Los fabricantes de teléfonos han comenzado recientemente a anunciar el tamaño de los sitios de fotos en los sensores de las cámaras de los teléfonos inteligentes. Argumentan que los fotositos más grandes conducen a un mejor rendimiento con poca luz. Creo que una buena analogía sería que los fabricantes de automóviles afirmaran que las ruedas más grandes conducen a automóviles más rápidos. Cierto, dado el mismo número f, un fotosito más grande captura más luz y dadas las mismas RPM del eje, las ruedas más grandes hacen que un automóvil vaya más rápido. Sin embargo, las ruedas más grandes significan que se aplica menos fuerza a la carretera con el mismo par motor, cancelando el efecto.
Pensé que sería lo mismo para las cámaras. Un sensor más grande requiere una distancia focal mayor para ofrecer el mismo campo de visión. Dado el mismo tamaño de pupila de entrada, esto aumenta el número f, cancelando el efecto de capturar más luz. Tenía la impresión de que el número f de lentes de cámara de teléfono estaba limitado por el tamaño de pupila de entrada más grande que puede caber en un teléfono inteligente. Sorprendentemente, los fabricantes de teléfonos han podido agrandar la pupila de entrada lo suficiente como para mantener constante el número f mientras aumentan el tamaño del sensor. De hecho, incluso pudieron reducir significativamente el número f en algunos casos.
Se puede observar un fenómeno similar con respecto a las cámaras de fotograma completo frente a las de recorte. El número f de una lente recortada suele ser al menos tan alto como el de su contraparte de fotograma completo y casi no hay lentes fijos rápidos para cámaras recortadas. Parece que es mucho más fácil obtener pupilas de entrada grandes en lentes construidos para sensores grandes. Tome una lente de cuadro completo de 35 mm f / 1.4 con un diámetro de pupila de entrada de 25 mm. ¿No es posible construir una lente similar que concentre la luz capturada por esta pupila de entrada en un círculo de imagen más pequeño apto para un sensor de recorte, produciendo una lente de 22 mm f/0.88? ¿Por qué parece que se necesitan sensores grandes para un buen rendimiento con poca luz?
Nota: sé que el tamaño del sensor también influye en las características eléctricas, pero aquí solo me interesan las consideraciones ópticas. Supongamos que los sensores son detectores de fotones ideales con un rango dinámico infinito, dejando solo el ruido del disparo para determinar el rendimiento con poca luz. Supongamos también que todos estos sensores tienen el mismo número de fotositos.
La pregunta ¿Por qué los sensores más grandes son mejores con poca luz? no responde a mi pregunta ya que todas las respuestas asumen un número f constante, que es exactamente la proposición que me gustaría desafiar.
EDITAR: Debo mencionar que mi pregunta no es sobre lo que sucede cuando monta lentes de fotograma completo en cuerpos de cultivos. Obviamente, esto desperdicia mucha de la luz capturada por la lente, por lo que es una comparación de manzanas con naranjas en mi libro. En cambio, me pregunto por qué parece ser tan difícil concentrar toda esta luz en el círculo de imagen del sensor de recorte para obtener una lente que haga que la misma cantidad total de luz esté disponible para el sensor más pequeño.
Una cosa a considerar es que el tamaño de la imagen que proyecta la lente es completamente independiente de su número f y distancia focal, pero es un factor del diseño de la lente. El número F es un producto del ancho de la apertura y la distancia focal. La distancia focal es la distancia entre el punto de convergencia y el sensor, ignorando por completo los factores más allá de eso más adentro de la lente.
Puede producir una imagen de exactamente la misma calidad que un sensor FF, en un sensor de teléfono, siempre que diseñe una lente 'equivalente'. Pero para crear un campo de visión equivalente, como mencionó, la distancia focal debe reducirse, ya que necesita doblar más la luz para comprimirla en ese círculo de imagen. Con el tamaño de los sensores de los teléfonos, estas cifras son cada vez más pequeñas, a menudo de menos de 5 mm.
Cuando reduce tanto el tamaño del sensor como la distancia focal, el número f debe aumentarse para compensar. Mientras que disminuir la distancia focal recolectará más luz, solo está usando la luz en el mismo campo de visión. El diseño de la lente puede tener esto en cuenta y simplemente no recolectar la luz desperdiciada. El ancho de apertura real (o pupila de entrada) deberá permanecer igual, lo que aumenta el número f.
