Mengapa sensor yang lebih besar memiliki jangkauan dinamis yang lebih baik?

Saya sudah mengerti semua teori di balik bagaimana sensor yang lebih besar mengarah ke kontrol yang lebih baik dari kedalaman lapangan, dan noise yang lebih rendah. Tapi saya belum menemukan tempat yang bisa menjelaskan mengapa sensor yang lebih besar memberi Anda rentang dinamis yang lebih besar?

Ukuran sensor tidak masalah, itu adalah ukuran pikselnya. Karena itu, sensor yang lebih besar seperti pada kamera full frame cenderung memiliki piksel lebih besar.

Anda dapat memperkirakan ukuran piksel dengan mengambil ukuran sensor dan membaginya dengan jumlah piksel. Perhitungan ini tidak akurat karena sebagian besar sensor memiliki celah antara piksel dan kesenjangan ini berbeda dalam ukuran. Itu sebabnya saya mengatakan "perkiraan".

Sekarang, pikirkan pixel dalam sensor sebagai kotak dan foton sebagai bola. Semakin besar kotaknya, semakin banyak bola yang bisa dikandungnya.

Dengan asumsi kita memiliki kotak A dan B. Kotak A dapat berisi 256 bola dan kotak B dapat berisi 512 bola. Sekarang mari kita susun kotak matriks tipe A dan melempar banyak bola ke udara. Kami ingin mengumpulkan beberapa statistik di mana bola jatuh.

Di tengah salah satu kotak berisi 256 bola dan di tepi kotak berisi ~ 20 bola. Kita tidak bisa tahu apakah di tengahnya hanya 256 bola jatuh atau lebih. Ukuran kami terbatas hingga maksimum untuk 256 bola.

Sekarang mari kita ulangi percobaan ini tetapi sekarang dengan kotak tipe B. Sekarang kita dapat melihat bahwa di tengah kotak berisi 347 bola dan di tepi kotak berisi ~ 20 bola.

Ukuran kami jauh lebih akurat. Itulah yang terjadi dengan foton yang mengenai sensor. Permukaan yang lebih besar dapat mengandung lebih banyak foton dan dapat mengukur rentang dinamis yang lebih besar. Dalam contoh kami, rentang dinamis dua kali lebih besar dari kotak yang lebih besar.

Jika piksel penuh dengan foton terjemahan ke warna akan menjadi warna yang sepenuhnya jenuh tetapi dengan permukaan piksel yang lebih besar kita akan mendapatkan hasil yang lebih baik, dengan demikian, rentang dinamis ditingkatkan.

Berikut adalah gambar yang dapat menunjukkan penjelasan saya:

Untuk penjelasan lebih lanjut, Anda mungkin ingin memeriksa artikel ini:

Dynamic_Range

Mengingat sensor ideal di mana noise foton adalah satu-satunya perhatian maka semakin besar sensor semakin besar rentang dinamis. Rentang dinamis adalah perbedaan antara titik di mana sensor menjadi jenuh dan titik di mana setiap detail hilang karena noise dalam bayangan.

Sensor yang lebih besar akan memiliki piksel lebih besar, atau lebih banyak piksel. Pixel yang lebih besar berarti kapasitas yang lebih besar untuk menyimpan muatan (semuanya sama) dan lebih banyak cahaya yang ditangkap per piksel sehingga lebih sedikit cahaya dalam bayangan, karenanya rentang dinamis yang lebih besar. Lebih banyak piksel berarti noise yang sama per piksel tetapi lebih banyak piksel untuk rata-rata lebih untuk mengurangi kebisingan bayangan, dan karenanya meningkatkan rentang dinamis.

Pada kenyataannya ada sumber kebisingan lain, yaitu kebisingan baca, di mana sinyal analog yang dihasilkan oleh photosites mengambil kebisingan sebelum didigitalkan. Ini dapat memiliki efek pada rentang dinamis yang jauh lebih kuat daripada perbedaan ukuran sensor. Sinyal intensitas rendah dari area gelap gambar sangat sensitif untuk membaca noise karena itu berdampak besar pada DR.

Teknologi baru (memperpendek jalur dari sensor ke ADC, mengirim sinyal dua kali dan membandingkan hasilnya) secara virtual dapat menghilangkan noise baca, ini memungkinkan sensor APS-C seperti Sony Exmor untuk melampaui rentang dinamis sensor bingkai penuh Canon 2,5 kali lebih besar dengan hampir urutan besarnya!

Juga perlu untuk membedakan antara rentang dinamis dalam cahaya yang baik dan rentang dinamis dalam cahaya yang buruk. Yang pertama ditentukan terutama oleh noise baca, maka sensor kecil dapat unggul asalkan memiliki noise baca yang rendah dan kedalaman sumur yang cukup baik. Yang terakhir ini didominasi oleh noise foton (menaikkan ISO dalam cahaya rendah menguatkan noise foton tetapi tidak membaca noise) maka sensor yang lebih besar cenderung berkinerja lebih baik di sini. Sekali lagi tidak setiap sensor mengikuti tren.

Tidak ada alasan bahwa sensor yang lebih besar dapat memberikan rentang dinamis yang lebih besar atau noise yang lebih rendah selain lebih banyak area permukaan per piksel, namun kamera full frame cenderung menjadi unit akhir yang lebih tinggi dan karenanya cenderung memiliki sensor yang lebih baik.

Perhatikan bahwa tidak ada alasan bahwa resolusi yang lebih rendah, sensor yang lebih kecil tidak dapat memiliki noise yang lebih baik dan kinerja rentang dinamis jika dibuat pada kualitas yang mirip dengan sensor full frame. Jumlah piksel per inci pada permukaan sensor dan kualitas sensor adalah bit yang penting.

Contoh dengan kotak sangat benar dan menjelaskan mengapa sensor yang lebih besar memiliki rentang dinamis yang besar. Semakin kecil piksel, semakin sedikit fotoelektron yang dapat disimpannya (jumlah maksimum fotoelektron yang dapat disimpan disebut kapasitas sumur penuh). Dengan menyusutkan sensor, kita dapat mencapai situasi bahwa hanya beberapa elektron yang dapat disimpan yang menghasilkan hitam-putih. gambar (tidak ada nuansa abu-abu! (:).

Jadi tidak ada keraguan bahwa sensor yang lebih besar memiliki jangkauan dinamis yang lebih tinggi jika yang lainnya sama.

Pertanyaannya adalah, dapatkah Anda meningkatkan rentang dinamis dengan menurunkan resolusi? Saya tahu orang dapat melakukannya dengan kamera CCD ilmiah (saya pribadi yang melakukannya). Tetapi dapatkah Anda melakukan hal yang sama dengan kamera konsumen dan dengan CMOS? Saya berasumsi ya jika Anda dapat mengikat 2x2 piksel menjadi satu (secara efektif mengurangi resolusi 4 kali).

Menurut penelitian saya, bahkan ukuran piksel tidak masalah, teori kotak berlaku untuk kondisi pencahayaan karena piksel yang lebih besar mengumpulkan lebih banyak cahaya, itu pasti akan memiliki keunggulan dalam cahaya rendah (akal sehat) tetapi teknologi sensor adalah faktor kunci dalam rentang dinamis , karena rentang dinamis adalah kemampuan sensor untuk mempertahankan ritel di highlight dan bayangan. Misalnya rentang dinamis sensor baru atau kecil, kipas besar lebih baik daripada rentang dinamis sensor bingkai penuh yang lebih lama