Формат датчика изображения

Сравнительные размеры датчиков

Для быстрого понимания таких цифр, как 1/2,3", см. § Таблицу форматов и размеров датчиков .

Для более широкого освещения этой темы см. Датчик изображения .

В цифровой фотографии формат датчика изображения соответствует форме и размеру датчика изображения .

Формат датчика изображения цифровой камеры определяет угол обзора конкретного объектива при использовании с конкретным датчиком. Поскольку датчики изображения во многих цифровых камерах меньше площади изображения 24 × 36 мм в полнокадровых 35-мм камерах, объектив с заданным фокусным расстоянием дает в таких камерах более узкое поле зрения.

Размер датчика часто выражается в оптическом формате в дюймах. Используются и другие меры; см. таблицу форматов и размеров датчиков ниже.

Объективы, изготовленные для 35-мм пленочных камер, могут хорошо крепиться на цифровые корпуса, но больший круг изображения 35-мм системного объектива пропускает нежелательный свет в корпус камеры, а меньший размер датчика изображения по сравнению с 35-мм пленочным форматом приводит к обрезка изображения. Этот последний эффект известен как обрезка поля зрения. Соотношение размеров формата (по отношению к формату пленки 35 мм) известно как коэффициент обрезки поля зрения, коэффициент обрезки, коэффициент объектива, коэффициент преобразования фокусного расстояния, множитель фокусного расстояния или множитель объектива.

Размер сенсора и глубина резкости

Обсуждаются три возможных сравнения глубины резкости между форматами с применением формул, полученных в статье о глубине резкости . Глубина резкости трех камер может быть одинаковой или разной в любом порядке, в зависимости от того, что остается постоянным при сравнении.

Рассмотрим изображение с одинаковым расстоянием до объекта и углом обзора для двух разных форматов:

${\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {d_{1}}{d_{2}}}$

поэтому степень резкости обратно пропорциональна абсолютному диаметру апертуры. $d_{1}$ и $d_{2}$.

Использование одного и того же абсолютного диаметра апертуры для обоих форматов с одним и тем же критерием «того же изображения» (равный угол обзора, увеличение до одинакового конечного размера) дает одинаковую глубину резкости. Это эквивалентно настройке числа f обратно пропорционально кроп-фактору – меньшее число f для сенсоров меньшего размера (это также означает, что при фиксированной выдержке экспозиция изменяется за счет регулировки требуемого числа f). для выравнивания глубины резкости. Но площадь диафрагмы остается постоянной, поэтому датчики всех размеров получают одинаковое общее количество световой энергии от объекта. Меньший датчик работает с более низким значением ISO , пропорционально квадрату кроп-фактора. ). Это условие равного поля зрения, одинаковой глубины резкости, равного диаметра апертуры и равного времени экспозиции известно как «эквивалентность».

И мы могли бы сравнить глубину резкости датчиков, получающих одинаковую фотометрическую экспозицию — число f фиксировано вместо диаметра апертуры — в этом случае датчики работают с одинаковой настройкой ISO, но меньший датчик получает меньше общего количества изображений. свет, по соотношению площадей. Тогда соотношение глубин резкости будет

${\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{1}}{l_{2}}}$

где $l_{1}$ и $l_{2}$ являются характерными размерами формата и, следовательно, $l_{1}/l_{2}$ — относительный кроп-фактор между датчиками. Именно этот результат порождает распространенное мнение, что маленькие сенсоры дают большую глубину резкости, чем большие.

Альтернативой является рассмотрение глубины резкости, даваемой одним и тем же объективом в сочетании с датчиками разного размера (изменение угла обзора). Изменение глубины резкости вызвано необходимостью разной степени увеличения для достижения одинакового конечного размера изображения. В этом случае соотношение глубин резкости становится

${\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{2}}{l_{1}}}$.

На практике, если применить объектив с фиксированным фокусным расстоянием и фиксированной диафрагмой и сделать круг изображения для удовлетворения требований к большому сенсору, то его необходимо адаптировать, не меняя его физических свойств, к меньшим размерам сенсора, ни глубину резкости. ни свет, собирающийся $\mathrm {lx=\,{\frac {lm}{m^{2}}}}$ изменится.

Размер сенсора, шум и динамический диапазон

Если не учитывать неравномерность фотоотклика (PRNU) и вариации темнового шума, которые по своей сути не зависят от размера сенсора, шумы в датчике изображения представляют собой дробовый шум , шум считывания и темновой шум . Общее отношение сигнал/шум датчика (SNR), выраженное как сигнал электронов относительно среднеквадратичного шума в электронах, наблюдаемое в масштабе одного пикселя, с учетом дробового шума, обусловленного пуассоновским распределением сигнальных электронов и темных электронов, равно

$\mathrm {SNR} ={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {\left({\sqrt {PQ_{e}t}}\right)^{2}+\left({\sqrt {Dt}}\right)^{2}+N_{r}^{2}}}}={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t+Dt+N_{r}^{2}}}}$

где $P$ — поток падающих фотонов (фотонов в секунду на площади пикселя), $Q_{e}$ квантовая эффективность , $t$ время экспозиции, $D$ - темновой ток пикселя в электронах в секунду и $N_{r}$ — среднеквадратичный шум чтения пикселей в электронах.

Каждый из этих шумов по-разному зависит от размера сенсора.

