Formato del sensor de imagen

Forma y tamaño del sensor de imagen de una cámara digital.

Dimensiones comparativas de los tamaños de sensores.

En fotografía digital, el formato del sensor de imagen es la forma y el tamaño del sensor de imagen .

El formato del sensor de imagen de una cámara digital determina el ángulo de visión de una lente particular cuando se usa con un sensor particular. Debido a que los sensores de imagen de muchas cámaras digitales son más pequeños que el área de imagen de 24 mm × 36 mm de las cámaras de fotograma completo de 35 mm , una lente de una distancia focal determinada proporciona un campo de visión más estrecho en dichas cámaras.

El tamaño del sensor a menudo se expresa como formato óptico en pulgadas. También se utilizan otras medidas; consulte la tabla de formatos y tamaños de sensores a continuación.

Las lentes producidas para cámaras de película de 35 mm pueden montarse bien en cuerpos digitales, pero el círculo de imagen más grande de la lente del sistema de 35 mm permite que entre luz no deseada en el cuerpo de la cámara, y el tamaño más pequeño del sensor de imagen en comparación con el formato de película de 35 mm resulta en recorte de la imagen. Este último efecto se conoce como recorte del campo de visión. La relación de tamaño del formato (en relación con el formato de película de 35 mm) se conoce como factor de recorte del campo de visión, factor de recorte, factor de lente, factor de conversión de distancia focal, multiplicador de longitud focal o multiplicador de lente.

Tamaño del sensor y profundidad de campo.

Se discuten tres posibles comparaciones de profundidad de campo entre formatos, aplicando las fórmulas derivadas en el artículo sobre profundidad de campo . Las profundidades de campo de las tres cámaras pueden ser iguales o diferentes en cualquier orden, dependiendo de lo que se mantenga constante en la comparación.

Considerando una imagen con la misma distancia del sujeto y ángulo de visión para dos formatos diferentes:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}$

por lo que los DOF ​​son inversamente proporcionales a los diámetros de apertura absolutos y . ${\displaystyle d_{1}}$ ${\displaystyle d_{2}}$

Utilizando el mismo diámetro de apertura absoluta para ambos formatos con el criterio de "misma imagen" (igual ángulo de visión, ampliada al mismo tamaño final) se obtiene la misma profundidad de campo. Es equivalente a ajustar el número f inversamente en proporción al factor de recorte : un número f más pequeño para sensores más pequeños (esto también significa que, cuando se mantiene fija la velocidad de obturación, la exposición cambia mediante el ajuste del número f requerido para igualar la profundidad de campo. Pero el área de apertura se mantiene constante, por lo que los sensores de todos los tamaños reciben la misma cantidad total de energía luminosa del sujeto. El sensor más pequeño entonces funciona con una configuración ISO más baja , por el cuadrado del factor de recorte. ). Esta condición de igual campo de visión, igual profundidad de campo, igual diámetro de apertura e igual tiempo de exposición se conoce como "equivalencia". ^[1]

Y podríamos comparar la profundidad de campo de los sensores que reciben la misma exposición fotométrica (el número f es fijo en lugar del diámetro de apertura); los sensores funcionan con la misma configuración ISO en ese caso, pero el sensor más pequeño recibe menos exposición total. luz, por la relación de área. La relación de profundidades de campo es entonces

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{1}}{l_{2}}}}$

donde y son las dimensiones características del formato, y por tanto es el factor de recorte relativo entre los sensores. Es este resultado el que da lugar a la opinión común de que los sensores pequeños producen una mayor profundidad de campo que los grandes. ${\displaystyle l_{1}}$ ${\displaystyle l_{2}}$ ${\displaystyle l_{1}/l_{2}}$

Una alternativa es considerar la profundidad de campo proporcionada por la misma lente junto con sensores de diferentes tamaños (cambiando el ángulo de visión). El cambio en la profundidad de campo se debe a la necesidad de un grado diferente de ampliación para lograr el mismo tamaño de imagen final. En este caso la relación de profundidades de campo se convierte en

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{2}}{l_{1}}}}$.

