Tại sao một cảm biến lớn hơn có dải động tốt hơn?

Tôi đã hiểu tất cả lý thuyết đằng sau việc một cảm biến lớn hơn dẫn đến kiểm soát tốt hơn độ sâu trường ảnh và độ nhiễu thấp hơn. Nhưng tôi vẫn chưa tìm thấy một nơi có thể giải thích tại sao một cảm biến lớn hơn mang lại cho bạn một dải động lớn hơn?

Kích thước của cảm biến không quan trọng, đó là kích thước của pixel. Như đã nói, các cảm biến lớn hơn như trong máy ảnh full frame có xu hướng có pixel lớn hơn.

Bạn có thể ước tính kích thước của pixel bằng cách lấy kích thước của cảm biến và chia cho số pixel. Tính toán này không chính xác vì hầu hết các cảm biến có khoảng cách giữa các pixel và các khoảng trống này khác nhau về kích thước. Đó là lý do tại sao tôi nói "ước tính".

Bây giờ, hãy nghĩ về một pixel trong cảm biến như một cái hộp và photon như những quả bóng. Hộp càng lớn, càng nhiều quả bóng có thể chứa.

Giả sử chúng ta có hộp A và B. Hộp A có thể chứa 256 quả bóng và hộp B có thể chứa 512 quả bóng. Bây giờ chúng ta hãy sắp xếp một ma trận hộp loại A và ném rất nhiều quả bóng lên không trung. Chúng tôi muốn thu thập một số thống kê về nơi những quả bóng rơi.

Ở giữa, một trong các hộp chứa 256 quả bóng và ở các cạnh có các hộp chứa ~ 20 quả bóng. Chúng ta không thể biết nếu ở giữa chỉ có 256 quả bóng rơi xuống hoặc nhiều hơn. Biện pháp của chúng tôi được giới hạn tối đa cho 256 quả bóng.

Bây giờ hãy lặp lại thí nghiệm này nhưng bây giờ với các hộp loại B. Bây giờ chúng ta có thể thấy rằng ở giữa hộp có 347 quả bóng và trên các cạnh của hộp có ~ 20 quả bóng.

Biện pháp của chúng tôi là chính xác hơn nhiều. Đó chính xác là những gì xảy ra với các photon chạm vào cảm biến. Bề mặt lớn hơn có thể chứa nhiều photon hơn và có thể đo được dải động lớn hơn. Trong ví dụ của chúng tôi, phạm vi động lớn gấp đôi trong hộp lớn hơn.

Nếu pixel chứa đầy photon, bản dịch thành màu sẽ là màu bão hòa hoàn toàn nhưng với bề mặt pixel lớn hơn, chúng ta sẽ có kết quả tốt hơn, do đó, dải động được cải thiện.

Đây là một hình ảnh có thể chứng minh lời giải thích của tôi:

Để giải thích sâu hơn, bạn có thể muốn kiểm tra bài viết này:

Dynamic_Range

Xem xét các cảm biến lý tưởng trong đó nhiễu photon là mối quan tâm duy nhất thì cảm biến càng lớn thì dải động càng lớn. Phạm vi động là sự khác biệt giữa điểm mà cảm biến trở nên bão hòa và điểm tại đó bất kỳ chi tiết nào bị mất do nhiễu trong bóng tối.

Một cảm biến lớn hơn sẽ có pixel lớn hơn hoặc nhiều pixel hơn. Các pixel lớn hơn có nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích lớn hơn (tất cả các điểm khác đều bằng nhau) và thu được nhiều ánh sáng hơn trên mỗi pixel do đó ít ánh sáng hơn trong bóng tối, do đó phạm vi động lớn hơn. Nhiều pixel hơn có nghĩa là nhiễu tương tự trên mỗi pixel nhưng trung bình nhiều pixel hơn để giảm nhiễu bóng và do đó tăng phạm vi động.

