Sensor grande frente a gran apertura [cerrado]

[S]ería mejor tener un sensor más grande con un número f más pequeño o un sensor más pequeño con un número f más grande?

En teoría, ambas opciones son equivalentes en todos los sentidos: el rendimiento con poca luz, la cantidad de desenfoque de fondo, el ángulo de visión y todo lo demás.

Primero, aclaremos qué entendemos por tamaño de apertura. El tamaño de apertura absoluto de una lente es el diámetro de la apertura en el diafragma de la lente, por ejemplo, 30 mm. El tamaño de apertura relativo, o número f, se define como la distancia focal de la lente dividida por el tamaño de apertura absoluto. Por ejemplo, una lente de 50 mm con una apertura de 30 mm tiene un número f de 50 ÷ 30 = 1,667. La lente está etiquetada como f/1,667, lo cual tiene sentido porque si sustituimos la distancia focal de 50 mm como f, entonces f/1,667 = 50 mm ÷ 1,667 = 30 mm, que es precisamente el tamaño de la apertura absoluta.

Spoiler: resulta que si tiene dos sensores de diferentes tamaños y dos lentes que tienen la misma apertura absoluta pero diferentes distancias focales para producir el mismo ángulo de visión en su sensor respectivo, entonces la imagen resultante será la misma en cada camino.

Supongamos que tenemos un sensor de fotograma completo y una lente de 64 mm con una apertura absoluta de 32 mm. La apertura relativa de la lente es f/2.0. El campo de visión horizontal es de 31,4°. La tasa de luz captada por la lente (por unidad de tiempo) está dictada por el diámetro de la apertura absoluta. No importa qué componentes o sensores estén detrás de la lente. Suponiendo una lente ideal con una transmisión perfecta, toda la luz se deposita en el sensor.

Ahora supongamos que tenemos un sensor APS-C de recorte de 1,6 aumentos y una lente de 37,5 mm con una apertura absoluta de 32 mm. La apertura relativa de la lente es f/1.17. El campo de visión horizontal sigue siendo de 31,4° debido a la nueva distancia focal más corta que seleccionamos. Pero nuevamente, la tasa de luz captada por la lente está controlada por la apertura física de 32 mm de la apertura. Y suponiendo que no haya pérdidas en la óptica, toda esa luz se deposita en el sensor más pequeño.

En nuestro ejemplo, si tanto el sensor de fotograma completo como el APS-C tienen la misma cantidad de píxeles, cada píxel recibirá la misma cantidad de luz: 64 mm f/2,0 de fotograma completo frente a 37,5 mm f/1,17 APS-C .

En la práctica, sin embargo, existen algunos problemas con el uso de formatos de sensores pequeños. El principal es que los números f pequeños (en otras palabras, el tamaño de apertura que se acerca o supera la distancia focal) se vuelven cada vez más difíciles de fabricar: son costosos y requieren elementos ópticos extensos para corregir las aberraciones.

Para decirlo de otra manera, si un objetivo de 50 mm f/4 está diseñado para un sensor de recorte de 4 aumentos, entonces se puede producir un objetivo de 200 mm f/4 para un sensor de fotograma completo simplemente ampliando el diseño sin cambios internos. Pero tomar una lente de 200 mm f/4, mantener el mismo tamaño de apertura absoluto y producir una lente de 50 mm f/1 es increíblemente difícil.

Otra preocupación es que incluso si la lente es perfecta, puede ser difícil que un sensor pequeño acepte una alta densidad de fotos. En nuestro ejemplo, diseñamos la situación de modo que, independientemente del tamaño del sensor, la energía luminosa total depositada en el sensor permaneciera constante. Si el sensor es pequeño, entonces se recibe mucha energía en los píxeles pequeños, lo que significa que deben tener pozos muy "profundos" o de lo contrario se desbordarán. Es seguro decir que es más fácil diseñar píxeles con más área de superficie para aceptar la misma cantidad de energía luminosa.

En general, existen razones de ingeniería por las que los sensores grandes son la herramienta preferida para captar más luz y generar más bokeh. Ahora sabes por qué.

Tengo un artículo sobre este tema en mi sitio web: https://www.nayuki.io/page/absolute-and-relative-lens-apertures

Aumentar el tamaño del píxel (o más bien el tamaño del pozo) reducirá el ruido estocástico en niveles de luz bajos. Un tamaño de píxel grande equivale a un tamaño de sensor más grande solo si la densidad de píxeles permanece constante. Una reducción del ruido estocástico mejora el rendimiento con poca luz.

Eso no es exactamente lo mismo que una apertura más grande porque una apertura más grande aumenta la cantidad de luz que llega al sensor. Una apertura más grande aumenta la señal absoluta al aumentar el número total de fotones disponibles.

En general, la relación costo-beneficio parece favorecer la inversión en la óptica sobre el sensor. Las cámaras de formato medio de gama alta no tienen sensores 4x6 y los teléfonos con cámara tienen sensores pequeños con lentes anchas (distancia focal corta).