En la práctica, si se aplica una lente con una distancia focal fija y una apertura fija y hecha para un círculo de imagen que cumpla con los requisitos de un sensor grande, se debe adaptar, sin cambiar sus propiedades físicas, a tamaños de sensor más pequeños ni a la profundidad de campo. ni la reunión de luz cambiará. ${\displaystyle \mathrm {lx=\,{\frac {lm}{m^{2}}}} }$

Tamaño del sensor, ruido y rango dinámico

Sin tener en cuenta la no uniformidad de la respuesta fotográfica (PRNU) y la variación del ruido oscuro, que no dependen intrínsecamente del tamaño del sensor, los ruidos en un sensor de imagen son ruido de disparo, ruido de lectura y ruido oscuro. La relación general señal-ruido de un sensor (SNR), expresada como electrones de señal en relación con el ruido rms en electrones, observada en la escala de un solo píxel, asumiendo ruido de disparo de la distribución de Poisson de los electrones de señal y los electrones oscuros, es

${\displaystyle \mathrm {SNR} ={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {\left({\sqrt {PQ_{e}t}}\right)^{2}+\left({\sqrt {Dt}}\right)^{2}+N_{r}^{2}}}}={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t+Dt+N_{r}^{2}}}}}$

donde es el flujo de fotones incidentes (fotones por segundo en el área de un píxel), es la eficiencia cuántica , es el tiempo de exposición, es la corriente oscura del píxel en electrones por segundo y es el ruido de lectura del píxel en electrones rms. ^[2] ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle Q_{e}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle N_{r}}$

Cada uno de estos ruidos depende diferente del tamaño del sensor.

Exposición y flujo de fotones.

El ruido del sensor de imagen se puede comparar entre formatos para un flujo de fotones fijo determinado por área de píxel (la P en las fórmulas); este análisis es útil para un número fijo de píxeles con un área de píxeles proporcional al área del sensor y un diámetro de apertura absoluto fijo para una situación de imagen fija en términos de profundidad de campo, límite de difracción en el sujeto, etc. O se puede comparar para un iluminancia de plano focal fijo, correspondiente a un número f fijo , en cuyo caso P es proporcional al área de píxeles, independiente del área del sensor. Las fórmulas anteriores y siguientes se pueden evaluar para cualquier caso.

Disparo

En la ecuación anterior, la SNR del ruido de disparo viene dada por

${\displaystyle {\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t}}}={\sqrt {PQ_{e}t}}}$.

Además de la eficiencia cuántica, depende del flujo de fotones incidentes y del tiempo de exposición, que equivale a la exposición y al área del sensor; ya que la exposición es el tiempo de integración multiplicado por la iluminancia del plano de la imagen , y la iluminancia es el flujo luminoso por unidad de área. Por lo tanto, para exposiciones iguales, las relaciones señal-ruido de dos sensores de diferentes tamaños con igual eficiencia cuántica y número de píxeles serán (para un tamaño de imagen final dado) proporcionales a la raíz cuadrada del área del sensor (o el factor de escala lineal del sensor). Si la exposición está limitada por la necesidad de alcanzar cierta profundidad de campo requerida (con la misma velocidad de obturación), entonces las exposiciones estarán en relación inversa con el área del sensor, produciendo el interesante resultado de que si la profundidad de campo es una restricción, la imagen tomada El ruido no depende del área del sensor. Para lentes con número f idénticos, la relación señal/ruido aumenta como raíz cuadrada del área de píxeles o linealmente con el paso de píxeles. Como los números f típicos para lentes para teléfonos móviles y DSLR están en el mismo rangof /1,5-2Es interesante comparar el rendimiento de cámaras con sensores grandes y pequeños. Una buena cámara de teléfono celular con un tamaño de píxel típico de 1,1 μm (Samsung A8) tendría aproximadamente 3 veces peor SNR debido al ruido de disparo que una cámara de lentes intercambiables de 3,7 μm (Panasonic G85) y 5 veces peor que una cámara de fotograma completo de 6 μm ( Sony A7III). Tener en cuenta el rango dinámico hace que la diferencia sea aún más destacada. Como tal, la tendencia de aumentar el número de "megapíxeles" en las cámaras de los teléfonos móviles durante los últimos 10 años se debió más a una estrategia de marketing para vender "más megapíxeles" que a intentos de mejorar la calidad de la imagen.

Leer ruido

El ruido de lectura es el total de todos los ruidos electrónicos en la cadena de conversión de los píxeles del conjunto de sensores. Para compararlo con el ruido de los fotones, hay que recurrir a su equivalente en fotoelectrones, que requiere dividir el ruido medido en voltios por la ganancia de conversión del píxel. Esto viene dado, para un sensor de píxeles activo , por el voltaje en la entrada (puerta) del transistor de lectura dividido por la carga que genera ese voltaje . Esta es la inversa de la capacitancia de la puerta del transistor de lectura (y la difusión flotante adjunta) desde capacitancia . ^[3] Así . ${\displaystyle CG=V_{rt}/Q_{rt}}$ ${\displaystyle C=Q/V}$ ${\displaystyle CG=1/C_{rt}}$

En general, para una estructura plana como un píxel, la capacitancia es proporcional al área, por lo tanto, el ruido de lectura se reduce con el área del sensor, siempre que el área del píxel se escale con el área del sensor, y esa escala se realiza escalando uniformemente el píxel.