Экспозиция и поток фотонов

изображения Шум датчика можно сравнивать в разных форматах для заданного фиксированного потока фотонов на площадь пикселя ( P в формулах); этот анализ полезен для фиксированного количества пикселей с площадью пикселя, пропорциональной площади датчика, и фиксированным абсолютным диаметром апертуры для фиксированной ситуации изображения с точки зрения глубины резкости, дифракционного предела на объекте и т. д. Или его можно сравнить для фиксированная освещенность фокальной плоскости, соответствующая фиксированному числу f , и в этом случае P пропорциональна площади пикселя, независимо от площади датчика. Формулы выше и ниже можно оценить для любого случая.

Шум выстрела

В приведенном выше уравнении дробовый шум SNR определяется выражением

${\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t}}}={\sqrt {PQ_{e}t}}$.

Помимо квантовой эффективности, она зависит от потока падающих фотонов и времени экспозиции, которое эквивалентно экспозиции и площади сенсора; поскольку экспозиция — это время интегрирования, умноженное на освещенность плоскости изображения , а освещенность — это световой поток на единицу площади. Таким образом, для равных экспозиций отношение сигнал/шум двух датчиков разного размера с одинаковой квантовой эффективностью и количеством пикселей будет (для заданного конечного размера изображения) пропорционально квадратному корню из площади датчика (или линейному масштабному коэффициенту датчик). Если экспозиция ограничена необходимостью достижения некоторой необходимой глубины резкости (с той же выдержкой), тогда экспозиция будет обратно пропорциональна площади сенсора, что приведет к интересному результату: если глубина резкости является ограничением, изображение будет снято. Шум не зависит от площади сенсора. Для объективов с одинаковым числом f отношение сигнал/шум увеличивается как квадратный корень из площади пикселя или линейно с шагом пикселя. Типичные числа f для объективов для мобильных телефонов и зеркальных фотоаппаратов находятся в одном диапазоне. f /1,5–2 интересно сравнить производительность камер с маленьким и большим сенсором. У хорошей камеры мобильного телефона с типичным размером пикселя 1,1 мкм (Samsung A8) соотношение сигнал/шум будет примерно в 3 раза хуже из-за дробового шума, чем у камеры со сменным объективом с размером пикселя 3,7 мкм (Panasonic G85), и в 5 раз хуже, чем у полнокадровой камеры с размером пикселя 6 мкм ( Сони А7 III). Принимая во внимание динамический диапазон, разница становится еще более заметной. Таким образом, тенденция увеличения количества «мегапикселей» в камерах мобильных телефонов в течение последних 10 лет была вызвана скорее маркетинговой стратегией продажи «большего количества мегапикселей», чем попытками улучшить качество изображения.

Чтение шума

Шум считывания — это сумма всех электронных шумов в цепочке преобразования пикселей матрицы датчиков. Чтобы сравнить его с фотонным шумом, его необходимо сопоставить с его эквивалентом в фотоэлектронах, что требует деления шума, измеренного в вольтах, на коэффициент преобразования пикселя. это значение определяется Для активного пиксельного датчика напряжением на входе (затворе) считывающего транзистора, деленным на заряд, который генерирует это напряжение: $CG=V_{rt}/Q_{rt}$. Это обратная емкость затвора считывающего транзистора (и присоединенной плавающей диффузии), поскольку емкость $C=Q/V$. Таким образом $CG=1/C_{rt}$.

В общем, для плоской структуры, такой как пиксель, емкость пропорциональна площади, поэтому шум считывания уменьшается вместе с площадью датчика, пока площадь пикселя масштабируется вместе с площадью датчика, и это масштабирование выполняется путем равномерного масштабирования пикселя.

Учитывая соотношение сигнал/шум из-за шума считывания при заданной экспозиции, сигнал будет масштабироваться по площади датчика вместе с шумом считывания, и, следовательно, на отношение сигнал/шум шума считывания не будет влиять площадь датчика. В ситуации с ограниченной глубиной резкости экспозиция большего датчика будет уменьшена пропорционально площади датчика, и, следовательно, шум считывания SNR также уменьшится.

Темный шум

Темновой ток вносит два вида шума: темновое смещение, которое лишь частично коррелирует между пикселями, и дробовой шум, связанный с темновым смещением, который не коррелирует между пикселями. В приведенную выше формулу включена только составляющая дробового шума Dt , поскольку некоррелированную часть темнового смещения трудно предсказать, а коррелированную или среднюю часть относительно легко вычесть. Средний темновой ток содержит вклады, пропорциональные как площади, так и линейному размеру фотодиода, причем относительные пропорции и масштабные коэффициенты зависят от конструкции фотодиода. Таким образом, в целом можно ожидать, что темновой шум датчика будет возрастать по мере увеличения размера датчика. Однако в большинстве датчиков средний темновой ток пикселя при нормальных температурах невелик, менее 50 э- в секунду. таким образом, для типичного времени фотографической экспозиции темновой ток и связанные с ним шумы можно не учитывать. Однако при очень длительном времени воздействия это может быть ограничивающим фактором. И даже при коротком или среднем времени экспозиции некоторые выбросы в распределении темнового тока могут проявляться как «горячие пиксели». Обычно в астрофотографии датчики охлаждаются для уменьшения темнового тока в ситуациях, когда экспозиция может измеряться за несколько сотен секунд.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — это соотношение наибольшего и наименьшего записываемого сигнала, причем наименьший обычно определяется «минимальным уровнем шума». В литературе по датчикам изображения минимальный уровень шума принимается за шум считывания, поэтому $DR=Q_{\text{max}}/\sigma _{\text{readout}}$ (обратите внимание, шум чтения $\sigma _{readout}$ такое же количество, как $N_{r}$ упоминается в расчете SNR ).

