Размеры сенсоров цифровых камер

Данная глава посвящена вопросу: как размер сенсора цифровой камеры влияет на различные типы фотографии? Выбор размера сенсора аналогичен выбору между плёночными камерами 35 мм, среднего и большого формата — с некоторыми существенными отличиями, присущими цифровым технологиям. Эта тема порождает множество недоразумений, поскольку размеры сенсоров существенно варьируются, и плюс к тому есть много параметров выбора, включая глубину резкости, визуальный шум, дифракцию, стоимость и размер/вес.

Я написал эту статью после того, как провёл собственное исследование, которое имело целью выяснить, является ли Canon EOS 5D в действительности шагом вверх по сравнению с 20D для моих целей. Основные понятия, обсуждаемые в этой статье, можно найти в главе, посвящённой сенсорам цифровых камер.

Обзор размеров сенсоров

Существует множество сенсоров разного размера, в зависимости от их использования, ценовой категории и требуемой портативности. Относительные размеры для многих из них показаны ниже:

Canon 1Ds/1DsMkII/5D и Kodak DCS 14n являются наиболее распространёнными полнокадровыми сенсорами. Такие камеры Canon, как 300D/350D/10D/20D, все используют кроп-фактор 1.6, тогда как в камерах Nikon, таких как D70(s)/D100 используется кроп-фактор 1.5. В диаграмме отсутствует кроп-фактор 1.3, который используется в серии 1D камер Canon.

Камеры телефонов и другие компактные камеры используют сенсоры в диапазоне от ~1/4" до 2/3". Olympus, Fuji и Kodak объединились для создания стандарта 4/3, который имеет кроп-фактор 2 относительно плёнки 35 мм. Существуют сенсоры среднего формата и даже больше, однако они намного менее распространены и в настоящее время невозможно дороги, в связи с чем мы не рассматриваем их здесь, хотя к ним применимы те же принципы.

Кроп-фактор и множитель фокусного расстояния

Кроп-фактором называют отношение диагонали полного кадра (35 мм) к диагонали сенсора. Называют его так, поскольку при использовании 35 мм объектива сенсор по сути обрезает края изображения (в связи со своим уменьшенным размером).

Угол зрения полного кадра 35 мм

На первый взгляд можно предположить, что потеря информации об изображении никогда не будет уместна, но в действительности в ней есть свои преимущества. Практически все объективы наиболее резки в центральной части, и по мере приближения к краю деградация качества нарастает. Это означает, что урезанный сенсор по сути теряет части изображения худшего качества, что может оказаться весьма полезным при использовании объективов низкого качества (поскольку у них граничное качество, как правило, наихудшее).

Полный снимок	Центральный фрагмент	Угловой фрагмент

С другой стороны это означает, что используется намного больший объектив, чем эт ов действительности необходимо — что становится особенно заметно, если камеру приходится носить долгое время (см. ниже). В идеале следовало бы использовать практически всё изображение, передаваемое объективом, и объектив должен быть при этом достаточно высокого качества, чтобы изменения резкости от центра к краям были пренебрежимо малы.

Вдобавок, оптическое качество широкоугольных объективов редко настолько же велико, как у объективов с большими фокусными расстояниями. Поскольку обрезанный сенсор вынужден использовать более широкоугольные объективы для получения того угла обзора, который возможен для сенсора большего размера, это ухудшает качество. Кроме того, сенсоры меньшего размера больше используют центральное поле зрения объектива, так что пределы его разрешающей способности станут более заметны для объективов худшего качества.

Аналогично, множитель фокусного расстояния относит фокусное расстояние объектива, используемого с сенсором меньшего формата, к фокусному расстоянию объектива с таким же углом зрения на 35 мм, и он равен кроп-фактору. Это означает, что объектив 50 мм, используемый с сенсором, кроп-фактор которого равен 1.6, обеспечит тот же угол зрения,что и объектив 1.6 x 50 = 80 мм для полно кадрового сенсора 35 мм.