Teniendo en cuenta la relación señal-ruido debida al ruido de lectura en una exposición determinada, la señal se escalará como el área del sensor junto con el ruido de lectura y, por lo tanto, la SNR del ruido de lectura no se verá afectada por el área del sensor. En una situación de profundidad de campo limitada, la exposición del sensor más grande se reducirá en proporción al área del sensor y, por lo tanto, la SNR del ruido de lectura se reducirá de la misma manera.

Ruido oscuro

La corriente oscura aporta dos tipos de ruido: el desplazamiento oscuro, que sólo está parcialmente correlacionado entre los píxeles, y el ruido de disparo asociado con el desplazamiento oscuro, que no está correlacionado entre los píxeles. En la fórmula anterior sólo se incluye el componente de ruido de disparo Dt , ya que la parte no correlacionada del desplazamiento oscuro es difícil de predecir y la parte correlacionada o media es relativamente fácil de restar. La corriente oscura media contiene contribuciones proporcionales tanto al área como a la dimensión lineal del fotodiodo, y las proporciones relativas y los factores de escala dependen del diseño del fotodiodo. ^[4] Por lo tanto, en general, se puede esperar que el ruido oscuro de un sensor aumente a medida que aumenta el tamaño del sensor. Sin embargo, en la mayoría de los sensores, la corriente oscura media de los píxeles a temperaturas normales es pequeña, inferior a 50 e- por segundo, ^[5] por lo que, para tiempos de exposición fotográfica típicos, la corriente oscura y sus ruidos asociados pueden descartarse. Sin embargo, en tiempos de exposición muy prolongados, puede ser un factor limitante. E incluso en tiempos de exposición cortos o medios, algunos valores atípicos en la distribución de la corriente oscura pueden aparecer como "píxeles calientes". Normalmente, para aplicaciones de astrofotografía, los sensores se enfrían para reducir la corriente oscura en situaciones en las que las exposiciones pueden medirse en varios cientos de segundos.

Gama dinámica

El rango dinámico es la relación entre la señal grabable más grande y más pequeña, siendo la más pequeña típicamente definida por el "piso de ruido". En la literatura sobre sensores de imagen, el ruido de fondo se toma como el ruido de lectura, por lo tanto ^[6] (tenga en cuenta que el ruido de lectura es la misma cantidad que se menciona en el cálculo de SNR ^[2] ). ${\displaystyle DR=Q_{\text{max}}/\sigma _{\text{readout}}}$ ${\displaystyle \sigma _{readout}}$ ${\displaystyle N_{r}}$

Tamaño del sensor y difracción.

La resolución de todos los sistemas ópticos está limitada por la difracción . Una forma de considerar el efecto que tiene la difracción en cámaras que utilizan sensores de diferentes tamaños es considerar la función de transferencia de modulación (MTF). La difracción es uno de los factores que contribuyen al sistema general MTF. Otros factores suelen ser los MTF de la lente, el filtro antialiasing y la ventana de muestreo del sensor. ^[7] La ​​frecuencia de corte espacial debida a la difracción a través de la apertura de una lente es

${\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }={\frac {1}{\lambda N}}}$

donde λ es la longitud de onda de la luz que pasa a través del sistema y N es el número f de la lente. Si esa apertura es circular, como lo son (aproximadamente) la mayoría de las aperturas fotográficas, entonces el MTF viene dado por

${\displaystyle \mathrm {MTF} \left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)={\frac {2}{\pi }}\left\{\cos ^{-1}\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)\left[1-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)^{2}\right]^{\frac {1}{2}}\right\}}$

para y para ^[8] El factor basado en la difracción del sistema MTF, por lo tanto, escalará según y a su vez según (para la misma longitud de onda de luz). ${\displaystyle \xi <\xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle \xi \geq \xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }}$ ${\displaystyle 1/N}$

Al considerar el efecto del tamaño del sensor y su efecto en la imagen final, se deben tener en cuenta los diferentes aumentos necesarios para obtener una imagen del mismo tamaño para su visualización, lo que da como resultado un factor de escala adicional de dónde está el factor de recorte relativo, lo que hace que el tamaño general factor de escala . Considerando los tres casos anteriores: ${\displaystyle 1/{C}}$ ${\displaystyle {C}}$ ${\displaystyle 1/(NC)}$