Размер сенсора и дифракция

Разрешение всех оптических систем ограничено дифракцией . Одним из способов учета влияния дифракции на камеры, использующие датчики разных размеров, является рассмотрение передаточной функции модуляции (MTF). Дифракция является одним из факторов, влияющих на общую MTF системы. Другими факторами обычно являются MTF объектива, сглаживающий фильтр и окно выборки датчика. Пространственная частота среза из-за дифракции через апертуру линзы равна

$\xi _{\mathrm {cutoff} }={\frac {1}{\lambda N}}$

где λ — длина волны света, проходящего через систему, а N — f-число линзы. Если эта апертура круглая, как (приблизительно) большинство фотографических апертур, то MTF определяется выражением

$\mathrm {MTF} \left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)={\frac {2}{\pi }}\left\{\cos ^{-1}\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)\left[1-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)^{2}\right]^{\frac {1}{2}}\right\}$

для $\xi <\xi _{\mathrm {cutoff} }$ и $0$ для $\xi \geq \xi _{\mathrm {cutoff} }$ Таким образом, основанный на дифракции коэффициент системы MTF будет масштабироваться в соответствии с $\xi _{\mathrm {cutoff} }$ и в свою очередь согласно $1/N$ (для той же длины волны света).

При рассмотрении влияния размера сенсора и его влияния на конечное изображение необходимо учитывать различное увеличение, необходимое для получения изображения одного и того же размера для просмотра, что приводит к дополнительному масштабному коэффициенту $1/{C}$ где ${C}$ - относительный коэффициент обрезки, что делает общий масштабный коэффициент $1/(NC)$. Учитывая три случая, описанных выше:

Для условий «одного и того же изображения», одинакового угла обзора, расстояния до объекта и глубины резкости числа f находятся в соотношении $1/C$, поэтому масштабный коэффициент для MTF дифракции равен 1, что приводит к выводу, что MTF дифракции при заданной глубине резкости не зависит от размера датчика.

Как в условиях «одинаковой фотометрической экспозиции», так и в условиях «одного и того же объектива» число f не изменяется, и, таким образом, пространственная граница и результирующая MTF на матрице остаются неизменными, в результате чего MTF в просматриваемом изображении масштабируется как увеличение. или обратно пропорционально кроп-фактору.

Формат сенсора и размер объектива

Можно было бы ожидать, что линзы, подходящие для различных размеров сенсоров, можно будет производить, просто масштабируя одни и те же конструкции пропорционально кроп-фактору. Такое упражнение теоретически позволило бы получить объектив с тем же числом f и углом зрения, но с размером, пропорциональным кроп-фактору сенсора. На практике простое масштабирование конструкции линз не всегда достижимо из-за таких факторов, как невозможность масштабирования производственных допусков , структурная целостность стеклянных линз разных размеров, а также доступные технологии производства и стоимость. Более того, для сохранения одинакового абсолютного количества информации в изображении (которое можно измерить как произведение пространства на полосу пропускания ) объектив для сенсора меньшего размера требует большей разрешающей способности. Разработку объектива « Тессар » обсуждает Нассе, и показывает его трансформацию из Объектив f /6.3 для пластинчатых камер , использующий исходную трехгрупповую конфигурацию, вплоть до f /2,8 Четырехэлементная оптика 5,2 мм с восемью чрезвычайно асферическими поверхностями, экономичная в производстве из-за своих небольших размеров. Его характеристики «лучше, чем у лучших 35-мм объективов, но только для очень маленьких изображений».

Подводя итог, можно сказать, что по мере уменьшения размера сенсора конструкции сопутствующих линз будут меняться, часто весьма радикально, чтобы использовать преимущества технологий производства, ставших доступными благодаря уменьшению размера. Функциональность таких объективов также может воспользоваться этими преимуществами, благодаря чему становятся возможными экстремальные диапазоны масштабирования. Эти объективы часто очень велики по сравнению с размером сенсора, но с небольшим сенсором их можно разместить в компактном корпусе.

Маленький корпус означает маленький объектив и небольшой сенсор, поэтому, чтобы смартфоны были тонкими и легкими, производители смартфонов используют крошечный сенсор, обычно меньше 1/2,3 дюйма, используемый в большинстве мостовых камер . Когда-то только Nokia 808 PureView использовала 1/ Сенсор размером 1,2 дюйма почти в три раза больше сенсора размером 1/2,3 дюйма. Преимущество сенсоров большего размера заключается в лучшем качестве изображения, но благодаря усовершенствованиям сенсорной технологии сенсоры меньшего размера могут достичь тех же результатов, что и более ранние сенсоры большего размера. позволить производителям смартфонов использовать датчики изображения размером всего 1/4 дюйма без ущерба для качества изображения по сравнению с бюджетными компактными камерами.

