센서가 클수록 다이내믹 레인지가 더 좋은 이유는 무엇입니까?

센서가 클수록 피사계 심도를 더 잘 제어하고 노이즈를 낮추는 방법에 대한 모든 이론을 이미 알고 있습니다. 그러나 나는 왜 더 큰 센서가 더 큰 다이나믹 레인지를 제공하는지 설명 할 수있는 곳을 찾지 못했습니다.

센서의 크기는 중요하지 않으며 픽셀의 크기입니다. 그러나 풀 프레임 카메라와 같이 더 큰 센서는 더 큰 픽셀을 갖는 경향이 있습니다.

센서의 크기를 취하여 픽셀 수를 픽셀 수로 나눠서 픽셀 크기를 추정 할 수 있습니다 . 대부분의 센서는 픽셀 사이에 간격이 있고이 간격의 크기가 다르기 때문에이 계산은 정확하지 않습니다. 이것이 내가 "추정"이라고 말하는 이유입니다.

이제 센서의 픽셀을 상자로, 광자를 공으로 생각하십시오. 상자가 클수록 더 많은 공을 담을 수 있습니다.

상자 A와 B가 있다고 가정하면 상자 A는 256 개의 볼을 포함 할 수 있고 상자 B는 512 개의 볼을 포함 할 수 있습니다. 이제 A 타입의 박스 매트릭스를 배열하고 공중에 많은 공을 던지십시오. 공이 떨어진 위치에 대한 통계를 수집하려고합니다.

상자 가운데 가운데에는 256 개의 공이 있고 가장자리에는 상자에 ~ 20 개의 공이 있습니다. 중간에 256 개의 볼만 쓰러 졌는지 알 수 없습니다. 우리의 측정은 256 볼에 대해 최대로 제한됩니다.

이제이 실험을 반복하지만 이제 유형 B의 상자를 사용합니다. 이제 상자 중간에 347 개의 공이 있고 가장자리에 상자에 ~ 20 개의 공이있는 것을 볼 수 있습니다.

우리의 측정은 훨씬 정확합니다. 이것이 바로 센서를 때리는 광자에서 일어나는 일입니다. 표면이 클수록 더 많은 광자를 포함 할 수 있으며 더 큰 동적 범위를 측정 할 수 있습니다. 이 예에서는 큰 상자에서 동적 범위가 두 배로 큽니다.

픽셀이 광자로 가득 찬 경우 색상으로의 변환은 완전히 포화 된 색상이지만 픽셀 표면이 클수록 더 나은 결과를 얻을 수 있으므로 다이내믹 레인지가 향상됩니다.

다음은 내 설명을 보여줄 수있는 그림입니다.

더 자세한 설명을 보려면이 기사를 확인하십시오.

Dynamic_Range

광자 노이즈가 유일한 관심사 인 이상적인 센서를 고려할 때 센서가 클수록 동적 범위가 커집니다. 다이나믹 레인지는 센서가 포화되는 지점과 그림자의 노이즈로 인해 세부 사항이 손실되는 지점의 차이입니다.

큰 센서는 더 큰 픽셀을 가지거나 더 많은 픽셀을 갖습니다. 픽셀이 클수록 전하를 저장하는 용량이 커지고 (모두 동일) 픽셀 당 더 많은 광이 캡처되므로 그림자의 빛이 적어 동적 범위가 커집니다. 더 많은 픽셀은 픽셀 당 유사한 노이즈를 의미하지만 섀도우 노이즈를 줄이기 위해 평균보다 더 많은 픽셀을 의미하므로 다이내믹 레인지가 증가합니다.

실제로 포토 사이트에 의해 생성 된 아날로그 신호가 디지털화되기 전에 노이즈를 포착하는 다른 노이즈 소스, 즉 판독 노이즈가 있습니다. 이는 센서 크기의 차이보다 훨씬 강한 동적 범위에 영향을 줄 수 있습니다. 이미지의 어두운 영역에서 발생하는 저 강도 신호는 특히 읽기 노이즈에 민감하므로 DR에 큰 영향을 미칩니다.

새로운 기술 (센서에서 ADC 로의 경로를 단축하고 신호를 두 번 전송하고 결과를 비교)은 실제로 읽기 노이즈를 제거 할 수있어 Sony Exmor와 같은 APS-C 센서가 Canon의 2.5 배 더 큰 풀 프레임 센서의 동적 범위를 초과 할 수 있습니다. 거의 순서대로!

좋은 조명에서 동적 범위와 조명이 어두운 경우 동적 범위를 구분해야합니다. 전자는 주로 판독 잡음에 의해 결정되므로, 작은 판독 센서는 낮은 판독 잡음과 충분한 우물 깊이를 가지고 있으면 우수 할 수 있습니다. 후자는 광자 노이즈에 의해 지배되고 (낮은 빛에서 ISO를 높이면 광자 노이즈를 증폭하지만 판독 노이즈는 발생하지 않습니다) 따라서 큰 센서는 여기서 더 잘 작동하는 경향이 있습니다. 모든 센서가 추세를 따르는 것은 아닙니다.

더 큰 센서가 픽셀 당 더 큰 표면적 이외의 더 큰 다이내믹 레인지 또는 더 낮은 노이즈를 제공 할 이유는 없지만 풀 프레임 카메라는 더 높은 엔드 유닛 인 경향이 있으므로 더 나은 센서를 갖는 경향이 있습니다.

풀 프레임 센서와 비슷한 품질로 만들 경우 해상도가 낮을수록 더 작은 센서가 더 나은 노이즈 및 다이내믹 레인지 성능을 갖지 못할 이유가 없습니다. 센서 표면의 인치당 픽셀 수와 센서 품질은 중요한 비트입니다.

상자가있는 예는 매우 사실이며 더 큰 센서가 큰 동적 범위를 갖는 이유를 설명합니다. 픽셀이 작을수록 더 적은 광전자를 저장할 수 있습니다 (저장 될 수있는 최대 광전자 수는 완전 우물 용량이라고합니다). 이미지 (회색 음영 없음! (:).

따라서 다른 모든 것이 동일하다면 더 큰 센서의 다이내믹 레인지가 더 높다는 것은 의심의 여지가 없습니다.

문제는 해상도를 낮추어 다이나믹 레인지를 늘릴 수 있습니까? 나는 과학적 CCD 카메라로 그것을 할 수 있다는 것을 알고 있습니다 (개인적으로 그것을했습니다). 그러나 소비자 용 카메라와 CMOS에서도 동일한 작업을 수행 할 수 있습니까? 나는 2x2 픽셀을 하나로 바인딩 할 수 있다면 (여전히 해상도를 4 배 줄인다) 가정합니다.

내 연구에 따르면 픽셀 크기는 중요하지 않습니다. 상자 이론은 더 큰 픽셀이 더 많은 빛을 모으기 때문에 조명 조건에 적합합니다. 낮은 빛 (상식)에서 가장자리를 갖지만 센서 기술은 동적 범위의 핵심 요소입니다 다이내믹 레인지는 센서가 하이라이트와 그림자로 소매점을 유지할 수있는 기능이기 때문입니다. 예를 들어, 최신 센서 소형 또는 대형 팬의 동적 범위는 구형 풀 프레임 센서의 동적 범위보다 우수합니다.