Para las condiciones de 'misma imagen', mismo ángulo de visión, distancia del sujeto y profundidad de campo, entonces los números f están en la proporción , por lo que el factor de escala para la MTF de difracción es 1, lo que lleva a la conclusión de que la MTF de difracción en una profundidad de campo determinada es independiente del tamaño del sensor. ${\displaystyle 1/C}$

Tanto en las condiciones de 'misma exposición fotométrica' como de 'misma lente', el número f no cambia y, por lo tanto, el corte espacial y el MTF resultante en el sensor no cambian, dejando que el MTF en la imagen vista se escale como aumento. , o inversamente como el factor de cultivo.

Formato del sensor y tamaño de la lente.

Se podría esperar que se pudieran producir lentes apropiadas para una variedad de tamaños de sensores simplemente escalando los mismos diseños en proporción al factor de recorte. ^[9] En teoría, un ejercicio de este tipo produciría una lente con el mismo número f y ángulo de visión, con un tamaño proporcional al factor de recorte del sensor. En la práctica, no siempre es posible realizar un escalado simple de los diseños de lentes, debido a factores como la falta de escalabilidad de la tolerancia de fabricación , la integridad estructural de las lentes de vidrio de diferentes tamaños y las técnicas y costos de fabricación disponibles. Además, para mantener la misma cantidad absoluta de información en una imagen (que puede medirse como el producto del ancho de banda espacial ^[10] ), la lente de un sensor más pequeño requiere un mayor poder de resolución. Nasse analiza el desarrollo de la lente ' Tessar ' ^[11] y muestra su transformación desde unaf /6.3Lente para cámaras de placa que utilizan la configuración original de tres grupos hasta unf /2.8Óptica de cuatro elementos de 5,2 mm con ocho superficies extremadamente asféricas, de fabricación económica gracias a su reducido tamaño. Su rendimiento es "mejor que el de los mejores objetivos de 35 mm, pero sólo para una imagen muy pequeña".

En resumen, a medida que se reduce el tamaño del sensor, los diseños de lentes que lo acompañan cambiarán, a menudo de manera bastante radical, para aprovechar las técnicas de fabricación disponibles debido al tamaño reducido. La funcionalidad de estos objetivos también puede aprovechar estas ventajas, siendo posibles rangos de zoom extremos. Estas lentes suelen ser muy grandes en relación con el tamaño del sensor, pero con un sensor pequeño se pueden montar en un paquete compacto.

Un cuerpo pequeño significa una lente pequeña y un sensor pequeño, por lo que, para mantener los teléfonos inteligentes delgados y livianos, los fabricantes de teléfonos inteligentes usan un sensor pequeño generalmente menor que el de 1/2,3" usado en la mayoría de las cámaras puente . Hubo un tiempo en que solo el Nokia 808 PureView usaba un 1/ Sensor de 1,2", casi tres veces el tamaño de un sensor de 1/2,3". Los sensores más grandes tienen la ventaja de una mejor calidad de imagen, pero con mejoras en la tecnología de sensores, los sensores más pequeños pueden lograr las hazañas de los sensores más grandes anteriores. Estas mejoras en la tecnología de sensores permiten a los fabricantes de teléfonos inteligentes utilizar sensores de imagen tan pequeños como 1/4" sin sacrificar demasiada calidad de imagen en comparación con las cámaras económicas de apuntar y disparar. ^[12]

Área activa del sensor

Para calcular el ángulo de visión de la cámara se debe utilizar el tamaño del área activa del sensor. El área activa del sensor implica un área del sensor en la que se forma la imagen en un modo determinado de la cámara. El área activa puede ser más pequeña que el sensor de imagen y el área activa puede diferir en diferentes modos de funcionamiento de la misma cámara. El tamaño del área activa depende de la relación de aspecto del sensor y de la imagen de salida de la cámara. El tamaño del área activa puede depender del número de píxeles en un modo determinado de la cámara. El tamaño del área activa y la distancia focal de la lente determinan los ángulos de visión. ^[13]

Tamaño del sensor y efectos de sombreado.

