DIMENSIONI DEL SENSORE DELLA FOTOCAMERA DIGITALE

Questo articolo mira a rispondere alla domanda:in che modo le dimensioni del sensore della tua fotocamera digitale influenzano i diversi tipi di fotografia? La scelta della dimensione del sensore è analoga alla scelta tra fotocamere a pellicola da 35 mm, medio formato e grande formato, con alcune notevoli differenze esclusive della tecnologia digitale. Spesso si crea molta confusione su questo argomento perché ci sono così tante opzioni di dimensioni diverse e così tanti compromessi relativi alla profondità di campo, al rumore dell'immagine, alla diffrazione, al costo e alle dimensioni/peso.

È possibile trovare informazioni di base su questo argomento nel tutorial sui sensori delle fotocamere digitali.

PANORAMICA DELLE DIMENSIONI DEL SENSORE

Le dimensioni dei sensori attualmente hanno molte possibilità, a seconda del loro utilizzo, del prezzo e della portabilità desiderata. La dimensione relativa per molti di questi è mostrata di seguito:

Le serie 1Ds/5D e Nikon D3 di Canon sono i sensori full frame più comuni. Le fotocamere Canon come la Rebel/60D/7D hanno tutte un fattore di ritaglio 1,6X, mentre le fotocamere reflex Nikon tradizionali hanno un fattore di ritaglio 1,5X. Il grafico sopra esclude il fattore di ritaglio 1,3X, utilizzato nelle fotocamere Canon della serie 1D.

I cellulari con fotocamera e altre fotocamere compatte utilizzano sensori di dimensioni comprese tra ~1/4" e 2/3". Olympus, Fuji e Kodak hanno collaborato per creare un sistema 4/3 standard, che ha un fattore di ritaglio 2X rispetto alla pellicola da 35 mm. Esistono sensori di medio formato e più grandi, tuttavia questi sono molto meno comuni e attualmente proibitivi. Questi non verranno quindi affrontati qui in modo specifico, ma si applicano ancora gli stessi principi.

FATTORE DI TAGLIO E MOLTIPLICATORE DI LUNGHEZZA FOCALE

Il fattore di ritaglio è la dimensione diagonale del sensore rispetto a un sensore full frame da 35 mm . Si chiama così perché quando si utilizza un obiettivo da 35 mm, un sensore di questo tipo ritaglia efficacemente gran parte dell'immagine all'esterno (a causa delle sue dimensioni limitate).

35 mm Full Frame Angolo di visione

Inizialmente si potrebbe pensare che buttare via le informazioni sull'immagine non sia mai l'ideale, tuttavia ha i suoi vantaggi. Quasi tutte le lenti sono più nitide al centro, mentre la qualità degrada progressivamente verso i bordi. Ciò significa che un sensore ritagliato elimina in modo efficace le porzioni di qualità più bassa dell'immagine , che è abbastanza utile quando si utilizzano obiettivi di bassa qualità (poiché questi in genere hanno la peggiore qualità dei bordi).

Foto non ritagliata Ritaglia centrale Taglio d'angolo

D'altra parte, ciò significa anche che si sta portando un obiettivo molto più grande del necessario, un fattore particolarmente rilevante per coloro che portano la propria fotocamera per lunghi periodi di tempo (vedere la sezione seguente). Idealmente, si utilizzerebbe quasi tutta la luce dell'immagine trasmessa dall'obiettivo e questo obiettivo sarebbe di qualità sufficientemente elevata da rendere trascurabile il cambiamento di nitidezza verso i bordi.

Inoltre, le prestazioni ottiche degli obiettivi grandangolari sono raramente pari a quelle delle lunghezze focali maggiori . Poiché un sensore ritagliato è costretto a utilizzare un obiettivo ad angolo più ampio per produrre lo stesso angolo di campo di un sensore più grande, ciò può peggiorare la qualità. I sensori più piccoli ingrandiscono anche maggiormente la regione centrale dell'obiettivo, quindi è probabile che il suo limite di risoluzione sia più evidente per obiettivi di qualità inferiore. Per ulteriori informazioni, consulta il tutorial sulla qualità dell'obiettivo della fotocamera.

