidicons, Plumbicons или CCDs или CMOS-активные пиксельные датчики, будь то аналоговые электронные или цифровые рабочие процессы) были в видео, а не в неподвижных изображениях.

Видео следовало форм-факторам, похожим на кинофильм. В кинофильмах 35 мм (эквивалентно кадру в полнокадровом режиме) или даже 70 мм были экзотически большими форматами, которые использовались только для фактического (кинематографического) производства фильмов из-за значительных затрат.

Кроме того, требования к разрешению для большинства видеоприложений раньше были намного меньше - если домашние телевизоры до HD (максимальное разрешение 625 строк, может быть, 1000 пикселей каждая) были основной целью, возможности высокого разрешения не были необходимы.

Кроме того, в мире кинематографических изображений, не связанных с кинематографом, требования к объективам выглядят по-разному - гораздо больше ожиданий в отношении скорости объектива и диапазона масштабирования, а также гораздо меньше в отношении качества изображения. Это может быть сделано намного более экономически эффективным с линзами, которые должны обслуживать только небольшой круг изображения.

Цифровые фотоаппараты существовали за несколько лет до того, как камеры со сменными объективами стали правдоподобными, и они сначала использовали крошечные датчики, которые, скорее всего, были разработаны или основаны на проектах для видео.

Датчики размера APS-C были ОГРОМНЫ по сравнению с обычным датчиком цифровой камеры, когда были представлены первые зеркальные фотокамеры; Несколько ранних полнокадровых зеркальных фотокамер (например, DCS от Kodak) и их сенсоры были чрезвычайно дорогими, возможно, потому, что при создании экономичных сенсоров такого размера было очень мало опыта проектирования.

Датчики изображения имеют очень грубую фактическую структуру по сравнению с используемыми процессорами или микросхемами памяти даже в 1990-х годах - например, обычный центральный процессор для настольных компьютеров конца 1990-х годов имел размер 250 нм, что значительно меньше, чем физически полезный для датчик изображения в видимом свете. Сегодня 14nm (!!) о современном уровне техники.

Необходимость избегать больших размеров матрицы на деталь, независимо от размеров конструкции, как уже объяснялось в других статьях, не сильно изменилась.

Большие датчики стоят больше, чем маленькие, более или менее по той же причине, по которой большие телевизоры стоят дороже, чем маленькие. Сравните 30-дюймовый телевизор и 60-дюймовый телевизор (около 75 см и 150 см, если хотите). Миниатюризация не проблема - мы могли бы уменьшить размеры всех частей 30-дюймового телевизора без каких-либо трудностей. 30-дюймовый телевизор стоит дешевле, чем 60-дюймовый, потому что он использует меньше материалов и требует меньше работы, чтобы закончить. И 60-дюймовый телевизор будет иметь более высокий процент брака - в 4 раза средство площади гораздо выше вероятность того, что что - то идет не так где - тона экране, создавая битый пиксель. Поскольку клиенты ненавидят битые пиксели, панель с более чем одним или двумя (или, может быть, даже больше нуля) списывается или продается как часть более дешевого продукта. Производственные затраты на неисправные блоки включаются в цену приемлемых единиц, которые продаются, поэтому, чем больше вы идете, тем дороже становятся вещи.

Те же соображения применимы к датчикам изображения. Даже самые маленькие датчики на профессиональных камерах имеют огромные возможности по сравнению с тем, на что способны полупроводниковые технологии, поэтому стоимость миниатюризации не является основным фактором. Компактные камеры и мобильные телефоны обычно используют гораздо меньшие датчики, и даже бюджетные телефоны обычно имеют две камеры, а у более красивых - три или четыре! При разумных размерах меньшие затраты меньше, не больше. Проблема дефекта также входит в игру. Чем больше вы сделаете сенсор, тем больше вероятность того, что у вас будет дефект, который потребует от вас утилизировать все это, и тем больше денег (в материалах) вы потеряете, когда вы его утилизируете. Это приводит к увеличению затрат по размеру, значительно превышающему определенный уровень.

Цифровая камера самого большого формата, которую вы можете получить на момент написания этой статьи, имеет колоссальный сенсор 9 "x11" (это более чем в 8 раз больше диагонали "полнокадрового" сенсора или более чем в 64 раза больше площади) и имеет только 12 мегапикселей, поэтому очевидно, что миниатюризация не проблема - эти пиксели огромны . Это продается за 100 000 долларов.

Потому что ты специально спросил об истории ...

Я бы предложил: размер, вес и стоимость.