Los sensores de imagen semiconductores pueden sufrir efectos de sombreado en aperturas grandes y en la periferia del campo de imagen, debido a la geometría del cono de luz proyectado desde la pupila de salida de la lente hasta un punto, o píxel, en la superficie del sensor. Catrysse y Wandell analizan en detalle los efectos. ^[14] En el contexto de esta discusión, el resultado más importante de lo anterior es que para garantizar una transferencia completa de energía luminosa entre dos sistemas ópticos acoplados, como la pupila de salida de la lente al fotorreceptor de un píxel, la extensión geométrica (también conocida como etendue o rendimiento de luz) del sistema de lente objetivo/píxel debe ser menor o igual a la extensión geométrica del sistema de microlente/fotorreceptor. La extensión geométrica del sistema de lente objetivo/píxel viene dada por

${\displaystyle G_{\mathrm {objective} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}}$,

donde w _píxel es el ancho del píxel y (f/#) _objetivo es el número f de la lente del objetivo. La extensión geométrica del sistema de microlente/fotorreceptor está dada por

${\displaystyle G_{\mathrm {pixel} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}}$,

donde w _{fotorreceptor} es el ancho del fotorreceptor y (f/#) _microlente es el número f de la microlente.

Entonces, para evitar sombras,

${\displaystyle G_{\mathrm {pixel} }\geq G_{\mathrm {objective} }}$, por lo tanto ${\displaystyle {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\geq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}}$

Si w _{fotorreceptor} / w _píxel = ff , el factor de relleno lineal de la lente, entonces la condición se convierte en

${\displaystyle {(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }\leq {(f/\#)}_{\mathrm {objective} }\times {\mathit {ff}}}$

Por lo tanto, si se quiere evitar el sombreado, el número f de la microlente debe ser menor que el número f de la lente de captura en al menos un factor igual al factor de relleno lineal del píxel. El número f de la microlente está determinado en última instancia por el ancho del píxel y su altura sobre el silicio, que determina su distancia focal. A su vez, esto viene determinado por la altura de las capas de metalización, también conocida como 'altura de pila'. Para una altura de pila determinada, el número f de las microlentes aumentará a medida que se reduzca el tamaño de píxel y, por tanto, el número f de la lente objetivo en el que se produce el sombreado tenderá a aumentar. Este efecto se ha observado en la práctica, tal y como recoge el artículo de DxOmark 'F-stop blues' ^[15]

Para mantener el número de píxeles, los sensores más pequeños tenderán a tener píxeles más pequeños, mientras que al mismo tiempo se requieren números f de lente objetivo más pequeños para maximizar la cantidad de luz proyectada en el sensor. Para combatir el efecto discutido anteriormente, los píxeles de formato más pequeño incluyen características de diseño de ingeniería para permitir la reducción del número f de sus microlentes. Estos pueden incluir diseños de píxeles simplificados que requieren menos metalización, "tubos de luz" construidos dentro del píxel para acercar su superficie aparente a las microlentes e " iluminación trasera " en la que la oblea se adelgaza para exponer la parte posterior de los fotodetectores y las microlentes. La capa se coloca directamente sobre esa superficie, en lugar de la parte frontal con sus capas de cableado. Aptina analiza con cierto detalle la eficacia relativa de estas estratagemas. ^[dieciséis]

Formatos comunes de sensores de imagen

Tamaños de los sensores utilizados en la mayoría de las cámaras digitales actuales en relación con un marco estándar de 35 mm.

Para cámaras de lentes intercambiables

Algunas cámaras DSLR, SLT y sin espejo profesionales utilizan sensores de fotograma completo , equivalentes al tamaño de un fotograma de una película de 35 mm.

La mayoría de las DSLR, SLT y cámaras sin espejo de consumo utilizan sensores relativamente grandes, ya sea algo inferiores al tamaño de un fotograma de película APS -C, con un factor de recorte de 1,5 a 1,6; o un 30% más pequeño que eso, con un factor de recorte de 2,0 (este es el sistema Four Thirds , adoptado por Olympus y Panasonic ).

A noviembre de 2013 ^[update]sólo existe un modelo mirrorless equipado con un sensor muy pequeño, más típico de las cámaras compactas: la Pentax Q7 , con un sensor de 1/1,7" (factor de recorte 4,55). Ver Sensores que equipan las cámaras digitales compactas y los teléfonos con cámara sección siguiente.

