Para el mismo FOV y f-stop, ¿el flujo luminoso total aumentará linealmente con el área del sensor?

Para el mismo FOV y f-stop, ¿el flujo luminoso total aumentará linealmente con el área del sensor?

Sí, el flujo luminoso total aumentará. Pero la fotografía no mide la exposición o el brillo ¹ utilizando el flujo luminoso total. Basa la exposición en la luz por unidad de área.

Es decir, para el mismo FOV y f-stop, ¿la cámara con sensor grande solo necesitaría la mitad del tiempo de exposición para lograr el mismo EV que la cámara con sensor pequeño?

No. Esto se debe a que, por definición, EV, o Valor de exposición , es una combinación de números f equivalentes (Av para valor de apertura ) y tiempos de exposición (Tv para valor de tiempo ) que producen la misma cantidad de exposición por unidad de área.²

Nuevamente, todo el concepto de valor de exposición se basa en la luz por unidad de área .

Por lo general, se supone, a menos que se indique explícitamente lo contrario, que EV = EV ₁₀₀ .

Por ejemplo, algunas de las combinaciones para EV9 (EV ₁₀₀ 9) son f/1 @ 1/500, f/1.4 @ 1/250, f/2 @ 1/125, f/2.8 @ 1/60, f/4 @ 1/30, y así sucesivamente. Llevándolo a la escala de 1/3 de paso, f/2.2 @ 1/160 y f/2.5 @ 1/200 también son EV9.

Del mismo modo, EV ₂₀₀ 9 son combinaciones de número f y Tv que son un atenuador de una parada (es decir, se permite que entre la mitad de la luz en la cámara): f/1 @ 1/1000, f/1.4 @ 1/500, f/ 2 @ 1/250, y así sucesivamente.

Las mismas combinaciones de Av y Tv para EV9 son las combinaciones para EV ₂₀₀ 10. Debido a que ISO 200 es un paso más sensible (película) o amplificado un paso más (digital) que ISO 100, entonces EV ₂₀₀ = EV ₁₀₀ + 1.

Dado que ISO 800 es tres pasos más sensible/amplificado que ISO 100, entonces EV ₈₀₀ = EV ₁₀₀ + 3. Es decir, las combinaciones de Av y Tv que son EV9 serían combinaciones de EV ₈₀₀ 12.

Tenga en cuenta que si la iluminación de la escena es constante, los EV más altos permiten que entre menos luz en la cámara, no más. Lo que tendemos a considerar EV "brillantes", como EV16 que es aproximadamente igual a la regla general "soleado 16", en realidad permite que entre menos luz en la cámara con una escena de luz constante que lo que tendemos a pensar como " dim", como el EV8, que se usa a menudo para deportes nocturnos con iluminación artificial. Los EV más bajos son combinaciones Tv/Av más brillantes¹ que se utilizan para compensar las escenas más tenues. Los EV más altos son combinaciones Tv/Av más tenues que se utilizan para compensar las escenas más brillantes.

Estrictamente hablando, el valor de exposición no es una medida de la intensidad de la luz, aunque hoy en día a menudo se usa incorrectamente de esa manera. Cuando alguien dice algo como "la escena es EV9", lo que realmente está diciendo es que la escena tiene, en promedio, un nivel de brillo particular tal que estará "correctamente" expuesta (sea lo que sea) usando cualquier combinación de Tv , Av e ISO que es igual a EV9.

Esto será más cierto en una escena con el mismo brillo general general, como un parque de la ciudad bajo un cielo nublado al mediodía, que en una escena con marcadas diferencias en los niveles de brillo de una parte a otra, como un paisaje urbano en la noche que es mayormente muy oscuro con pequeñas áreas de luces brillantes y pequeñas áreas brillantes iluminadas por luces. En el segundo caso, si se usara un medidor de luz incidente y se expusiera en función del nivel de luz general promedio de la escena, la imagen estaría muy sobreexpuesta con las áreas muy oscuras de la escena con un brillo medio ("18 % de gris"). " si estuviéramos filmando en blanco y negro) y los reflejos especulares y otras áreas pequeñas de la escena que están muy iluminadas se apagarían por completo.

Entonces, supongamos que se encuentra en una situación de poca luz y está decidiendo qué velocidad de obturación debe elegir para lograr ( sic ) cierta calidad de imagen, en particular, para mantener S:N por encima de cierto nivel.

Anteriormente en su pregunta, le preocupa mantener la misma exposición. ¿Ahora quieres la misma SNR? Los dos no son lo mismo. De hecho, la diferencia entre los dos es por qué los sensores más grandes funcionan mejor con poca luz que los sensores más pequeños.

Para simplificar, supongamos que las dos cámaras tienen la misma resolución. Por lo tanto, la cámara con el doble de tamaño del sensor tendrá el doble de tamaño de píxel y, por lo tanto, recogerá el doble de luz por píxel.

Verdadero. (Si uno reconoce que los sensores no tienen píxeles, tienen fotositos o sensores. Solo las imágenes digitales grabadas y los medios que las muestran tienen píxeles).

