Es más fácil entender la diferencia cuando el sensor más grande y el más pequeño tienen los mismos megapíxeles. Si tenemos un par de cámaras hipotéticas, una con un sensor APS-C más pequeño y otra con un sensor de fotograma completo, y suponemos que ambas tienen 8 megapíxeles, la diferencia se reduce a la densidad de píxeles .
Un sensor APS-C mide aproximadamente 24x15 mm, mientras que un sensor de fotograma completo (FF) mide 36x24 mm. En términos de área, el sensor APS-C es de aproximadamente 360 mm ^ 2 , y el FF es de 864 mm ^ 2 . Ahora, calcular el área real de un sensor que es píxeles funcionales puede ser bastante complejo desde un punto de vista del mundo real, por lo que asumiremos sensores ideales por el momento, en el que el área de superficie total del sensor está dedicada a píxeles funcionales, supongamos que esos píxeles se usan de la manera más eficiente posible y suponen que todos los demás factores que afectan la luz (como la distancia focal, la apertura, etc.) son equivalentes. Dado eso, y dado que nuestras cámaras hipotéticas son ambas de 8mp, entonces está claro que el tamaño de cada píxelpara el sensor APS-C es más pequeño que el tamaño de cada píxel para el sensor FF. En términos exactos:
APS-C:
360 mm ^ 2 / 8,000,000px = 0.000045 mm ^ 2 / px
-> 0.000045 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 45 µm ^ 2 (micrones cuadrados)
-> sqrt (45 µm ^ 2) = 6.7 µm
FF:
864mm ^ 2 / 8,000,000px = 0.000108mm ^ 2 / px
-> 0.000108 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 108µm ^ 2 (micras)
-> sqrt (108µm ^ 2) = 10.4µm
En términos más simples y normalizados de "tamaño de píxel", o el ancho o la altura de cada píxel (comúnmente citado en los sitios web de equipos fotográficos), tenemos:
Tamaño de píxel APS-C = 6,7 µm píxel
Tamaño de píxel FF = 10,4 µm píxel
En términos de tamaño de píxel, una cámara FF 8mp tiene 1.55x píxeles más grandes que una cámara APS-C 8mp. Sin embargo, una diferencia unidimensional en el tamaño de píxel no cuenta toda la historia. Los píxeles tienen un área bidimensional sobre la que recolectan luz, por lo que tomar la diferencia entre el área de cada píxel FF y cada píxel APS-C cuenta la historia completa:
108 µm ^ 2/45 µm ^ 2 = 2.4
Una cámara FF (idealizada) tiene 2.4x , o aproximadamente 1 parada , ¡el poder de captación de luz de una cámara APS-C (idealizada)! Es por eso que un sensor más grande es más beneficioso cuando se dispara con poca luz ... simplemente tienen una mayor potencia de recolección de luz en un período de tiempo determinado.
En términos alternativos, un píxel más grande es capaz de capturar más golpes de fotones que un píxel más pequeño en cualquier período de tiempo dado (mi significado de 'sensibilidad').
Ahora, el ejemplo y los cálculos sobre todo suponen sensores "idealizados", o sensores que son perfectamente eficientes. Los sensores del mundo real no están idealizados, ni son tan fáciles de comparar de una manzana a otra. Los sensores del mundo real no utilizan cada píxel grabado en su superficie con la máxima eficiencia, los sensores más caros tienden a tener una "tecnología" más avanzada incorporada en ellos, como las microlentes que ayudan a reunir aún más brechas no funcionales más pequeñas cada píxel, la fabricación de cableado retroiluminado que mueve la columna / fila activa y lee el cableado debajo de los elementos fotosensibles (mientras que los diseños normales dejan ese cableado arriba (e interfiere con) los elementos fotosensibles), etc. Además, los sensores de fotograma completo a menudo tienen recuentos de megapíxeles más altos que los sensores más pequeños, lo que complica aún más las cosas.