En marketing se utilizan muchos términos diferentes para describir los formatos de sensores DSLR/SLT/sin espejo, incluidos los siguientes:

• Formato SLR digital de fotograma completo de 860 mm ^{y 2} áreas , con dimensiones de sensor casi iguales a las de la película de 35 mm (36 × 24 mm) de Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony y Sigma .
• Formato estándar APS-C de 370 mm ^{y 2} áreas de Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (factor de recorte 1,5) (sin embargo, la película APS-C real es más grande).
• Formato más pequeño APS-C de 330 mm ^{y 2} áreas de Canon (factor de recorte 1,6)
• Formato del sistema Micro Four Thirds de ² áreas de 225 mm de Panasonic, Olympus, Black Magic y Polaroid (factor de recorte 2.0)

Los tamaños de sensores obsoletos y fuera de producción incluyen:

• Sensor Leica M8 y M8.2 de 548 mm ² áreas (factor de recorte 1,33). Los sensores actuales de la serie M son efectivamente de fotograma completo (factor de recorte 1,0).
• Formato APS-H de Canon de 548 mm ^{y 2} áreas para cámaras DSLR de nivel profesional de alta velocidad (factor de recorte 1,3). Los sensores actuales de las series 1D/5D son efectivamente de fotograma completo (factor de recorte 1,0).
• Formato APS-H de 548 mm ^{y 2} áreas para el SD Quattro H sin espejo de alta gama de Sigma (factor de recorte 1,35)
• Formato de factor de recorte 1,5 APS-C de 370 mm y ² áreas de Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• Formato Foveon X3 de 286 mm y ² áreas utilizado en las DSLR de la serie SD de Sigma y en las mirrorless de la serie DP (factor de recorte 1,7). Los modelos posteriores, como el SD1 , DP2 Merrill y la mayoría de la serie Quattro, utilizan un sensor Foveon de factor de cultivo 1,5; el aún más reciente Quattro H mirrorless utiliza un sensor APS-H Foveon con un factor de recorte de 1,35.
• Formato del sistema Four Thirds de 225 mm y ² áreas de Olympus (factor de recorte 2.0)
• Formato Nikon CX de 1" ^{y 2} áreas de 116 mm utilizado en la serie Nikon 1 ^[17] y la serie Samsung mini-NX (factor de recorte 2,7)
• 43 mm ² áreas 1/1,7" Pentax Q7 (factor de recorte 4,55)
• Pentax Q original de 30 mm, ² áreas, 1/2,3" (factor de recorte de 5,6). Las cámaras actuales de la serie Q tienen un factor de recorte de 4,55.

Cuando se introdujeron por primera vez los sensores de fotograma completo , los costos de producción podían exceder veinte veces el costo de un sensor APS-C. Sólo se pueden producir veinte sensores de fotograma completo en una oblea de silicio de 8 pulgadas (20 cm) , en la que cabrían 100 o más sensores APS-C, y hay una reducción significativa en el rendimiento debido a la gran área para contaminantes por componente. Además, la fabricación del sensor de fotograma completo requería originalmente tres exposiciones separadas durante cada paso del proceso de fotolitografía , lo que requiere máscaras y pasos de control de calidad separados. Canon seleccionó el tamaño intermedio APS-H , ya que en ese momento era el más grande que se podía modelar con una sola máscara, lo que ayudaba a controlar los costos de producción y gestionar los rendimientos. ^[18] Los equipos de fotolitografía más nuevos ahora permiten exposiciones de una sola pasada para sensores de fotograma completo, aunque otras limitaciones de producción relacionadas con el tamaño siguen siendo prácticamente las mismas.

Debido a las limitaciones siempre cambiantes de la fabricación y el procesamiento de semiconductores , y debido a que los fabricantes de cámaras a menudo obtienen sensores de fundiciones de terceros , es común que las dimensiones de los sensores varíen ligeramente dentro del mismo formato nominal. Por ejemplo, los sensores nominalmente de fotograma completo de las cámaras Nikon D3 y D700 en realidad miden 36 × 23,9 mm, un poco más pequeños que un fotograma de 36 × 24 mm de una película de 35 mm. Como otro ejemplo, el sensor de la Pentax K200D (fabricado por Sony ) mide 23,5 × 15,7 mm, mientras que el sensor de la K20D contemporánea (fabricado por Samsung ) mide 23,4 × 15,6 mm.

La mayoría de estos formatos de sensores de imagen se aproximan a la relación de aspecto 3:2 de la película de 35 mm. Nuevamente, el sistema Four Thirds es una excepción notable, con una relación de aspecto de 4:3 como se ve en la mayoría de las cámaras digitales compactas (ver más abajo).