Allo stesso modo, il moltiplicatore della lunghezza focale mette in relazione la lunghezza focale di un obiettivo utilizzato su un formato più piccolo con un obiettivo da 35 mm che produce un angolo di campo equivalente , ed è uguale al fattore di ritaglio. Ciò significa che un obiettivo da 50 mm utilizzato su un sensore con un fattore di ritaglio 1,6X produrrebbe lo stesso campo visivo di un obiettivo da 1,6 x 50 =80 mm su un sensore full frame da 35 mm.

Tieni presente che entrambi questi termini possono essere alquanto fuorvianti. La lunghezza focale dell'obiettivo non cambia solo perché un obiettivo viene utilizzato su un sensore di dimensioni diverse, ma solo il suo angolo di campo. Un obiettivo da 50 mm è sempre un obiettivo da 50 mm, indipendentemente dal tipo di sensore. Allo stesso tempo, il "fattore di ritaglio" potrebbe non essere appropriato per descrivere sensori molto piccoli perché l'immagine non viene necessariamente ritagliata (quando si utilizzano obiettivi progettati per quel sensore).

DIMENSIONE DELLE LENTI E CONSIDERAZIONI DEL PESO

Sensori più piccoli richiedono lenti più leggere (per angolo di campo, intervallo di zoom, qualità costruttiva e intervallo di apertura equivalenti). Questa differenza può essere fondamentale per la fauna selvatica, l'escursionismo e la fotografia di viaggio perché tutti questi spesso utilizzano obiettivi più pesanti o richiedono attrezzature per il trasporto per lunghi periodi di tempo. La tabella seguente illustra questa tendenza per una selezione di teleobiettivi Canon tipici della fotografia sportiva e naturalistica:

Un'implicazione di ciò è che se si richiede al soggetto di occupare la stessa frazione dell'immagine su una fotocamera da 35 mm rispetto all'utilizzo di un obiettivo da 200 mm f/2,8 su una fotocamera con un fattore di ritaglio 1,5X (che richiede un obiettivo da 300 mm f/2,8 obiettivo), si dovrebbe trasportare 3,5 volte più peso! Questo ignora anche la differenza di dimensioni tra i due, che può essere importante se non si vuole attirare l'attenzione in pubblico. Inoltre, gli obiettivi più pesanti in genere costano molto di più.

Per le fotocamere SLR, sensori di dimensioni maggiori producono immagini del mirino più grandi e più nitide, il che può essere particolarmente utile durante la messa a fuoco manuale. Tuttavia, questi saranno anche più pesanti e costeranno di più perché richiedono un prisma/pentaspecchio più grande per trasmettere la luce dall'obiettivo al mirino e verso l'occhio.

PROFONDITÀ DEI REQUISITI DI CAMPO

All'aumentare delle dimensioni del sensore, la profondità di campo diminuisce per una data apertura (quando si riempie l'inquadratura con un soggetto della stessa dimensione e distanza). Questo perché sensori più grandi richiedono di avvicinarsi al soggetto o di utilizzare una lunghezza focale maggiore per riempire l'inquadratura con quel soggetto. Ciò significa che è necessario utilizzare dimensioni di apertura progressivamente più piccole per mantenere la stessa profondità di campo su sensori più grandi. Il seguente calcolatore prevede l'apertura e la lunghezza focale richieste per ottenere la stessa profondità di campo (mantenendo la prospettiva).

*Se si desidera la stessa prospettiva.

Come esempio di calcolo, se si desidera riprodurre la stessa prospettiva e profondità di campo su un sensore full frame di quella ottenuta utilizzando un obiettivo da 10 mm a f/11 su una fotocamera con un fattore di ritaglio 1,6X, sarebbe necessario utilizzare un Obiettivo da 16 mm e un'apertura di circa f/18. In alternativa, se si utilizzasse un obiettivo da 50 mm f/1.4 su un sensore full frame, ciò produrrebbe una profondità di campo così ridotta da richiedere un'apertura di 0,9 su una fotocamera con un fattore di ritaglio 1,6X, cosa impossibile con obiettivi di consumo!