Un ejemplo del mundo real de dos sensores reales podría ser comparar el sensor Canon 7D APS-C con el sensor Canon 5D Mark II FF. El sensor 7D tiene 18mp, mientras que el sensor 5D tiene 21.1mp. La mayoría de los sensores se clasifican en megapíxeles aproximados, y generalmente tienen un poco más que su número comercializado, ya que se utilizan muchos píxeles de borde para fines de calibración, obstruidos por la mecánica del filtro del sensor, etc. Así que asumiremos que 18mp y 21.1mp son reales. mundo de píxeles cuenta. La diferencia en el poder de recolección de luz de estos dos sensores actuales y modernos es:
7D APS-C: 360 mm ^ 2 / 18,000,000px * 1,000,000 = 20µm ^ 2 / px
5DMII FF: 864mm ^ 2 / 21,100,000px * 1,000,000 = 40.947 ~ = 41µm ^ 2 / px
41 µm ^ 2/20 µm ^ 2 = 2.05 ~ = 2
La cámara de formato completo Canon 5D MkII tiene alrededor de 2 veces el poder de captación de luz de la cámara 7D APS-C. Eso se traduciría en aproximadamente una parada de sensibilidad nativa adicional. (En realidad, el 5DII y el 7D tienen un ISO nativo máximo de 6400, sin embargo, el 7D es bastante más ruidoso que el 5DII tanto en 3200 como en 6400, y solo parece normalizarse en ISO 800. Ver: http: / /the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) En contraste, un sensor de 18mp FF tendría aproximadamente 1.17x el poder de recolección de luz del sensor de 21.1mp FF de el 5D MkII, ya que se distribuyen menos píxeles en el mismo área (y más grande que APS-C).
Estrictamente hablando, NO es el tamaño del sensor lo que lo mejora, ES el tamaño del píxel.
Los píxeles más grandes tienen más áreas de superficie para capturar luz y acumular un voltaje más alto por la liberación de electrones cuando los fotones (luz) golpean la superficie. El ruido inherente es mayormente aleatorio, por lo tanto, es relativamente más bajo en comparación con el voltaje más alto que aumenta la relación señal / ruido (S / N).
Los datos implícitos que faltaba es que los sensores más grandes tienden a tener píxeles más grandes. Simplemente compare una D3S de 12 MP de fotograma completo con una D300S de 12 MP recortada. Cada píxel tiene 2.25X más área de superficie, razón por la cual el D3S tiene un rendimiento tan alto de ISO alto.
EDITAR (2015-11-24):
Para el votante anónimo no creyente, hay un ejemplo más nuevo y mejor. Sony tiene dos cámaras de fotograma completo casi idénticas, la A7S II y la A7R II. Sus sensores son del mismo tamaño, pero el primero tiene una resolución de 12 MP, mientras que el segundo tiene 42 MP. El rendimiento con poca luz y el rango ISO del A7S II están bastante por delante del A7R II, alcanzando ISO 409,600 frente a 102,400. Esa es la diferencia de dos paradas solo por tener píxeles más grandes.
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El tamaño del píxel individual es casi irrelevante. Esa es la leyenda urbana!
Dadas dos cámaras idénticas con un sensor del mismo tamaño pero con un recuento de píxeles diferente (digamos 2MP y 8MP), y por lo tanto, un tamaño de píxel diferente. La cantidad de luz que ingresa al sensor depende del diámetro de la lente, no del tamaño del píxel. Sin duda, la imagen de 8MP será más ruidosa que la imagen de 2MP, pero si reduce la escala de 8MP a 2MP obtendrá casi la misma imagen, con casi el mismo nivel de ruido. Eso es matemática simple. Digo casi porque la lógica del sensor cuesta tamaño. Como tendrá 4 veces la lógica en un sensor de 8MP que en un 2MP, obtendrá menos área neta sensible al sensor de luz. Pero eso no le costará 1 parada (= 50%), tal vez un poco, ¡pero no tanto!
Lo que realmente marca la diferencia son las lentes. Si capturó una imagen, no le interesarán las métricas, ni el tamaño del sensor, el tamaño del píxel ni la distancia focal. Desea capturar una cara, un grupo de personas, un edificio u otra cosa desde una distancia determinada. Lo que le interesa es el ángulo de visión . Su distancia focal dependerá del tamaño del sensor y el ángulo de visión. Si tiene un sensor pequeño, también tendrá una distancia focal pequeña (digamos unos pocos mm). Una lente con una distancia focal pequeña nunca captará mucha luz, ya que tendrá un diámetro limitado. Un sensor más grande necesitará una distancia focal mayor, una lente con la misma velocidad tendrá un diámetro mayor y, por lo tanto, captará mucha más luz.