Sensores más pequeños

La mayoría de los sensores están fabricados para teléfonos con cámara, cámaras digitales compactas y cámaras puente. La mayoría de los sensores de imagen que equipan las cámaras compactas tienen una relación de aspecto de 4:3. Esto coincide con la relación de aspecto de las populares resoluciones de pantalla SVGA , XGA y SXGA en el momento de las primeras cámaras digitales, lo que permite mostrar imágenes en monitores habituales sin recortarlas.

En diciembre de 2010, ^[update]la mayoría de las cámaras digitales compactas utilizaban sensores pequeños de 1/2,3". Estas cámaras incluyen Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 y Nikon Coolpix S9100. Algunas cámaras digitales más antiguas (en su mayoría de 2005 a 2010) utilizaban sensores aún más pequeños de 1/2,5". Sensores: estos incluyen Panasonic Lumix DMC-FS62, Canon Powershot SX120 IS, Sony Cyber-shot DSC-S700 y Casio Exilim EX-Z80.

A partir de 2018, las cámaras compactas de alta gama que utilizan sensores de una pulgada que tienen casi cuatro veces el área de las que equipan cámaras compactas comunes incluyen la serie Canon PowerShot G (G3 X a G9 X), la serie Sony DSC RX100, Panasonic Lumix TZ100 y Panasonic DMC-. LX15. Canon tiene un sensor APS-C en su modelo superior PowerShot G1 X Mark III.

Durante muchos años, hasta septiembre de 2011, existió una brecha entre los tamaños de sensores de las cámaras digitales compactas y DSLR. El eje x es un conjunto discreto de tamaños de formato de sensor utilizados en cámaras digitales, no un eje de medición lineal.

Finalmente, Sony tiene las cámaras DSC-RX1 y DSC-RX1R en su línea, que tienen un sensor de fotograma completo que generalmente solo se usa en DSLR, SLT y MILC profesionales.

Debido a las limitaciones de tamaño de los potentes objetivos con zoom, la mayoría de las cámaras puente actuales tienen sensores de 1/2,3", tan pequeños como los que se utilizan en las cámaras más compactas comunes. Como los tamaños de las lentes son proporcionales al tamaño del sensor de imagen, los sensores más pequeños permiten grandes cantidades de zoom con lentes de tamaño moderado En 2011, la Fujifilm X-S1 de gama alta estaba equipada con un sensor mucho más grande de 2/3". En 2013-2014, tanto Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ) como Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) produjeron cámaras puente con sensores de 1".

Los sensores de los teléfonos con cámara suelen ser mucho más pequeños que los de las cámaras compactas típicas, lo que permite una mayor miniaturización de los componentes eléctricos y ópticos. Los tamaños de sensor de alrededor de 1/6" son comunes en teléfonos con cámara, cámaras web y videocámaras digitales . El sensor de 1/1,83" del Nokia N8 era el más grande en un teléfono a finales de 2011. El Nokia 808 supera a las cámaras compactas con sus 41 millones de píxeles. , sensor de 1/1,2". ^[19]

Sensores digitales de formato medio

Los sensores digitales más grandes de las cámaras disponibles comercialmente se describen como " formato medio ", en referencia a formatos de película de dimensiones similares. Aunque la película de formato medio más común, el rollo de 120 , tiene 6 cm (2,4 pulgadas) de ancho y suele filmarse en forma cuadrada, los tamaños de sensores digitales de "formato medio" más comunes son aproximadamente 48 mm × 36 mm (1,9 pulgadas × 1,4 pulgadas), que es aproximadamente el doble del tamaño de un formato de sensor DSLR de fotograma completo .

Los sensores CCD disponibles incluyen el respaldo digital P65+ de Phase One con un sensor Dalsa de 53,9 mm × 40,4 mm (2,12 pulg. × 1,59 pulg.) que contiene 60,5 megapíxeles ^[20] y la DSLR "S-System" de Leica con una lente de 45 mm × 30 Sensor de mm (1,8 x 1,2 pulgadas) que contiene 37 megapíxeles. ^[21] En 2010, Pentax lanzó la DSLR de formato medio 645D de 40 MP con un sensor CCD de 44 mm × 33 mm (1,7 pulgadas × 1,3 pulgadas); ^[22] Los modelos posteriores de la serie 645 mantuvieron el mismo tamaño de sensor pero reemplazaron el CCD con un sensor CMOS. En 2016, Hasselblad anunció la X1D, una cámara sin espejo de formato medio de 50 MP , con un sensor CMOS de 44 mm × 33 mm (1,7 pulgadas × 1,3 pulgadas). ^[23] A finales de 2016, Fujifilm también anunció su nueva entrada al mercado Fujifilm GFX 50S de formato medio sin espejo , con un sensor CMOS de 43,8 mm × 32,9 mm (1,72 pulg. × 1,30 pulg.) y 51,4 MP. ^{[24] [25]}

Tabla de formatos y tamaños de sensores

Diferentes tamaños de sensores CMOS Omnivision Un sensor OV7910 (1/3") y tres sensores OV6920 (1/18"), ambos tipos con salidas de vídeo compuesto ( NTSC ).