Trong thực tế, có những nguồn nhiễu khác, cụ thể là nhiễu đọc, trong đó tín hiệu tương tự được tạo ra bởi các photosites thu nhiễu trước khi được số hóa. Điều này có thể có ảnh hưởng đến phạm vi động mạnh hơn nhiều so với sự khác biệt về kích thước cảm biến. Tín hiệu cường độ thấp từ các vùng tối của hình ảnh đặc biệt nhạy cảm với nhiễu đọc do đó ảnh hưởng lớn đến DR.

Công nghệ mới (rút ngắn đường dẫn từ cảm biến sang ADC, gửi tín hiệu hai lần và so sánh kết quả) hầu như có thể loại bỏ nhiễu đọc, điều này cho phép các cảm biến APS-C như Sony Exmor vượt quá phạm vi động của cảm biến toàn khung lớn hơn 2,5 lần của Canon bằng gần như một thứ tự cường độ!

Cũng cần phân biệt giữa dải động trong ánh sáng tốt và dải động trong ánh sáng kém. Cái trước được xác định chủ yếu bằng nhiễu đọc, do đó một cảm biến nhỏ có thể vượt trội với điều kiện nó có độ nhiễu đọc thấp và độ sâu đủ tốt. Loại thứ hai bị chi phối bởi nhiễu photon (tăng ISO trong ánh sáng yếu khuếch đại nhiễu photon nhưng không đọc được nhiễu) do đó các cảm biến lớn hơn có xu hướng hoạt động tốt hơn ở đây. Một lần nữa không phải cảm biến nào cũng đi theo xu hướng.

Không có lý do gì mà một cảm biến lớn hơn có thể cho dải động lớn hơn hoặc độ nhiễu thấp hơn diện tích bề mặt trên mỗi pixel nhiều hơn, tuy nhiên máy ảnh full frame có xu hướng là đơn vị cao cấp hơn và do đó có xu hướng có cảm biến tốt hơn.

Lưu ý rằng không có lý do gì mà độ phân giải thấp hơn, cảm biến nhỏ hơn không thể có hiệu suất nhiễu và dải động tốt hơn nếu được làm ở chất lượng tương tự như cảm biến toàn khung hình. Số lượng pixel trên mỗi inch trên bề mặt cảm biến và chất lượng của cảm biến là các bit quan trọng.

Ví dụ với các hộp rất đúng và giải thích tại sao các cảm biến lớn hơn có dải động lớn. Pixel càng nhỏ thì càng ít quang điện tử mà nó có thể lưu trữ (số lượng quang điện tử tối đa có thể được lưu trữ được gọi là công suất tối đa). hình ảnh (không có sắc thái của màu xám! (:).

Vì vậy, không có nghi ngờ rằng cảm biến lớn hơn có dải động cao hơn nếu mọi thứ khác đều giống nhau.

Câu hỏi là, bạn có thể tăng phạm vi động bằng cách giảm độ phân giải không? Tôi biết rằng người ta có thể làm điều đó với máy ảnh CCD khoa học (cá nhân tôi đã làm điều đó). Nhưng bạn có thể làm tương tự với máy ảnh của người tiêu dùng và với CMOS không? Tôi giả sử nếu bạn có thể liên kết 2x2 pixel thành một (giảm hiệu quả độ phân giải 4 lần).

Theo nghiên cứu của tôi, ngay cả kích thước pixel cũng không thành vấn đề, lý thuyết hộp được áp dụng cho các điều kiện ánh sáng vì các pixel lớn hơn thu được nhiều ánh sáng hơn, nó chắc chắn sẽ có cạnh trong ánh sáng yếu (thông thường) nhưng công nghệ cảm biến là yếu tố chính trong dải động , vì phạm vi động là khả năng của cảm biến giữ lại bán lẻ trong các điểm nổi bật và bóng tối. Ví dụ, dải động của cảm biến mới hơn hoặc quạt lớn hơn tốt hơn dải động của cảm biến toàn khung cũ hơn