Por lo tanto, una cámara con el doble del tamaño del sensor tendrá aproximadamente el doble de sensibilidad y solo necesitará aproximadamente la mitad del tiempo de exposición [o sería 1/sqrt(2) el tiempo de exposición, ya que S:N varía como sqrt(señal)? ] de la cámara con sensor más pequeño para lograr el mismo rendimiento con poca luz.

Lo que extraña aquí es que los sensores con fotositos más grandes (a/k/a píxeles ( sic ) o sensels ) no usan la misma cantidad de amplificación analógica para tener la misma sensibilidad ISO. Si la resolución de ambos sensores es la misma, entonces los sitios de fotos del sensor más grande son dos veces más grandes que los sitios de fotos del sensor más pequeño. La reducción de la amplificación permite valores de pozo más altos para fotositos más grandes antes de que se recorten los reflejos, lo que proporciona un mayor rango dinámico. Aumentar el tamaño de los fotositos también reduce la variabilidad de un fotosito al siguiente debido a la distribución aleatoria de fotones dentro de un campo de luz. Cuanto mayor sea el área de cada fotosito, mayor será el promedio de este ruido de distribución de Poisson.

"S:N varía como sqrt (señal)" solo es cierto para el ruido atribuible a la distribución aleatoria de fotones dentro de un campo de luz, a veces llamado ruido de disparo o ruido de distribución de Poisson. El ruido electrónico y la energía oscura agregados por una cámara no varían según la raíz cuadrada de la señal, sino que permanecen bastante constantes para cualquier conjunto particular de condiciones ambientales, principalmente la temperatura del sensor y los circuitos, independientemente del nivel de señal resultante de la caída de fotones. en el sensor Con un ISO más bajo y una exposición más brillante, la principal fuente de ruido es la electrónica de la cámara. Con un ISO más alto y una exposición más tenue, la principal fuente de ruido es el ruido de los disparos.

Un sensor más grande no es más sensible a la misma ISO, se amplifica menos que el sensor más pequeño para la misma configuración ISO. Si el número total de fotones recolectados es el mismo, una amplificación analógica más baja significa que se alimentan voltajes más bajos al ADC y los números que salen del otro lado del ADC son más bajos para el sensor más grande. Debido a la menor amplificación analógica, el sensor más grande necesita el doble de energía luminosa para terminar con el mismo nivel de brillo¹ en el ADC.

Por lo tanto, para la misma exposición (velocidad de obturación), cada píxel en la cámara con sensor más grande capta la misma proporción de la imagen que en la cámara con sensor pequeño, pero obtiene el doble de luz para esa misma subimagen. Con la misma resolución, cada píxel es responsable del mismo porcentaje de la imagen, independientemente del tamaño del sensor. Es decir, si desea comparar entre diferentes tamaños de formato, lo que importa no es la luz por unidad de área del sensor, es la luz total por imagen total.

En cierto sentido, tiene razón, pero no es así como funciona en la práctica porque los fabricantes de cámaras (digitales) y los químicos de películas antes que ellos eligieron crear un sistema de números f y sensibilidad de película de una manera que se adapte al uso de los mismos números. para la apertura, como una relación entre la distancia focal y el diámetro de la pupila de entrada, que contiene la misma cantidad de luz por unidad de área, independientemente del tamaño del formato. ISO en una cámara digital no es un valor absoluto, es un número calibrado diseñado para permitir el mismo brillo general de la imagen para la misma combinación de número f, tiempo de exposición e ISO, independientemente del tamaño del formato. Esto sigue directamente la forma en que se creó el sistema EV para películas de varios tamaños de área y lentes de varias distancias focales.

Para hacer que los números, algunos de los cuales se basan en √2 y otros que se basan en el logaritmo de ₂ (√2), sean más fáciles de manejar, supongamos por un momento que el sensor más grande tiene el doble del tamaño lineal y cuatro veces el área. tamaño del más pequeño.

Si su objetivo es utilizar el sensor más grande para producir una imagen con la misma SNR del sensor más pequeño, reduciría a la mitad el tiempo de exposición. Pero para que la imagen sea igualmente brillante¹ en el ADC, también deberá duplicar el ISO. Por lo tanto, está regalando la ventaja de la capacidad del sensor más grande para funcionar mejor que el más pequeño en condiciones de poca luz a cambio de un tiempo de exposición más corto. Hay casos en los que esto sería apropiado, como cuando la cámara o el movimiento del sujeto entran en juego.

El flujo luminoso por unidad de área solo sería la métrica relevante si las personas imprimieran o vieran sus fotos en un tamaño proporcional al tamaño del sensor utilizado para tomarlas".

¿Ha utilizado alguna vez una ampliadora en un cuarto oscuro húmedo? Hacemos "trampa" en el cuarto oscuro usando más luz para imprimir un 11x14 del mismo negativo que la que usamos para imprimir un 5x7. Del mismo modo, suponiendo que ambos estén calibrados con los mismos cd/m² (nits), un monitor de 32" permitirá que pase más energía total a través del panel y que se emita desde la parte frontal del panel para mostrar la misma foto en su pantalla completa que un monitor de 24" lo haría. ¡Todo en la cadena entre una escena real y una fotografía vista se basa en la luz por unidad de área!

