Почему больший датчик имеет лучший динамический диапазон?

Я уже понимаю всю теорию о том, как больший датчик приводит к лучшему контролю глубины резкости и снижению шума. Но я еще не нашел место, которое могло бы объяснить, почему больший датчик дает вам больший динамический диапазон?

Размер сенсора не имеет значения, это размер пикселя. Тем не менее, большие сенсоры, как в полнокадровых камерах, имеют тенденцию иметь большие пиксели.

Вы можете оценить размер пикселя, взяв размер датчика и разделив его на количество пикселей. Этот расчет не является точным, поскольку большинство датчиков имеют зазоры между пикселями, и эти зазоры различаются по размеру. Вот почему я говорю «оценка».

Теперь представьте себе пиксель в сенсоре как коробку, а фотоны - как шарики. Чем больше коробка, тем больше шариков она может содержать.

Предполагая, что у нас есть коробки A и B. Коробка A может содержать 256 шаров, а коробка B может содержать 512 шаров. Теперь давайте скомпоноваем коробочную матрицу типа А и подбросим много шаров в воздух. Мы хотим собрать немного статистики о том, куда упали шары.

В середине одного из ящиков содержится 256 шаров, а по краям ящиков - ~ 20 шаров. Мы не можем знать, упало ли посередине только 256 шаров или больше. Наша мера ограничена максимумом для 256 шаров.

Теперь давайте повторим этот эксперимент, но теперь с коробками типа B. Теперь мы можем видеть, что в середине коробка содержит 347 шаров, а по краям коробки содержит ~ 20 шаров.

Наша мера гораздо точнее. Это именно то, что происходит с фотонами, попадающими на сенсор. Большая поверхность может содержать больше фотонов и может измерять больший динамический диапазон. В нашем примере динамический диапазон в два раза больше в большем поле.

Если пиксель полон фотонов, перевод в цвет будет полностью насыщенным цветом, но с большей поверхностью пикселя мы получим лучший результат, таким образом, улучшенный динамический диапазон.

Вот картина, которая может продемонстрировать мое объяснение:

Для более глубокого объяснения вы можете проверить эту статью:

Динамический диапазон

Рассматривая идеальные датчики, где фотонный шум является единственной проблемой, тогда чем больше датчик, тем больше динамический диапазон. Динамический диапазон - это разница между точкой, в которой датчик насыщается, и точкой, в которой любая деталь теряется из-за шума в тени.

У большего датчика будет больше пикселей или больше пикселей. Большие пиксели означают большую способность сохранять заряд (при прочих равных условиях) и больше света, захваченного на пиксель, следовательно, меньше света в тенях, следовательно, больший динамический диапазон. Больше пикселей означает одинаковый шум на пиксель, но больше пикселей для усреднения, чтобы уменьшить теневой шум и, следовательно, увеличить динамический диапазон.

В действительности существуют другие источники шума, а именно шум чтения, когда аналоговый сигнал, генерируемый фотоэлементами, улавливает шум до оцифровки. Это может повлиять на динамический диапазон, который намного сильнее, чем различия в размерах датчика. Сигналы низкой интенсивности из темных областей изображения особенно чувствительны к шуму при чтении и, следовательно, оказывают большое влияние на DR.

Новая технология (сокращение пути от датчика до АЦП, двукратная отправка сигнала и сравнение результатов) может практически исключить шум чтения, что позволяет датчикам APS-C, таким как Sony Exmor, превышать динамический диапазон полноразмерных датчиков Canon в 2,5 раза за счет почти на порядок!

Также необходимо различать динамический диапазон при хорошем освещении и динамический диапазон при плохом освещении. Первый определяется главным образом шумом чтения, поэтому маленький датчик может быть лучше при условии, что он имеет низкий шум чтения и достаточно приличную глубину скважины. В последнем преобладает фотонный шум (повышение ISO при слабом освещении усиливает фотонный шум, но не считывает шум), поэтому большие датчики, как правило, работают лучше. Опять же, не каждый датчик следует за трендом.

Нет никаких причин, по которым больший датчик может дать больший динамический диапазон или меньший шум, чем большая площадь поверхности на пиксель, однако полнокадровые камеры, как правило, имеют более высокие конечные единицы и, следовательно, имеют лучшие датчики.

Обратите внимание, что нет никаких причин, по которым более низкое разрешение и меньший датчик не могли бы иметь более качественных шумовых характеристик и динамического диапазона, если были сделаны с качеством, аналогичным полнокадровому датчику. Количество пикселей на дюйм на поверхности сенсора и качество сенсора являются важными битами.

Пример с прямоугольниками очень верен и объясняет, почему большие датчики имеют большой динамический диапазон. Чем меньше пиксель, тем меньше фотоэлектронов он может хранить (максимальное количество фотоэлектронов, которое может быть сохранено, называется полной емкостью лунки). Сжимая датчик, мы можем достичь ситуации, когда только несколько электронов могут быть сохранены, что приводит к черно-белому изображение (без оттенков серого! (:).

Таким образом, нет сомнений, что больший датчик имеет больший динамический диапазон, если все остальное такое же.

Вопрос в том, можете ли вы увеличить динамический диапазон, уменьшив разрешение? Я знаю, что это можно сделать с помощью научных ПЗС-камер (я лично это делал). Но можете ли вы сделать то же самое с потребительскими камерами и CMOS? Я полагаю, что да, если вы можете связать 2x2 пикселей в один (эффективно уменьшив разрешение в 4 раза).

Согласно моим исследованиям, даже размер пикселя не имеет значения, теория ячеек применима к условиям освещения, так как большие пиксели собирают больше света, он, несомненно, будет иметь преимущество при слабом освещении (здравый смысл), но технология датчиков является ключевым фактором в динамическом диапазоне. Динамический диапазон - это способность датчика сохранять розничные продажи в светлых и темных местах. Например, динамический диапазон более нового датчика малого или большого вентилятора будет лучше, чем динамический диапазон более старого полнокадрового датчика