Ritratto
(DoF poco profondo) Paesaggio
(DoF grande)

Una profondità di campo inferiore può essere desiderabile per i ritratti perché migliora la sfocatura dello sfondo, mentre una maggiore profondità di campo è desiderabile per la fotografia di paesaggi. Questo è il motivo per cui le fotocamere compatte faticano a produrre una sfocatura significativa dello sfondo nei ritratti, mentre le fotocamere di grande formato faticano a produrre un'adeguata profondità di campo nei paesaggi.

Nota che il calcolatore sopra presuppone che tu abbia un obiettivo sul nuovo sensore (n. 2) in grado di riprodurre lo stesso angolo di campo del sensore originale (n. 1). Se invece utilizzi lo stesso obiettivo, i requisiti di apertura rimangono gli stessi (ma dovrai avvicinarti al soggetto). Questa opzione, tuttavia, cambia anche prospettiva.

INFLUENZA DELLA DIFFRAZIONE

Sensori di dimensioni maggiori possono utilizzare aperture più piccole prima che il disco arioso di diffrazione diventi più grande del cerchio di confusione (determinato dalle dimensioni di stampa e dai criteri di nitidezza). Ciò è principalmente dovuto al fatto che i sensori più grandi non devono essere ingranditi tanto per ottenere la stessa dimensione di stampa. Ad esempio:si potrebbe teoricamente utilizzare un sensore digitale grande quanto 8x10 pollici, e quindi la sua immagine non dovrebbe essere ingrandita per una stampa da 8x10 pollici, mentre un sensore da 35 mm richiederebbe un ingrandimento significativo.

Utilizzare la seguente calcolatrice per stimare quando la diffrazione inizia a ridurre la nitidezza. Nota che questo mostra solo quando la diffrazione sarà visibile se visualizzata sullo schermo al 100%:se questo sarà evidente nella stampa finale dipende anche dalla distanza di visualizzazione e dalle dimensioni di stampa. Per calcolare anche questo, visita:limiti di diffrazione e fotografia.

Tieni presente che l'inizio della diffrazione è graduale, quindi le aperture leggermente più grandi o più piccole del limite di diffrazione sopra non sembreranno improvvisamente migliori o peggiori, rispettivamente. Inoltre, quanto sopra è solo un limite teorico; i risultati effettivi dipenderanno anche dalle caratteristiche della lente. I seguenti diagrammi mostrano la dimensione del disco arioso (capacità di risoluzione massima teorica) per due aperture rispetto a una griglia che rappresenta la dimensione dei pixel:

Risoluzione dei limiti di densità dei pixel
(Requisito DOF poco profondo) Risoluzione dei limiti del disco Airy
(Requisito DOF profondo)

Un'importante implicazione dei risultati di cui sopra è che la dimensione dei pixel limitata alla diffrazione aumenta per sensori più grandi (se i requisiti di profondità di campo rimangono gli stessi). Questa dimensione dei pixel si riferisce a quando la dimensione del disco arioso diventa il fattore limitante nella risoluzione totale, non la densità dei pixel. Inoltre, la profondità di campo limitata dalla diffrazione è costante per tutte le dimensioni del sensore. Questo fattore può essere critico quando si decide su una nuova fotocamera per l'uso previsto, perché più pixel potrebbero non fornire necessariamente una risoluzione maggiore (per i requisiti di profondità di campo). In effetti, più pixel potrebbero persino danneggiare la qualità dell'immagine aumentando il rumore e riducendo la gamma dinamica (sezione successiva).

MISURA IN PIXEL:LIVELLI DI RUMOROSITÀ E GAMMA DINAMICA

I sensori più grandi generalmente hanno anche pixel più grandi (sebbene non sia sempre così), che danno loro il potenziale per produrre un rumore dell'immagine inferiore e hanno una gamma dinamica più elevata. La gamma dinamica descrive la gamma di toni che un sensore può catturare sotto quando un pixel diventa completamente bianco, ma ancora sopra quando la trama è indistinguibile dal rumore di fondo (quasi nero). Poiché i pixel più grandi hanno un volume maggiore, e quindi una maggiore gamma di capacità dei fotoni, generalmente hanno una gamma dinamica più elevata.