Cuando la distancia focal es tan pequeña y la apertura comparativamente tan grande, esto representa un desafío técnico cada vez más difícil, ya que el vidrio ocupa espacio y, a medida que aumenta la apertura, también lo hará el tamaño de estos elementos, pero con la distancia focal tan pequeña. , aún deben estar absurdamente juntos cuando ocupan el mismo espacio, o tan absurdamente grandes y pesados que necesitaría artilugios poco prácticos y masivos en la parte posterior del dispositivo.
También vale la pena señalar el efecto de la aberración cromática, causado por el hecho de que las diferentes longitudes de onda de la luz que pasan a través de una lente se curvarán de manera diferente, un poco más o menos, dependiendo de la longitud de onda. Los fabricantes de lentes se han vuelto bastante buenos corrigiendo este efecto hasta cierto punto, pero se vuelve cada vez más difícil cuando se lleva al extremo.
La luz total recolectada es el factor importante en la calidad de la imagen, la eficiencia del sensor es básicamente la misma en todos los sensores modernos. Los sensores más grandes no son necesariamente mejores, pero reducen significativamente el desafío del diseño de lentes.
¿Por qué parece que se necesitan sensores grandes para un buen rendimiento con poca luz?
Porque por la misma cantidad de luz que pasa a través de una lente, un sensor más grande recolectará más.
Su analogía con el tamaño de los neumáticos es muy defectuosa. Una mejor analogía sería aumentar el diámetro de los cilindros del motor. El tamaño de las moléculas individuales de la mezcla de aire/combustible que ingresa al cilindro permanece igual en los cilindros más grandes, pero puede colocar más moléculas de aire/combustible en el cilindro y mantener la misma cantidad de aire/combustible por centímetro cúbico de desplazamiento del cilindro. . Por lo tanto, el cilindro más grande producirá más potencia para la misma densidad de mezcla aire/combustible. Con una lente de cámara, la pupila de entrada es el diámetro del cilindro, el número f es la densidad de la mezcla aire/combustible. Para calcular la cantidad total de combustible/aire (y, por lo tanto, energía) en el cilindro, se deben tener en cuenta tanto la densidad como el desplazamiento. Las relaciones de transmisión y los tamaños de los neumáticos son equivalentes a la cantidad de amplificación necesaria para obtener un ISO más alto o más bajo. sensibilidad.
Sorprendentemente, los fabricantes de teléfonos han podido agrandar la pupila de entrada lo suficiente como para mantener constante el número f mientras aumentan el tamaño del sensor.
La razón por la que el número f es tan útil es porque es una medida de la densidad de campo. No es una medida de la cantidad total de luz que pasa a través de la lente. Más bien, es una medida de la densidad de campo de la luz emitida por la lente en una unidad de área de la superficie de un sensor o película en la distancia focal de la lente. La lente proyecta la misma cantidad de luz por mm² de área del sensor, independientemente del tamaño del sensor. Si una lente proyecta un círculo de imagen de 44 mm de diámetro, es lo suficientemente grande como para cubrir un sensor FF de 36x24 mm. Si esa misma lente se coloca en una cámara con un sensor de tamaño APS-C, seguirá proyectando el mismo círculo de imagen de 44 mm de ancho, pero el sensor de 24x16 mm, con una diagonal de solo 29 mm y un área de superficie de solo el 44 % del tamaño de el sensor más grande no recoge tanta luz en el círculo de la imagen como lo hace el sensor más grande.
Me pregunto por qué parece tan difícil concentrar toda esta luz en el círculo de imagen del sensor de recorte para obtener una lente que haga que la misma cantidad total de luz esté disponible para el sensor más pequeño.
Si modifica la misma lente y reduce el tamaño del molde del círculo de la imagen para que toda la luz recolectada ahora se proyecte en un círculo de la imagen de solo 29 mm de diámetro (en lugar de 44 mm), habrá cambiado la distancia focal de la lente en un factor de 1/1.5X. Por lo tanto, también ha cambiado el número f por el mismo factor. Ha concentrado la misma cantidad total de luz en un área más pequeña, aumentando así la densidad del campo. Esto es cierto ya sea que se aplique a círculos de luz de tamaño FF frente a APS-C o chips de sensor de 7,5 mm frente a chips de sensor de 5 mm. También ha requerido que la lente sea un 50 % más corta en distancia focal (irónicamente, aumenta el grosor del teléfono que contiene una lente retrofocal rectilínea) o que los materiales de la lente sean significativamente más densos manteniendo la misma cantidad de transmisión de luz (aumentando el costo sustancialmente).