Учтите, что каждый из этих терминов может несколько дезориентировать. Фокусное расстояние объектива в действительности не меняется при использовании его с сенсором другого размера — изменяется исключительно угол зрения. Объектив 50 мм всегда будет объективом 50 мм, вне зависимости от типа сенсора. В то же время «кроп-фактор» может быть неподходящим термином для описания малых сенсоров, поскольку обрезание изображения далеко не всегда имеет место (если используются объективы, разработанные для данного сенсора).

Размер и вес объектива

Меньшие сенсоры требуют более лёгких объективов (для эквивалентного угла зрения, диапазона зума, качества сборки и диапазона диафрагм). Это отличие может быть критично для съёмок дикой природы, в походах и поездках, поскольку в них зачастую требуется использовать более тяжёлые объективы или носить оборудование длительные периоды времени. Следующий график иллюстрирует этот тренд на примере выбора типичных телеобъективов Canon для съёмок спорта и дикой природы:

Подразумевается, что если требуется достичь на 35 мм камере того же приближения, которое достигается объективом 200 мм f/2.8 на камере с кроп-фактором 1.5 (то есть, использовать объектив 300 мм f/2.8), придётся носить в 3.5 раза больший вес! Это если не принимать в расчёт разницу в размерах между ними, которая может быть важна, если не хочется привлекать внимание публики. Вдобавок, более тяжёлые объективы обычно значительно дороже стоят.

В зеркальных камерах увеличение размера сенсора означает заодно увеличение размера и прозрачности картинки в видоискателе, что может быть особенно полезно при ручной фокусировке. Однако, такая конструкция также будет тяжелее и стоить больше, поскольку требует большего размера пентапризмы (или пентазеркала), чтобы передать свет от объектива к видоискателю и далее на сетчатку вашего глаза.

Требования к глубине резкости

При увеличении размера сенсора глубина резкости при заданной диафрагме уменьшится (для предмета съёмки тех же размеров и на том же расстоянии). Происходит это потому, что сенсор большего размера для заполнения кадра потребует либо приблизиться к предмету съёмки, либо использовать большее фокусное расстояние. Сокращение дистанции фокусировки означает сокращение глубины резкости, для компенсации которого потребуется увеличить число диафрагмы (закрыть её сильнее). Следующий калькулятор определяет необходимые диафрагму и фокусное расстояние для сохранения глубины резкости (при неизменной перспективе).

В качестве примера расчёта, если захотеть воспроизвести ту же перспективу и глубину резкости на полнокадровом сенсоре, которые были получены при помощи объектива 10 мм при диафрагме f/11 на камере с кроп-фактором 1.6, понадобилось бы использовать объектив 16 мм и диафрагму порядка f/18. Иначе, если использовать объектив 50 мм f/1.4 на полнокадровом сенсоре, полученная глубина резкости была бы настолько мала, что на камере с кроп-фактором 1.6 для этого потребовалась бы диафрагма 0.9 — для потребительских объективов недостижимая!

Малая глубина резкости может быть желательна для портретов, поскольку она улучшает размытие фона, тогда как большая глубина резкости желательна для пейзажно-ландшафтной съёмки. Вот почему компактные камеры бьются за получение хорошего размытия фона на портретах, тогда как камеры большого формата бьются за требуемую глубину резкости пейзажей.

Примите во внимание, что вышеприведенный калькулятор предполагает, что у вас есть объектив для второго сенсора, который может воспроизвести угол зрения первого. Если вы используете один и тот же объектив, требования по диафрагме сохранятся, но вам потребуется приблизиться к объекту (или отдалиться от него). Однако при этом заодно изменится перспектива.

Влияние дифракции

Сенсоры большего размера могут использовать меньшие диафрагмы, прежде чем кружок рассеивания станет больше, чем кружок нерезкости (определяется печатным размером и критериями резкости). Происходит это в первую очередь потому, что большие сенсоры не требуют настолько большого увеличения зафиксированного ими изображения для получения аналогичного печатного размера. Например, если использовать (теоретически) цифровой сенсор размером 20x25 см, отпечатки размером 8x10 см вообще не потребуют увеличения, тогда как отпечаток с сенсора 35 мм потребовал бы существенного увеличения.