Nota:cavità mostrate senza filtri colore presenti

Inoltre, i pixel più grandi ricevono un flusso maggiore di fotoni durante un determinato tempo di esposizione (allo stesso f-stop), quindi il loro segnale luminoso è molto più forte. Per una determinata quantità di rumore di fondo, questo produce un rapporto segnale/rumore più elevato e quindi una foto dall'aspetto più uniforme.

Pixel più grandi
(con un sensore più grande) Pixel più piccoli
(con un sensore più piccolo)

Tuttavia, non è sempre così, perché la quantità di rumore di fondo dipende anche dal processo di fabbricazione del sensore e dall'efficienza con cui la fotocamera estrae le informazioni tonali da ciascun pixel (senza introdurre rumore aggiuntivo). In generale, tuttavia, la tendenza di cui sopra vale. Un altro aspetto da considerare è che anche se due sensori hanno lo stesso rumore apparente se visualizzati al 100%, il sensore con il numero di pixel più elevato produrrà una stampa finale dall'aspetto più pulito . Questo perché il rumore viene ingrandito meno per il sensore di numero di pixel più elevato (per una determinata dimensione di stampa), quindi questo rumore ha una frequenza più alta e quindi appare a grana più fine.

COSTO DI PRODUZIONE DI SENSORI DIGITALI

Il costo di un sensore digitale aumenta notevolmente all'aumentare della sua area. Ciò significa che un sensore con un'area doppia costerà più del doppio, quindi stai effettivamente pagando di più per unità di "immobili del sensore" quando passi a dimensioni maggiori.

Wafer di silicio
(diviso in piccoli sensori) Wafer di silicio
(diviso in sensori di grandi dimensioni)

Si può capirlo osservando come i produttori realizzano i loro sensori digitali. Ogni sensore viene tagliato da un foglio più grande di materiale siliconico chiamato wafer, che può contenere migliaia di singoli chip. Ogni wafer è estremamente costoso (migliaia di dollari), quindi un minor numero di chip per wafer comporta un costo per chip molto più elevato. Inoltre, la possibilità che un difetto irreparabile (troppi hot pixel o altro) finisca in un determinato sensore aumenta con l'area del sensore, quindi la percentuale di sensori utilizzabili diminuisce all'aumentare dell'area del sensore (resa per wafer). Supponendo che questi fattori (chip per wafer e resa) siano i più importanti, i costi aumentano proporzionalmente al quadrato dell'area del sensore (un sensore 2X più grande costa 4X tanto). La produzione nel mondo reale ha una relazione più complicata tra dimensioni e costi, ma questo ti dà un'idea dei costi alle stelle.

Questo non vuol dire però che certi sensori di dimensioni ridotte saranno sempre proibitivi; il loro prezzo potrebbe eventualmente diminuire, ma è probabile che il costo relativo di un sensore più grande rimanga significativamente più costoso (per unità di superficie) rispetto ad alcune dimensioni più piccole.

ALTRE CONSIDERAZIONI

Alcuni obiettivi sono disponibili solo per determinate dimensioni del sensore (o potrebbe non funzionare come previsto altrimenti), che potrebbe anche essere una considerazione se questi aiutano il tuo stile di fotografia. Un tipo notevole sono gli obiettivi tilt/shift, che consentono di aumentare (o diminuire) la profondità di campo apparente utilizzando la funzione di inclinazione. Gli obiettivi tilt/shift possono anche utilizzare lo spostamento per controllare la prospettiva e ridurre (o eliminare) le linee verticali convergenti causate dal puntamento della fotocamera sopra o sotto l'orizzonte (utile nella fotografia architettonica). Inoltre, lenti ultragrandangolari veloci (f/2.8 o superiore) non sono così comuni per i sensori ritagliati, il che può essere un fattore decisivo, se necessario, nello sport o nel fotogiornalismo.