¿Quién necesita 10MP o más, excepto para imprimir carteles? Reducido a unos pocos MP, todas las imágenes se ven bien. El tamaño del sensor no limita la calidad de su imagen directamente, pero su lente sí. Aunque el tamaño de la lente a menudo depende del tamaño del sensor (no debe). Pero he visto cámaras con sensores pequeños y muchos MP, pero lentes excelentes (digamos mayores de 2 cm de diámetro) que capturan excelentes imágenes.
He escrito un artículo sobre eso hace un tiempo. Está en alemán, no tuve tiempo de traducirlo al inglés, lo siento. Es más detallado y explica algunos problemas (especialmente el problema del ruido) un poco más en detalle.
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El tamaño de un píxel individual no es importante. Varios píxeles pequeños se pueden combinar matemáticamente en uno grande, intercambiando detalles por sensibilidad.
Una cámara de sensor grande tiene, para un ángulo de visión dado, una lente de distancia focal más larga que una cámara de sensor pequeña. Esta lente más larga tiene, para un f-stop dado, una gran apertura física (apertura en el iris). Esto da como resultado que ingrese más luz al sistema y explica el mejor rendimiento con poca luz. También explica la profundidad de campo más superficial.
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La superficie del sensor digital está cubierta de fotosites. Estos registran la imagen del mundo exterior según lo proyectado por la lente. Durante la exposición, los rayos que forman imágenes en forma de fotones bombardean la superficie del sensor. Los impactos de fotones son proporcionales al brillo de la escena. En otras palabras, las fotositas que reciben impactos de fotones que corresponden a áreas de la escena con mucha luz, reciben más visitas de fotones que las fotos que corresponden a áreas de imágenes con poca luz. Cuando se completa la exposición, las fotositas contienen una carga eléctrica en proporción al brillo de la escena. Sin embargo, el grado de carga en todas las fotosites es demasiado débil para ser útil a menos que se amplifique. El siguiente paso en el proceso de formación de imágenes es amplificar las cargas.
La amplificación es como subir el volumen de una radio o TV. La amplificación arranca la fuerza de la señal de imagen pero también induce distorsión en forma de estática. En imágenes digitales no llamamos a esta distorsión estática; lo llamamos "ruido". El ruido inducido en realidad se llama ruido de patrón fijo. Esto se debe a que cada fotosita tiene características ligeramente diferentes. En otras palabras, cada uno responde a la amplificación de manera diferente. El resultado es que algunas fotosites que tuvieron pocos impactos de fotones aparecerán en negro cuando deberían verse en gris oscuro o gris. Este es un ruido de patrón fijo. Mitigamos al no aumentar la amplificación (manteniendo el ISO bajo) y mediante software en la cámara.
Dado que el ruido de patrón fijo generalmente se debe a la alta amplificación, es lógico pensar que más impactos de fotones en cualquier fotosite generan una carga más alta y necesitan menos amplificación. La conclusión es que los chips de imágenes más grandes tienen fotosites más grandes con un área de superficie más grande que permite más impactos de fotones durante la exposición. Más éxitos se traducen en menos amplificación; por lo tanto, menos distorsión debido al ruido de patrón fijo.
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Los sensores más grandes generalmente son ligeramente peores con poca luz para capturar una imagen. Las lentes más grandes generalmente están disponibles para sensores más grandes, y las lentes más grandes son generalmente mejores con poca luz si no le importa la profundidad de campo reducida.
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Hay mucho en Internet que afirma que la cantidad de luz reunida por un sensor es proporcional al tamaño del sensor. Esto es incorrecto. Dado el mismo ángulo de visión de la lente, se proyectará la misma cantidad de luz sobre el sensor independientemente del tamaño del sensor. Si un sensor de fotograma completo y un sensor MFT tienen la misma cantidad de elementos de píxel, entonces cada elemento detectará la misma cantidad de luz, independientemente de su tamaño. Piense en esto: ponga un trozo de papel al sol detrás de un círculo de vidrio, no pasa nada. Concentre la luz en un área pequeña de ese papel con una lupa del mismo diámetro que el círculo de vidrio mencionado anteriormente y el papel se calentará porque la densidad de energía en el área de enfoque es mucho mayor. Lo mismo es cierto para los sensores de imagen; sensor pequeño = mayor densidad de energía que el sensor grande = misma energía por unidad de área en ambos sensores. La razón del mayor ruido en sensores más pequeños se encuentra en otra parte; tal vez en la interferencia de radiofrecuencia entre elementos de detección de imagen muy cercanos
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