¿Por qué no hay lentes fijos diseñados específicamente para cámaras con sensor de recorte?
El número f de una lente recortada suele ser al menos tan alto como el de su contraparte de fotograma completo y casi no hay lentes fijos rápidos para cámaras recortadas.
Recientemente se introdujeron algunos lentes de zoom de cámara recortada que aprovechan el círculo de imagen más pequeño necesario en una cámara de este tipo para proporcionar un número f más bajo. Por ejemplo, la lente Sigma 18-35 mm f/1.8 hecha para cámaras con sensor de cultivos. Los lentes de zoom más rápidos hechos para cámaras FF son generalmente f/2.8. El elemento frontal de un objetivo de 35 mm f/1,8 debe tener aproximadamente el mismo diámetro que un objetivo de 50 mm f/2,8. Básicamente, lo que hace una lente como la Sigma 18-35 mm f/1.8 es tomar un diseño de lente de 28-50 mm f/2.8 FF y usar un reductor focal para concentrar toda esa luz en un círculo de imagen de tamaño APS-C. Pueden hacerlo de manera más económica porque el círculo de imagen más pequeño les permite no preocuparse más por corregir las aberraciones en la misma medida que requeriría una lente FF 28-50 mm con un frente de tamaño f/1.8 y proyectar un círculo de imagen más grande.
También hay objetivos con zoom más asequibles, como el Canon EF-S 17-55 mm f/2.8 o el Tamron 17-50 mm f/2.8 Di II para cámaras con sensor de recorte que sus homólogos de 24-70 mm f/2.8 FF.
La razón por la que casi no hay lentes fijos rápidos (o lentes fijos de cualquier tipo en su mayor parte) hechos específicamente para cámaras de cuerpo corto es que los lentes hechos para cámaras de película de fotograma completo/35 mm funcionan bien con cámaras que usan sensores más pequeños. Sin embargo, no ocurre lo contrario. Los lentes fijos de grado de consumo diseñados para cámaras FF funcionan muy bien en cámaras recortadas porque las debilidades de tales lentes casi siempre están en los bordes del círculo de la imagen que queda fuera del área de los sensores recortados. Y al igual que las cámaras con sensores recortados, son mucho más asequibles que los lentes FF de primera calidad. No hay mucha demanda en el mercado de lentes fijos de primera calidad para cámaras recortadas porque, presumiblemente, cualquiera que esté dispuesto y pueda pagar por lentes premium también está dispuesto y puede, al menos eventualmente, pagar por el beneficio de una cámara de fotograma completo.
¿Cuál es el beneficio de un sensor más grande?
Suponiendo el mismo número de fotositos, un sensor más grande tiene fotositos más grandes. Esto significa que para la misma densidad de campo de luz, cada fotositio en un sensor más grande recolecta más luz total. También significa que las diferencias introducidas por la aleatoriedad de la distribución de fotones (ruido de disparo) se promedian de manera más uniforme, lo que reduce el impacto general. Si el ruido de lectura por sitio de fotos es constante independientemente del tamaño del sitio de fotos, entonces un sitio de fotos más grande producirá una mejor relación señal-ruido tanto en términos de ruido de lectura como de ruido de disparo.
Y aunque su pregunta intenta excluirlo, la diferencia en eficiencia(Qué porcentaje de los fotones que golpean la superficie del sensor realmente llegan al fondo de los pozos de píxeles y son realmente detectados y contados por el sensor) entre un sensor más grande y más pequeño con la misma cantidad de fotositos es significativo. A medida que aumenta la relación entre el área de la superficie y la circunferencia lineal con fotositos más grandes, también lo hace la eficiencia. (Considere que un cuadrado de 2x2 tiene una circunferencia lineal de 8 unidades lineales y un área de 4 unidades de área. Un cuadrado de 4x4 duplica la circunferencia a 16 unidades lineales pero cuadruplica el área a 16 unidades de área). energía de partículas la mayoría de los fotones que se pierden, incluso en los llamados "sensores sin espacios", se pierden en los bordes de los fotositos individuales.
Un sensor más grande requiere una distancia focal mayor para ofrecer el mismo campo de visión. Dado el mismo tamaño de pupila de entrada, esto aumenta el número f, cancelando el efecto de capturar más luz.
Esto es al menos parte de su malentendido. El número f no se ve afectado por el tamaño del sensor. El campo de visión se debe, por supuesto, a que un sensor más pequeño solo ve una parte del círculo de la imagen. Pero la lente recoge la misma cantidad de luz y la entrega a la misma área sin importar el tamaño del sensor.