CONCLUSIONI:DETTAGLI DELL'IMMAGINE GENERALE E FATTORI CONCORRENTI

La profondità di campo è molto più ridotta per i sensori di formato più grande, tuttavia si potrebbe anche utilizzare un'apertura più piccola prima di raggiungere il limite di diffrazione (per le dimensioni di stampa e i criteri di nitidezza scelti). Quindi quale opzione ha il potenziale per produrre la foto più dettagliata? Sensori più grandi (e di conseguenza conteggi di pixel più elevati) producono senza dubbio più dettagli se puoi permetterti di sacrificare la profondità di campo. D'altra parte, se desideri mantenere la stessa profondità di campo, sensori di dimensioni maggiori non hanno necessariamente un vantaggio in termini di risoluzione . Inoltre, la profondità di campo limitata alla diffrazione è la stessa per tutte le dimensioni del sensore . In altre parole, se si utilizzasse l'apertura più piccola prima che la diffrazione diventasse significativa, tutte le dimensioni del sensore produrrebbero la stessa profondità di campo, anche se l'apertura limitata della diffrazione sarà diversa.

Note tecniche :Questo risultato presuppone che la dimensione dei pixel sia paragonabile alla dimensione del disco arioso a diffrazione limitata per ciascun sensore in questione e che ciascuna lente sia di qualità comparabile. Inoltre, la funzione dell'obiettivo inclinabile è molto più comune nelle fotocamere di formato più grande, consentendo di modificare l'angolo del piano focale e quindi aumentare l'apparente DoF.

Un altro risultato importante è che se la profondità di campo è il fattore limitante, il tempo di esposizione richiesto aumenta con le dimensioni del sensore a parità di sensibilità. Questo fattore è probabilmente più rilevante per la fotografia macro e notturna. Tieni presente che anche se le foto possono essere scattate a mano in un formato più piccolo, le stesse foto potrebbero non essere necessariamente scattate a mano in un formato più grande.

D'altra parte, i tempi di esposizione potrebbero non aumentare tanto quanto si potrebbe inizialmente supporre, perché sensori più grandi generalmente hanno un rumore più basso (e possono quindi permettersi di utilizzare un'impostazione ISO di sensibilità più elevata pur mantenendo un rumore percepito simile).

Idealmente, i livelli di rumore percepiti (a una determinata dimensione di stampa) generalmente diminuiscono con sensori di fotocamere digitali più grandi (indipendentemente dalla dimensione dei pixel) .

Indipendentemente dalle dimensioni dei pixel, i sensori più grandi hanno inevitabilmente una maggiore area di raccolta della luce. In teoria, un sensore più grande con pixel più piccoli avrà comunque un rumore apparente inferiore (per una data dimensione di stampa) rispetto a un sensore più piccolo con pixel più grandi (e un numero totale di pixel molto più basso). Questo perché il rumore nella fotocamera a risoluzione più alta viene ingrandito meno, anche se può sembrare più rumoroso al 100% sullo schermo del computer. In alternativa, si potrebbe plausibilmente fare la media dei pixel adiacenti nel sensore di numero di pixel più elevato (riducendo così il rumore casuale) pur ottenendo la risoluzione del sensore di numero di pixel inferiore. Questo è il motivo per cui le immagini ridimensionate per il Web e le piccole stampe sembrano così prive di rumore.

Note tecniche :Tutto questo presuppone che le differenze nell'efficacia del microobiettivo e nella spaziatura dei pixel siano trascurabili. Se la spaziatura dei pixel deve rimanere costante (a causa della lettura e di altri circuiti sul chip), densità di pixel più elevate risulteranno in un'area di raccolta della luce inferiore a meno che le microlenti non possano compensare questa perdita. Inoltre, questo ignora l'impatto del pattern fisso o del rumore della corrente oscura, che può variare in modo significativo a seconda del modello della fotocamera e del circuito di lettura.

Nel complesso:sensori più grandi generalmente forniscono un maggiore controllo e una maggiore flessibilità artistica, ma a costo di richiedere obiettivi più grandi e apparecchiature più costose . Questa flessibilità consente di creare una profondità di campo inferiore rispetto a quella possibile con un sensore più piccolo (se lo si desidera), ma ottenere comunque una profondità di campo paragonabile a quella di un sensore più piccolo utilizzando una velocità ISO più elevata e un'apertura più piccola (o quando si utilizza un treppiede ).