Активная область датчика

Для расчета угла обзора камеры следует использовать размер активной области сенсора. Активная область датчика подразумевает область датчика, на которой формируется изображение в заданном режиме камеры. Активная область может быть меньше сенсора изображения, а активная область может отличаться в разных режимах работы одной и той же камеры. Размер активной области зависит от соотношения сторон сенсора и соотношения сторон выходного изображения камеры. Размер активной области может зависеть от количества пикселей в данном режиме камеры. Размер активной области и фокусное расстояние объектива определяют углы обзора.

Размер сенсора и эффекты затенения

Полупроводниковые датчики изображения могут страдать от эффектов затенения при больших апертурах и на периферии поля изображения из-за геометрии светового конуса, проецируемого из выходного зрачка объектива в точку или пиксель на поверхности датчика. Эффекты подробно обсуждаются Катриссом и Ванделлом. В контексте данного обсуждения наиболее важным результатом из вышеизложенного является то, что для обеспечения полной передачи световой энергии между двумя связанными оптическими системами, такими как выходной зрачок линзы, к фоторецептору пикселя, геометрическая протяженность (также известная как этендю или светопропускание) ) системы линза/пиксель объектива должна быть меньше или равна геометрической протяженности системы микролинза/фоторецептор. Геометрическая протяженность системы линза/пиксель объектива определяется выражением $$G_{\mathrm {objective} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}\,,$$ где w _{пиксель} — это ширина пикселя, а ( f /#) _{— диафрагменное} число объектива. Геометрическая протяженность системы микролинза/фоторецептор определяется выражением $$G_{\mathrm {pixel} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\,,$$ где w _{фоторецептор} — ширина фоторецептора, а ( f /#) _{микролинзы} — f-число микролинзы.

Чтобы избежать затемнения, ${\textstyle G_{\mathrm {pixel} }\geq G_{\mathrm {objective} },}$ поэтому $${\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\geq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}.$$

Если w _{фоторецептор} / w _{пиксель} = ff , коэффициент линейного заполнения линзы, то условие становится $${(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }\leq {(f/\#)}_{\mathrm {objective} }\times {\mathit {ff}}\,.$$

Таким образом, если необходимо избежать затенения, диафрагменное число микролинзы должно быть меньше диафрагменного числа принимающей линзы, по крайней мере, в коэффициент, равный коэффициенту линейного заполнения пикселя. Число f микролинзы в конечном итоге определяется шириной пикселя и его высотой над кремнием, что определяет его фокусное расстояние. В свою очередь, это определяется высотой слоев металлизации, также известной как «высота стопки». Для заданной высоты стопки диафрагменное число микролинз будет увеличиваться по мере уменьшения размера пикселя, и, таким образом, диафрагменное число объектива, при котором происходит затенение, будет иметь тенденцию к увеличению.

Чтобы поддерживать количество пикселей, датчики меньшего размера, как правило, имеют меньшие пиксели, в то время как в то же время требуются меньшие числа f объектива, чтобы максимизировать количество света, проецируемого на датчик. Чтобы бороться с эффектом, описанным выше, пиксели меньшего формата включают в себя конструктивные особенности, позволяющие уменьшить f-число их микролинз. Они могут включать упрощенные конструкции пикселей, которые требуют меньше металлизации, «световые трубки», встроенные в пиксель, чтобы приблизить его видимую поверхность к микролинзе, и « заднюю боковую подсветку », при которой пластина утончается, чтобы обнажить заднюю часть фотодетекторов и микролинзы. Слой размещается непосредственно на этой поверхности, а не на лицевой стороне со слоями разводки.

Распространенные форматы датчиков изображения

Размеры сенсоров, используемых в большинстве современных цифровых камер, относительно стандартного кадра 35 мм.

Для фотоаппаратов со сменной оптикой

Некоторые профессиональные зеркальные, ТА и беззеркальные камеры используют полнокадровую матрицу, размер которой соответствует размеру кадра 35-мм пленки.

В большинстве зеркальных, SLT и беззеркальных камер потребительского уровня используются относительно большие сенсоры, либо немного меньшего размера кадра пленки APS -C, с кроп-фактором 1,5–1,6; или на 30% меньше этого, с кроп-фактором 2,0 (это система Four Thirds , принятая Olympus и Panasonic ).

По состоянию на ноябрь 2013 г. существует только одна беззеркальная модель, оснащенная очень маленьким сенсором, более типичным для компактных камер: Pentax Q7 с сенсором 1/1,7 дюйма (кроп-фактор 4,55). См. «Датчики, которыми оснащаются компактные цифровые фотоаппараты и камерофоны» раздел ниже.

В маркетинге для описания форматов сенсоров DSLR/SLT/беззеркальных матриц используется множество различных терминов, в том числе следующие:

• 860 мм ² Формат полнокадровой цифровой зеркальной камеры с размерами сенсора, почти равными размерам матрицы 35 мм (36×24 мм) от Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony и Sigma .
• 370 мм ² Стандартный формат APS-C от Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (кроп-фактор 1,5) (однако настоящая пленка APS-C больше.)
• 330 мм ² площадь APS-C меньшего формата от Canon (кроп-фактор 1,6)
• 225 мм ² ) Формат системы Micro Four Thirds от Panasonic, Olympus, Black Magic и Polaroid (кроп-фактор 2,0

К устаревшим и снятым с производства датчикам относятся:

