¿Cuál es la relación entre el tamaño del sensor y la calidad de la imagen (ruido, rango dinámico)?

Un sensor de imagen digital es, en última instancia, un dispositivo que utiliza las propiedades fotovoltaicas o fotoconductoras de los fotodiodos para convertir fotones en electrones (carga), que luego pueden leerse como un valor de saturación y convertirse en un píxel digital. Este es un proceso de conversión de analógico a analógico y luego de analógico a digital.

El comportamiento clave de un fotodiodo relevante para la generación de imágenes, la conversión de fotones en electrones , mejora con el área de superficie total. Cuanta más área de superficie, mayor será el área para detectar impactos de fotones por fotodiodo, y mayor será el área del material físico dentro del cual se puede recolectar la carga (señal) de electrones. En otras palabras, un área de píxeles físicos más grande equivale a una relación de señal más alta. La "profundidad" de un pozo es, en última instancia, irrelevante para los sensores CFA de tipo Bayer modernos, ya que una penetración más profunda solo tiene un efecto de filtración... cuanto más profundamente penetra un fotón en un fotodiodo, más luz desplazada al azul se filtrará a favor de la luz desplazada al rojo. luz. Esto se debe a la curva de respuesta.del tipo de silicio utilizado en los fotodiodos... que son más sensibles a las longitudes de onda infrarrojas que a las longitudes de onda de luz visible, y más sensibles a las longitudes de onda de luz visible que a las longitudes de onda de rayos X y ultravioleta.

Finalmente, al ser dispositivos electrónicos, los sensores de imagen producen una variedad de formas de ruido electrónico. En particular, son susceptibles a que se genere un bajo número de electrones en cualquier fotodiodo a partir del bajo nivel de corriente oscura.que siempre pasa por el sensor. Al ser dispositivos sensibles a las frecuencias electromagnéticas, el campo intrínseco del propio sensor puede verse afectado por dispositivos cercanos potentes que emiten frecuencias electromagnéticas propias (si no están protegidos adecuadamente), lo que puede producir bandas. Ligeras diferencias en la respuesta eléctrica exacta de cada píxel pueden producir ligeras variaciones en cómo se lee la carga acumulada en un fotodiodo, y puede haber formas de ruido inducidas térmicamente. Estas formas de ruido crean un piso de señal en el que se vuelve difícil o imposible determinar si un nivel de píxel digital es el producto de una captura real de fotones o debido al ruido electrónico y térmico. Siempre que la señal de la imagen sea mayor que el ruido de fondo, o en otras palabras, la relación señal/ruido (SNR)es alto, se puede producir una imagen útil.

En igualdad de condiciones... y con eso, me refiero a la misma cantidad de píxeles, las mismas características finales de diseño del sensor, la misma cantidad de corriente oscura, la misma cantidad de ruido de lectura... un sensor más pequeño será más ruidoso que un sensor más grande porque el sensor más grande, con exactamente la misma cantidad de píxeles, puede tener un área de superficie más grande para cada uno de esos píxeles, lo que permite capturar más electrones para cualquier golpe de fotón dado. Un píxel más grande tiene un punto de saturación máximo más alto , lo que permite una mayor carga total de electrones antes de que el píxel esté "lleno" o totalmente blanco. Eso aumenta intrínsecamente la SNR, reduciendo el impacto que tiene el ruido electrónico en la señal de la imagen final, produciendo imágenes menos ruidosas exactamente con la misma configuración que un sensor más pequeño.

El rango dinámico es el total utilizablegama tonal disponible de un sensor. En última instancia, se ve afectado por la cantidad de ruido electrónico presente en un sensor y el punto de saturación máxima de los píxeles, o la relación entre la media de ruido electrónico y el punto de saturación máxima de cada píxel en el sensor. Nuevamente, en igualdad de condiciones, el rango dinámico será mejor en un sensor más grande ya que la SNR, incluso a niveles de señal bajos, será ligeramente mejor que un sensor más pequeño, y a niveles de señal más altos puede ser significativamente mejor. Como suele ser el caso con los sensores de imagen en estos días, aumentar el tamaño de píxel, o aumentar la sensibilidad máxima de píxeles (ISO), tiene el efecto de aumentar también la cantidad máxima de ruido de lectura a ISO bajo. En última instancia, esto se debe a un control deficiente sobre el ruido electrónico para empezar, lo que da como resultado un mayor ruido de lectura en ISO mínimo para sensores más grandes que para sensores más pequeños. Si bien el aumento en el ruido de lectura a menudo sigue siendo menor en comparación con el aumento en el punto de saturación máxima y, por lo tanto, no afecta mucho la SNR máxima, puede mitigar o eliminar cualquier ganancia en el nivel mínimo de SNR de los sensores, reduciendo o eliminando cualquier mejora en el rango dinámico. también.