Все эти соображения были в равной степени верны в до-цифровые (то есть кино) дни. Популярный формат фильма был 110 размер. Смотрите: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

110 пленка была дешевле, камеры были дешевле, а многие камеры были намного меньше и легче, чем самые маленькие 35-мм пленочные компакты. Они могли очень легко поместиться в маленький карман. Конечно, те же самые ограничения существуют сегодня с цифровыми камерами, как указали другие. Так что сегодня это не просто маленькие и большие датчики изображения; это был также маленький и большой формат фильмов тогда.

Задолго до появления цифровых технологий люди стремились выпускать меньшие форматы фильмов для решения вопросов производства, удобства использования и других вопросов, связанных с затратами, которые описаны в других ответах.

То, что сейчас известно как «полный кадр», когда-то называлось «миниатюра». Если бы не миниатюрные и суб миниатюрные форматы, нам пришлось бы носить с собой такие камеры:

Помимо того, что уже было упомянуто, есть особенно веская причина для создания меньших датчиков для зеркальных фотокамер; Это облегчает разработку более дешевых и легких линз для быстро растущего потребительского рынка. Но все же высокого качества.

Когда вы уменьшаете датчик, вы также можете уменьшить зеркало, а затем уменьшить расстояние от заднего элемента объектива до датчика (так называемое расстояние между фланцами).

Уменьшение расстояния между фланцами облегчает конструирование линз; В особенности широкоугольные объективы выигрывают от меньшего расстояния между фланцами. Широкоугольный зум-объектив f / 2.8 для полнокадровой камеры может быть довольно дорогостоящим.

Сегодня, когда беззеркальные становятся все более популярными, проблема расстояния между фланцами устранена.

Тем не менее, меньший датчик по-прежнему означает, что объектив должен проецировать изображение только на меньшую область, для чего требуется меньший диаметр объектива, что также способствует меньшим затратам на объективы.

Кстати, насколько мне известно (что может быть неправильно), датчик даже близко не является самым дорогим компонентом зеркалки. Люксметры (их много) гораздо дороже.

Я думал, что прочитал это из уважаемого источника, но попытка найти источник, чтобы подтвердить этот факт, закончилась ничем; так что я, наверное, ошибаюсь здесь.

Меньшие датчики имеют более высокую производительность, а электронная обработка - более низкая стоимость.

Удвойте датчик и примерно возведите в порядок необходимую вычислительную мощность.

Реальность такова, что датчики DX часто имеют более высокое разрешение и больший динамический диапазон, чем пленки, которые они заменяют.

Отдельный ответ, так как он не связан с другим:

Несмотря на то, что полнокадровые датчики приносят большую пользу энтузиасту, артистическому и профессиональному фотографу, они также имеют недостатки, которые во многих случаях действительно нежелательны для обычного пользователя, а в некоторых случаях даже для профессионального художника или репортера при выполнении определенных задач:

• Максимально достижимая глубина резкости более ограничена. Чрезвычайно медленные апертуры необходимы для предельной глубины резкости, что приводит к таким проблемам, как плохое управление при слабом освещении и видимость грязи на сенсоре.

• линзы будут более громоздкими, тяжелыми и дорогими.

• ... особенно, когда дело доходит до длинных фокусных расстояний, чтобы иметь длинный охват.

• Стабилизация изображения будет более сложной из-за необходимости больших движений для компенсации дрожания.

• Некоторые целевые группы предпочитают изображения с высокой глубиной резкости, все в фокусе, стиль жесткой тональности, к которому они привыкли с камер мобильных устройств.

Ну, позвольте мне сказать это так. Вот фотография с небольшой сенсорной камерой (1 / 2,3 "), коэффициентом обрезки 5,6 и датчиком класса APS-C (коэффициент обрезки 1,66, немного меньше, чем у APS-C) в положении максимального увеличения (которого достигает большая камера) только при использовании телеконвертера 1,7x.) У маленькой камеры эффективное фокусное расстояние (600 мм) большой камеры (200 мм) в 3 раза больше.

Вот такие же камеры, готовые к упаковке:

Если вы попытаетесь сделать снимки небольших объектов с птицами и крупным планом, более длинный диапазон увеличения камеры с небольшим сенсором превзойдет сравнительно короткий диапазон большого сенсора. Теперь сегодняшние датчики имеют большее разрешение, чем 10-мегапиксельная камера старой камеры, но даже 40-мегапиксельный сенсор дает вам фокусное расстояние в 2 раза при кадрировании до того же количества пикселей.

Качество изображения большего сенсора намного лучше, но это не очень выгодно, если размер изображения соответствует марке.