• 548 мм ² Датчики Leica ( M8 и M8.2 кроп-фактор 1,33). Современные сенсоры серии M являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• 548 мм ² Формат Canon APS -H для высокоскоростных зеркальных фотокамер профессионального уровня (кроп-фактор 1,3). Современные датчики серии 1D/5D фактически являются полнокадровыми (кроп-фактор 1,0).
• 548 мм ² Формат области APS-H для высококачественной беззеркальной камеры SD Quattro H от Sigma (кроп-фактор 1,35)
• 370 мм ² Формат APS-C с кроп-фактором 1,5 от Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• 286 мм ² области Foveon X3 Формат , используемый в зеркальных фотокамерах Sigma серии SD и беззеркальных камерах серии DP (кроп-фактор 1,7). Более поздние модели, такие как SD1 , DP2 Merrill и большая часть серии Quattro, используют датчик Foveon с кроп-фактором 1,5; еще более поздняя беззеркальная камера Quattro H использует датчик APS-H Foveon с кроп-фактором 1,35.
• 225 мм ² от Формат системы Four Thirds Olympus (кроп-фактор 2.0)
• 116 мм ² площадью 1 дюйм, Формат Nikon CX используемый в серии Nikon 1. и серия Samsung mini-NX (кроп-фактор 2,7)
• 43 мм ² площадь 1/1,7 дюйма Pentax Q7 (кроп-фактор 4,55)
• 30 мм ² площадь 1/2,3 дюйма оригинального Pentax Q (кроп-фактор 5,6). Текущие камеры серии Q имеют кроп-фактор 4,55.

Когда впервые были представлены полнокадровые датчики, производственные затраты могли в двадцать раз превышать стоимость датчика APS-C. диаметром 8 дюймов (20 см) можно изготовить только двадцать полнокадровых датчиков На кремниевой пластине , на которых поместится 100 или более датчиков APS-C, при этом наблюдается значительное снижение выхода продукции из-за большой площади для загрязнений на каждый компонент. Кроме того, изготовление полнокадровой матрицы изначально требовало трех отдельных экспозиций на каждом этапе процесса фотолитографии , что требует отдельных масок и этапов контроля качества. Canon выбрала промежуточный размер APS-H , поскольку на тот момент он был самым большим, на который можно было нанести рисунок с помощью одной маски, что помогало контролировать производственные затраты и управлять доходностью. Новое фотолитографическое оборудование теперь позволяет осуществлять однопроходную экспозицию для полнокадровых датчиков, хотя другие производственные ограничения, связанные с размером, остаются практически теми же.

Из-за постоянно меняющихся ограничений производства и обработки полупроводников , а также из-за того, что производители камер часто приобретают датчики у сторонних литейных предприятий , размеры датчиков обычно незначительно различаются в пределах одного и того же номинального формата. Например, Nikon D3 и D700 номинально полнокадровые сенсоры камер на самом деле имеют размеры 36 × 23,9 мм, что немного меньше, чем кадр 36 × 24 мм на 35-мм пленке. Другой пример: сенсор Pentax K200D (производства Sony ) имеет размеры 23,5 × 15,7 мм, а сенсор современного K20D (производства Samsung ) — 23,4 × 15,6 мм.

Большинство этих форматов датчиков изображения приблизительно соответствуют соотношению сторон 3:2 35-мм пленки. Опять же, система «четыре трети» является заметным исключением: соотношение сторон кадра составляет 4:3, как это наблюдается в большинстве компактных цифровых камер (см. ниже).

Датчики меньшего размера

Большинство датчиков предназначены для камерофонов, компактных цифровых камер и мостовых камер. Большинство датчиков изображения, которыми оснащены компактные камеры, имеют соотношение сторон 4:3. Это соответствует соотношению сторон популярных разрешений дисплеев SVGA , XGA и SXGA во времена появления первых цифровых камер, что позволяет отображать изображения на обычных мониторах без обрезки.

По состоянию на декабрь 2010 г. В большинстве компактных цифровых камер использовались небольшие сенсоры размером 1/2,3 дюйма. К таким камерам относятся Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 и Nikon Coolpix S9100. В некоторых старых цифровых камерах (в основном выпущенных в 2005–2010 годах) использовались сенсоры размером 1/2,5 дюйма еще меньше: к ним относятся Panasonic Lumix DMC-FS62, Canon Powershot SX120 IS, Sony Cyber-shot DSC-S700 и Casio Exilim EX-Z80.

По состоянию на 2018 год к компактным камерам высокого класса с однодюймовыми сенсорами, площадь которых почти в четыре раза превышает площадь обычных компактных фотоаппаратов, относятся Canon PowerShot G-серии (от G3 X до G9 X), Sony DSC серии RX100, Panasonic Lumix TZ100 и Panasonic DMC- ЛХ15. Canon использует датчик APS-C в своей топовой модели PowerShot G1 X Mark III.

В течение многих лет, до сентября 2011 года, существовал разрыв между размерами сенсоров компактных цифровых и зеркальных камер. Ось X представляет собой дискретный набор размеров формата сенсора, используемый в цифровых камерах, а не ось линейного измерения.

Наконец, в линейке Sony есть камеры DSC-RX1 и DSC-RX1R, которые имеют полнокадровый сенсор, обычно используемый только в профессиональных зеркальных камерах, SLT и MILC.