La distancia focal está determinada por la distancia desde el centro óptico de la lente hasta el plano de la imagen cuando la lente está enfocada al infinito. Ese número es el mismo para una lente determinada, independientemente del tamaño del sensor. Asimismo, el tamaño aparente de la pupila de entrada no se ve afectado por el tamaño del sensor. Entonces, f/8 es f/8 sin importar cuán grande sea el sensor.
Considere lo que sucedería si estuviera usando una SLR de película de 35 mm y filmando a una velocidad de obturación fija, digamos 1/100s. Ajusta la apertura para que el medidor indique una exposición razonable, y luego toma una foto y avanza la película al siguiente cuadro. Luego, coloca la cámara en un bolso cambiador para que pueda trabajar con ella en la oscuridad total, abre la parte posterior e inserta una tarjeta delgada y opaca con un orificio de tamaño APS-C en el medio entre la película y el obturador. . Ciérralo todo, sácalo de la bolsa y toma otra foto. Finalmente, desarrolle la película. ¿Las partes expuestas de los dos marcos tienen la misma exposición o son diferentes?
Sé que el tamaño del sensor también influye en las características eléctricas, pero aquí solo me interesan las consideraciones ópticas. Supongamos que los sensores son detectores de fotones ideales con un rango dinámico infinito, dejando solo el ruido del disparo para determinar el rendimiento con poca luz.
El problema aquí es que las características eléctricas mejoradas son la razón principal por la que los sensores más grandes dan mejores resultados. Cuando aumenta la sensibilidad (ISO), esencialmente está aumentando el multiplicador que se aplica a los datos de cada píxel. Con una señal débil (poca luz) y alta ganancia (gran multiplicador), las pequeñas variaciones debidas al ruido eléctrico se amplifican en una imagen más ruidosa. Debido a su mayor área, los fotositos más grandes recolectan más fotones y generan una señal más fuerte de la misma manera que los paneles solares más grandes proporcionan más energía. Con una señal más fuerte, se requiere menos amplificación y se obtiene más imagen y menos ruido.
Supongo que en algún momento llegas a una situación en la que el sensor realmente está contando cantidades bastante pequeñas de fotones. En ese punto, incluso con fotositos ideales, un sensor grande registrará una imagen mejor (más suave, menos "ruidosa") simplemente debido a la ley de los grandes números : los fotositos pequeños registrarán menos fotones que los grandes debido a su área más pequeña, por lo que la escala relativa de diferencias aleatorias entre sitios será mayor. Las pequeñas diferencias aleatorias en el número relativamente grande de fotones recogidos por fotositos más grandes tendrán un impacto menor. Sinceramente, no sé si los sensores de los teléfonos móviles funcionan a este nivel; lo dudo mucho, pero es solo una suposición.
Supongamos que los sensores son detectores de fotones ideales con un rango dinámico infinito [...]. Supongamos también que todos estos sensores tienen el mismo número de fotositos.
La pregunta "¿Por qué los sensores más grandes son mejores con poca luz?" no responde a mi pregunta ya que todas las respuestas asumen un número f constante, que es exactamente la proposición que me gustaría desafiar .
Su premisa es amañar las reglas del juego, planteando la pregunta . Fijar el número de fotositos para que sea el mismo está bien; aumentar la distancia focal está bien. Pero al no permitir que el número f permanezca igual, está manipulando la comparación contra cualquier aumento de tamaño.
Usemos un poco de absurdo para hacer una distinción clara. El iPhone 6S tiene 12 MP, factor de recorte de 7,21, distancia focal de 4,15 mm, apertura máxima de ƒ/2,2. Por lo tanto, la apertura aparente es de 1,9 mm de ancho. Así que vamos a "agrandar" el iPhone 6S hasta el tamaño del sensor de cuadro completo y montar la lente de 1,9 mm de diámetro en la cámara a 30 mm. Eso nos da una apertura de ƒ/15.8, apenas una comparación justa o razonable.
La luz que incide sobre una unidad de superficie se rige por el tamaño de la pupila de entrada. Un sensor más grande requiere una distancia focal más larga para lograr el mismo campo de visión. Ese sensor más grande requiere una pupila de entrada más grande para mantener un número f dado. La pupila más grande recoge más luz.
Debes mantener el número f ya que, junto con la velocidad de obturación y la sensibilidad ISO, está directamente relacionado con la cantidad de luz que emana de la escena.
miguel c
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