Al determinar la velocidad de obturación, lo que importa es el flujo luminoso total en el sensor..."

... multiplicado por la amplificación analógica de la señal generada.

Si un sensor 4 veces más grande amplifica la mitad que un sensor más pequeño, entonces el sensor más grande necesita capturar 4 veces más fotones para terminar con la misma señal en el ADC, donde los voltajes analógicos se convierten en números digitalizados.

1/4 x 4/1 = 1

Por lo tanto, para obtener la misma exposición, se debe usar el mismo E _v independientemente del tamaño del formato.

^{¹ Brillo , ya que el término se utiliza en fotografía para indicar valores relativos entre los valores máximos y mínimos posibles del medio de almacenamiento (archivo digital o negativo) o visualización (impresión o monitor) y no como se define cuando se habla de la percepción humana directa de un primario . fuente de luz, para la cual una fotografía no es más que una representación menos que perfecta.}

^{² Técnicamente, debe anotarse como E _v para indicar que es una escala logarítmica. Consulte la sección EXIF ​​de CIPA 2016 y las normas ASA, ANSI e ISO aplicables. Pero EV se ha utilizado comúnmente durante bastante tiempo.}

La parte que te falta es la Ley del Inverso del Cuadrado (ISL). La ley del cuadrado inverso establece que si la distancia de una *fuente de luz puntual es 2x, entonces la densidad/flujo luminoso de la luz es 1/2^2 (1/4). Lo contrario de eso está a la mitad de la distancia, es 4x. Así que dos paradas de diferencia, no una. Es decir, no la mitad de la SS (que de todos modos es incorrecta).

La ley del cuadrado inverso funciona exactamente igual con respecto al tamaño de algo que se registra... es decir, si una bombilla se registra a la mitad de la distancia, también será 2x el tamaño y 4x el flujo luminoso. Pero eso no cambia la configuración de exposición requerida. Porque cuando se graba al doble del tamaño, la luz también se extiende 4 veces más en el plano de la imagen (en área).

No importa cuál sea la causa de este cambio de tamaño. Es decir, la exposición de algo no cambia si lo acerca con un objetivo de zoom de apertura constante; ni si reduce la distancia a ella. El tamaño del sensor tampoco lo afecta, solo si todavía cabe en el sensor.

Sin embargo, el aumento en el flujo de luminancia que notó es exactamente la razón por la cual los sensores más grandes son mejores con poca luz. Porque para la misma exposición (SS/f#), de la misma escena/composición, un sensor más grande en realidad recibe/graba más luz. Muchos equiparan erróneamente esto con más luz de un fotosito/píxel más grande, porque pueden ser más grandes en el sensor más grande para la misma resolución. Pero eso es principalmente irrelevante, lo que importa es la luz/área.

*técnicamente, generalmente no estamos tratando con fuentes de luz puntuales. Pero el ISL sigue siendo cierto (lo suficientemente cerca) excepto en distancias extremadamente cortas.

Editar para agregar: el diámetro de la pupila de entrada aumenta en el SqRt del área para una parada de luz, que es 1.4x de diámetro. Por ejemplo, 1, 1,4, 2, 2,8...

El DoF del sensor más pequeño será mayor para un FOV registrado equivalente debido a que requiere un FL más corto o una distancia del sujeto más larga; ambos afectan el DoF más que la apertura. La diferencia será efectivamente la diferencia en el factor de recorte... es decir, 2 paradas más para el sensor de factor de recorte 2x de tamaño 1/2.

Podemos calcular un rectángulo con 2 veces más superficie multiplicando tanto la altura como el ancho por la raíz cuadrada de 2 = 1,4 (redondeado). Tal rectángulo tiene una medida diagonal que es 1,4 x más larga.

Este delta de 1,4 es importante ya que también es el factor de cultivo.

Por lo tanto, para montar un equivalente de 35 mm, su distancia focal debe ser de 35 mm x 1,4 = 50 mm. Si ambos lentes están configurados con el mismo número f, el diámetro del iris para el 50 mm debe ser 1,4 veces mayor para mantener la misma exposición. Por lo tanto, las dos distancias focales diferentes difieren en un delta de 1,4 y los dímetros del iris también difieren en el mismo delta de 1,4.

El número f es una relación que entrelaza la distancia focal con el diámetro del iris. Cualquier lente configurada con el mismo número f ofrece la misma exposición. La diferencia existe debido a que las transparencias del vidrio pueden diferir al igual que el número de elementos de vidrio. En su mayor parte, estas diferencias son discutibles para la fotografía pictórica. Recurrimos a “T-stops” cuando la diferencia de transmisión es importante, principalmente en fotografía de cine.

El DOF es complejo: el alcance de la profundidad de campo diferirá porque debemos aplicar más aumentos para ver la imagen creada por el sensor más pequeño. El tamaño del círculo de confusión utilizado para calcular el DOF para el sensor más pequeño debe reducirse para permitir el aumento necesario para hacer la imagen mostrada.