Из-за ограничений по размеру объективов с мощным зумом большинство современных мостовых камер оснащены сенсорами размером 1/2,3 дюйма, такими же маленькими, как и те, которые используются в обычных более компактных камерах. Поскольку размеры объективов пропорциональны размеру сенсора изображения, сенсоры меньшего размера обеспечивают большую величину масштабирования с объективы среднего размера. В 2011 году высококачественная модель Fujifilm X-S1 была оснащена сенсором размером 2/3 дюйма гораздо большего размера. В 2013–2014 годах как Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ), так и Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) выпускали мостовые камеры с сенсорами размером 1 дюйм.

Сенсоры камерофонов обычно намного меньше сенсоров типичных компактных камер, что позволяет добиться большей миниатюризации электрических и оптических компонентов. Размер сенсора около 1/6 дюйма обычно используется в телефонах с фотоаппаратами, веб-камерах и цифровых видеокамерах . Сенсор размером 1/1,83 дюйма в Nokia N8 (2010 г.) был самым большим в телефоне конца 2011 г. Nokia 808 (2012 г.) превосходит компактные камеры с 41 миллионом пикселей и сенсором 1/1,2 дюйма.

Цифровые датчики среднего формата

Самые большие цифровые сенсоры в имеющихся в продаже камерах описываются как « среднеформатные » по отношению к форматам пленок аналогичных размеров. Хотя наиболее распространенная пленка среднего формата, рулон 120 , имеет ширину 6 см (2,4 дюйма) и чаще всего снимается в квадратном формате, наиболее распространенные размеры цифровых сенсоров «среднего формата» составляют примерно 48 мм × 36 мм (1,9 дюйма × 1,4 дюйма), что примерно в два раза больше, чем у полнокадровой матрицы зеркальной фотокамеры.

Доступные ПЗС-сенсоры включают Phase One цифровую заднюю панель P65+ от с сенсором Dalsa размером 53,9 × 40,4 мм (2,12 × 1,59 дюйма), содержащим 60,5 мегапикселей. и зеркальная камера Leica «S-System» с сенсором размером 45 × 30 мм (1,8 × 1,2 дюйма), содержащим 37 мегапикселей. В 2010 году Pentax выпустила цифровую зеркальную фотокамеру среднего формата 40 МП 645D с ПЗС-матрицей размером 44 × 33 мм (1,7 × 1,3 дюйма); более поздние модели серии 645 сохранили тот же размер сенсора, но заменили CCD сенсором CMOS. В 2016 году Hasselblad анонсировала X1D, беззеркальную камеру среднего формата с разрешением 50 МП и CMOS-сенсором 44 × 33 мм (1,7 × 1,3 дюйма). В конце 2016 года Fujifilm нового фотоаппарата Fujifilm GFX 50S среднеформатного беззеркального также анонсировала выход на рынок с CMOS-сенсором 43,8 × 32,9 мм (1,72 × 1,30 дюйма) и разрешением 51,4 МП.

Таблица форматов и размеров датчиков

Различные размеры CMOS-датчиков Omnivision Один датчик OV7910 (1/3 дюйма) и три датчика OV6920 (1/18 дюйма), оба типа с композитным видеовыходом ( NTSC ).

Размеры датчиков выражаются в дюймах, поскольку во времена популяризации цифровых датчиков изображения они использовались для замены трубок видеокамер . Обычные круглые трубки видеокамеры с внешним диаметром 1 дюйм имеют прямоугольную фоточувствительную область около 16 мм по диагонали, поэтому цифровой датчик с размером диагонали 16 мм является эквивалентом видеотрубки диаметром 1 дюйм. Название 1-дюймового цифрового датчика точнее следует читать как «датчик, эквивалентный однодюймовой трубке видеокамеры». Текущие дескрипторы размера цифрового датчика изображения представляют собой эквивалентный размер трубки видеокамеры, а не фактический размер датчика. Например, Датчик размером 1 дюйм имеет размер диагонали 16 мм .

Размеры часто выражаются в долях дюйма, с единицей в числителе и десятичным числом в знаменателе. Например, 1/2,5 преобразуется в 2/5 в виде простой дроби или 0,4 в десятичное число. Эта «дюймовая» система дает результат, примерно в 1,5 раза превышающий длину диагонали датчика. Эта мера « оптического формата » восходит к тому, как выражались размеры изображения видеокамер, использовавшиеся до конца 1980-х годов, и относились к внешнему диаметру стеклянной оболочки трубки видеокамеры . Дэвид Пог из The New York Times утверждает, что «фактический размер сенсора намного меньше, чем тот, который публикуют производители фотоаппаратов, — примерно на одну треть меньше». Например, камера, рекламирующая сенсор размером 1/2,7 дюйма, не имеет сенсора с диагональю 0,37 дюйма (9,4 мм); вместо этого диагональ ближе к 0,26 дюйма (6,6 мм). Вместо «форматов» эти размеры сенсоров часто называют типами , например «ПЗС-матрица типа 1/2 дюйма».

Поскольку дюймовые форматы датчиков не стандартизированы, их точные размеры могут различаться, но перечисленные типичны. Перечисленные площади сенсора охватывают более чем 1000-кратный коэффициент и пропорциональны максимально возможному количеству света и разрешению изображения (одинаковая светосила объектива , т. е. минимальное число f ), но на практике не прямо пропорциональны шуму изображения или разрешению из-за к другим ограничениям. Смотрите сравнения. Для сравнения также включены размеры форматов пленки. Примеры применения телефона или камеры могут не отображать точные размеры сенсора.