Los tamaños de los sensores se expresan en pulgadas porque en el momento de la popularización de los sensores de imagen digitales se utilizaban para reemplazar los tubos de las cámaras de vídeo . Los tubos circulares comunes para cámaras de vídeo de 1" de diámetro exterior tienen un área fotosensible rectangular de aproximadamente16 mm en diagonal, por lo que un sensor digital con unaEl tamaño diagonal de 16 mm es equivalente a un tubo de vídeo de 1". El nombre de un sensor digital de 1" debería leerse con mayor precisión como sensor "equivalente a un tubo de cámara de vídeo de una pulgada". Los descriptores actuales del tamaño del sensor de imagen digital son el tamaño equivalente del tubo de la cámara de video, no el tamaño real del sensor. Por ejemplo, un sensor de 1" tiene una medida diagonal de16mm . ^{[26] [27]}

Los tamaños a menudo se expresan como una fracción de pulgada, con uno en el numerador y un número decimal en el denominador. Por ejemplo, 1/2,5 se convierte en 2/5 como fracción simple o 0,4 como número decimal. Este sistema de "pulgadas" da un resultado aproximadamente 1,5 veces la longitud de la diagonal del sensor. Esta medida de " formato óptico " se remonta a la forma en que se expresaban los tamaños de imagen de las cámaras de vídeo utilizadas hasta finales de los años 1980, refiriéndose al diámetro exterior de la envoltura de vidrio del tubo de la cámara de vídeo . David Pogue de The New York Times afirma que "el tamaño real del sensor es mucho más pequeño que lo que publican las compañías de cámaras: aproximadamente un tercio más pequeño". Por ejemplo, una cámara que anuncia un sensor de 1/2,7" no tiene un sensor con una diagonal de 0,37 pulgadas (9,4 mm); en cambio, la diagonal está más cerca de 0,26 pulgadas (6,6 mm). ^{[28] [29] [30 ]} En lugar de "formatos", estos tamaños de sensores a menudo se denominan tipos , como en "CCD de tipo 1/2 pulgada".

Debido a que los formatos de sensores en pulgadas no están estandarizados, sus dimensiones exactas pueden variar, pero las enumeradas son típicas. ^[29] Las áreas de sensores enumeradas abarcan más de un factor de 1000 y son proporcionales a la máxima colección posible de luz y resolución de imagen (misma velocidad de lente , es decir, número f mínimo ), pero en la práctica no son directamente proporcionales al ruido de la imagen. o resolución debido a otras limitaciones. Ver comparaciones. ^{[31] [32]} También se incluyen los tamaños de formato de película, a modo de comparación. Es posible que los ejemplos de aplicaciones de teléfono o cámara no muestren los tamaños exactos de los sensores.

Ver también

• SLR digital de fotograma completo
• Tamaño del sensor y ángulo de visión.
• Distancia focal equivalente a 35 mm
• formato de película
• Fotografía digital versus fotografía cinematográfica
• Lista de cámaras de vídeo con lentes intercambiables y sensores grandes
• Lista de sensores utilizados en cámaras digitales
• Punto de vista
• Factor de cultivo
• Campo de visión

notas y referencias

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34. Definido aquí como la relación de la diagonal de un completomarco de 35 mm al del formato del sensor, es decir ${\textstyle \mathrm {CF} ={\frac {\mathrm {diag_{35\ mm}} }{\mathrm {diag_{sensor}} }}\,.}$
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enlaces externos

• Eric Fossum: Photons to Bits and Beyond: The Science & Technology of Digital, 13 de octubre de 2011 (vídeo de la conferencia en YouTube)
• Joseph James: Equivalencia en Joseph James Photography
• Simon Tindemans: Parámetros fotográficos alternativos: un enfoque independiente del formato en 21stcenturyshoebox
• Modos ISO altos de cámara compacta: separando los hechos de las exageraciones en dpreview.com, mayo de 2007
• El mejor compromiso para una cámara compacta es un sensor con 6 millones de píxeles o mejor, un sensor con un tamaño de píxel de >3 μm en 6mpixel.org
• [2] en hasselblad.com