Типы и размеры датчиков

Тип	Диагональ (мм)	Ширина (мм)	Высота (мм)	Соотношение сторон	Площадь (мм 2 )	Остановки (район)	Кроп-фактор
1/10"	1.60	1.28	0.96	4:3	1.23	−9.46	27.04
1/8 дюйма (Sony DCR-SR68, DCR-DVD110E)	2.00	1.60	1.20	4:3	1.92	−8.81	21.65
1/6 дюйма (Panasonic SDR-H20, SDR-H200)	3.00	2.40	1.80	4:3	4.32	−7.64	14.14
1/4"	4.50	3.60	2.70	4:3	9.72	−6.47	10.81
1/3,6 дюйма ( Нокиа Люмия 720 )	5.00	4.00	3.00	4:3	12.0	−6.17	8.65
1/3,2 дюйма ( iPhone 5 )	5.68	4.54	3.42	4:3	15.50	−5.80	7.61
1/3,09 дюйма Sony EXMOR IMX351	5.82	4.66	3.5	4:3	16.3	−5.73	7.43
Стандартный для пленки 8 мм. кадр	5.94	4.8	3.5	11:8	16.8	−5.68	7.28
1/3 дюйма ( iPhone 5S , iPhone 6 , LG G3 )	6.00	4.80	3.60	4:3	17.30	−5.64	7.21
1/2,9-дюймовый Sony EXMOR IMX322	6.23	4.98	3.74	4:3	18.63	−5.54	6.92
1/2,7-дюймовый зум-объектив Fujifilm 2800	6.72	5.37	4.04	4:3	21.70	−5.32	6.44
для пленки Super 8 мм. Кадр	7.04	5.79	4.01	13:9	23.22	−5.22	6.15
1/2,5 дюйма ( Nokia Lumia 1520 , Sony Cyber-shot DSC-T5 , iPhone XS )	7.18	5.76	4.29	4:3	24.70	−5.13	6.02
1/2,3 дюйма ( Pentax Q , Sony Cyber-shot DSC-W330, GoPro HERO3, Panasonic HX-A500, Google Pixel/Pixel+, DJI Phantom 3 /Мавик 2 Зум ), Никон П1000 / П900	7.66	6.17	4.55	4:3	28.50	−4.94	5.64
1/2,3-дюймовый Sony Exmor IMX220	7.87	6.30	4.72	4:3	29.73	−4.86	5.49
1/2 дюйма ( Fujifilm HS30EXR , Xiaomi Mi 9 , OnePlus 7 , Espros EPC 660, DJI Mavic Air 2)	8.00	6.40	4.80	4:3	30.70	−4.81	5.41
1/1,8 дюйма ( Nokia N8 ) (Olympus C-5050, C-5060, C-7070)	8.93	7.18	5.32	4:3	38.20	−4.50	4.84
1/1,7 дюйма ( Pentax Q7 , Canon G10, G15, Huawei P20 Pro , Huawei P30 Pro , Huawei Mate 20 Pro )	9.50	7.60	5.70	4:3	43.30	−4.32	4.55
1/1,6 дюйма (Fujifilm f200exr [1] )	10.07	8.08	6.01	4:3	48.56	−4.15	4.30
2/3 дюйма ( Nokia Lumia 1020 , Fujifilm X10 , X20, XF1)	11.00	8.80	6.60	4:3	58.10	−3.89	3.93
1/1,33 дюйма ( Самсунг Галакси С20 Ультра )	12	9.6	7.2	4:3	69.12	−3.64	3.58
Стандартный пленки 16 мм. кадр	12.70	10.26	7.49	11:8	76.85	−3.49	3.41
1/1,2 дюйма ( Нокиа 808 PureView )	13.33	10.67	8.00	4:3	85.33	−3.34	3.24
1/1,12 дюйма ( Сяоми Ми 11 Ультра )	14.29	11.43	8.57	4:3	97.96		3.03
Blackmagic Pocket Cinema Camera и Blackmagic Studio Camera	14.32	12.48	7.02	16:9	87.6	−3.30	3.02
для пленки Super 16 мм. Кадр	14.54	12.52	7.41	5:3	92.80	−3.22	2.97
1 дюйм ( Nikon CX , Sony RX100 , Sony RX10 , Sony ZV1 , Samsung NX Mini )	15.86	13.20	8.80	3:2	116	−2.89	2.72
1-дюймовый цифровой болекс d16	16.00	12.80	9.60	4:3	123	−2.81	2.70
1,1-дюймовый Sony IMX253	17.46	14.10	10.30	11:8	145	−2.57	2.47
Blackmagic Cinema Camera EF	18.13	15.81	8.88	16:9	140	−2.62	2.38
Карманная кинокамера Blackmagic 4K	21.44	18.96	10	19:10	190	−2.19	2.01
Четыре трети , Микро четыре трети («4/3», «м4/3»)	21.60	17.30	13	4:3	225	−1.94	2.00
Blackmagic Production Camera/URSA/URSA Mini 4K	24.23	21.12	11.88	16:9	251	−1.78	1.79
1,5-дюймовый Canon PowerShot G1 X Mark II	23.36	18.70	14	4:3	262	−1.72	1.85
«35 мм» с 2 отверстиями Технископ	23.85	21.95	9.35	7:3	205.23	−2.07	1.81
оригинал Сигма Фовеон Х3	24.90	20.70	13.80	3:2	286	−1.60	1.74
КРАСНЫЙ ДРАКОН 4.5К (ВОРОН)	25.50	23.00	10.80	19:9	248.4	−1.80	1.66
«Супер 35мм» 2 перфор.	26.58	24.89	9.35	8:3	232.7	−1.89	1.62
Canon EF-S , APS-C	26.82	22.30	14.90	3:2	332	−1.38	1.61
Стандартный кадр кинопленки 35 мм (кино)	27.20	22.0	16.0	11:8	352	−1.30	1.59
Blackmagic URSA Mini/Pro 4.6K	29	25.34	14.25	16:9	361	−1.26	1.49
APS-C ( Sony α , Sony E , Nikon DX , Pentax K , Samsung NX , Fuji X )	28.2–28.4	23.6–23.7	15.60	3:2	368–370	от −1,23 до −1,22	1.52–1.54
супер 35 мм 3 перфор. Пленка	28.48	24.89	13.86	9:5	344.97	−1.32	1.51
КРАСНЫЙ ДРАКОН 5K S35	28.9	25.6	13.5	17:9	345.6	−1.32	1.49
Пленка супер 35 мм, 4 перфор.	31.11	24.89	18.66	4:3	464	−0.90	1.39
Canon APS-H	33.50	27.90	18.60	3:2	519	−0.74	1.29
АРРИ АЛЕВ III ( ALEXA SXT , ALEXA MINI , АМИРА), КРАСНЫЙ ГЕЛИЙ 8K S35	33.80	29.90	15.77	17:9	471.52	−0.87	1.28
КРАСНЫЙ ДРАКОН 6K S35	34.50	30.7	15.8	35:18	485.06	−0.83	1.25
Полнокадровая пленка 35 мм ( Canon EF , Nikon FX , Pentax K-1 , Sony α , Sony FE , Leica M )	43.1–43.3	35.8–36	23.9–24	3:2	856–864	0	1.0
АРИ АЛЕКСА ЛФ	44.71	36.70	25.54	13:9	937.32	0.12	0.96
RED MONSTER 8K HV, Panavision Millenium DXL2	46.31	40.96	21.60	17:9	884.74	0.03	0.93
Лейка С	54	45	30	3:2	1350	0.64	0.80
Pentax 645D , Hasselblad X1D-50c, Hasselblad H6D-50c, CFV-50c, Fuji GFX 50S	55	43.8	32.9	4:3	1452	0.75	0.79
Стандартный кадр для пленки 65/70 мм.	57.30	52.48	23.01	7:3	1208	0.48	0.76
АРИ АЛЕКСА 65	59.86	54.12	25.58	19:9	1384.39	0.68	0.72
Кодак КАФ 39000 ПЗС-матрица	61.30	49	36.80	4:3	1803	1.06	0.71
Лист АФи 10	66.57	56	36	14:9	2016	1.22	0.65
Среднеформатные ( Hasselblad H5D-60c, Hasselblad H6D-100c)	67.08	53.7	40.2	4:3	2159	1.32	0.65
Фаза первая P 65+ , IQ160, IQ180	67.40	53.90	40.40	4:3	2178	1.33	0.64
Среднеформатный 6х4,5 см (также называемый форматом 645 )	70	42	56	3:4	2352	1.44	0.614
Средний формат 6×6 см.	79	56	56	1:1	3136	1.86	0.538
IMAX Кадр из фильма	87.91	70.41	52.63	4:3	3706	2.10	0.49
Средний формат 6×7 см.	89.6	70	56	5:4	3920	2.18	0.469
Средний формат 6×8 см.	94.4	76	56	3:4	4256	2.30	0.458
Средний формат 6×9 см.	101	84	56	3:2	4704	2.44	0.43
Широкоформатная пленка 4×5 дюймов.	150	121	97	5:4	11737	3.76	0.29
Широкоформатная пленка 5х7 дюймов.	210	178	127	7:5	22606	4.71	0.238
Широкоформатная пленка 8×10 дюймов.	300	254	203	5:4	51562	5.90	0.143

См. также

• Полнокадровая цифровая зеркальная фотокамера
• Размер сенсора и угол обзора
• Эквивалентное фокусное расстояние 35 мм
• Формат фильма
• Цифровая фотография против пленочной
• Список видеокамер со сменной оптикой с большим сенсором
• Список датчиков, используемых в цифровых камерах
• Угол обзора
• Кроп-фактор
• Поле зрения

Внешние ссылки

• Эрик Фоссум: От фотонов до битов и далее: цифровая наука и технологии , 13 октября 2011 г. (Видео лекции на YouTube)
• Джозеф Джеймс: эквивалентность в Joseph James Photography
• Саймон Тиндеманс: Альтернативные фотографические параметры: независимый от формата подход в обувной коробке 21st Century
• Компактная камера Режимы высоких ISO: отделяем факты от шумихи на dpreview.com, май 2007 г.
• Лучшим компромиссом для компактной камеры является сенсор с 6 миллионами пикселей или лучше сенсор с размером пикселя >3 мкм на 6mpixel.org.
• [2] на сайте hasselblad.com.