Следующий калькулятор может быть использован для оценки дифракционного предела резкости. Учтите, что его результаты справедливы только для визуального контроля изображения на экране в масштабе 100% — то есть, различимость дифракции в отпечатке будет также зависеть от расстояния просмотра и печатного размера. Для получения расчёта по этим параметрам используйте калькулятор, приведенный в главе о дифракционном пределе в фотографии.

Не забывайте, что усиление влияния дифракции происходит постепенно, так что диафрагмы несколько меньшие или большие полученного значения дифракционного предела не станут внезапно выглядеть лучше или хуже, соответственно. Используя Canon 20D, например, зачастую можно применять f/11 без заметных изменений резкости в фокальной плоскости, но если закрывать диафрагму сильнее, дифракция становится хорошо заметна. Далее, вышеприведенная цифра является всего лишь теоретическим пределом, в действительности значение будет также зависеть от характеристик объектива. Следующая диаграмма показывает размер диска Эйри (теоретического максимума разрешающей способности) для двух диафрагм в матрице, отображающей размер пикселя:

Разрешение ограничено плотностью пикселей (требование малой ГРИП)		Разрешение ограничено диском Эйри (требование большой ГРИП)

Важным следствием этих явлений является то, что дифракционный предел размера пикселя увеличивается для сенсоров большего размера (если требуемая глубина резкости остаётся неизменной). Именно размер пикселя определяет момент, когда размер кружка рассеивания становится ограничивающим фактором общего разрешения — но не плотность пикселей. Далее, дифракционный предел ГРИП является константой для всех размеров сенсоров. Этот фактор может быть критическим при выборе новой камеры для целевого использования, поскольку большее число пикселей необязательно обеспечит прирост разрешающей способности (для определённых требований к глубине резкости). Фактически, увеличение числа пикселей может даже повредить качеству изображения, повысив шумность и сократив динамический диапазон (в следующем разделе).

Размер пикселя: уровень шума и динамический диапазон

Сенсоры большего размера обычно имеют пиксели большего размера (хотя это не всегда так), что потенциально означает меньший визуальный шум и больший динамический диапазон. Динамический диапазон описывает диапазон оттенков цветности, которые сенсор в состоянии записать, прежде чем пиксель окажется абсолютно белым, но не ниже уровня, при котором текстура становится неотличима от фонового шума (близко к чёрному). Поскольку пиксели большего размера занимают больший объём — и, следовательно, имеют большую фотонную ёмкость — их динамический диапазон тоже как правило больше.

Примечание: ёмкости показаны без цветофильтров

Далее, более крупные пиксели получают больший поток фотонов за время заданной экспозиции (при одинаковой диафрагме), так что их светосигнал намного сильнее. Для аналогичного количества фонового шума достигается более высокое соотношение сигнал-шум — и как следствие, более гладкое фото.

Крупные пиксели (часто больший сенсор)		Мелкие пиксели (часто меньший сенсор)

Однако это не всегда так, поскольку уровень фонового шума зависит также от технологии производства сенсора и от того, насколько эффективно камера извлекает тональную информацию из каждого пикселя (не внося дополнительный шум). В остальном вышеописанная тенденция верна. Ещё один аспект, который имеет смысл учитывать, состоит в том, что даже если два сенсора имеют одинаковый видимый шум при просмотре в масштабе 100%, сенсор с большим числом пикселей выдаст более чистый финальный отпечаток. Произойдёт это потому, что на сенсоре с большим числом пикселей шум будет меньше увеличен (для заданного печатного размера), следовательно, это будет более высокочастотный шум, с более мелким зерном.

Стоимость производства цифрового сенсора

Стоимость цифрового сенсора драматически повышается по мере увеличения его площади. Это означает, что сенсор удвоенной площади будет стоить гораздо более, чем вдвое дороже, так что вы в действительности платите больше за единицу площади сенсора по мере увеличения его размера.

Кремниевый диск (поделен на маленькие сенсоры)		Кремниевый диск (поделен на большие сенсоры)

Понять это можно, взглянув на процесс производства цифровых сенсоров. Каждый сенсор вырезается из большого листа кремния, называемого подложкой, который может содержать тысячи индивидуальных чипов. Каждый лист невероятно дорог(тысячи долларов), и как следствие, чем меньше чипов можно получить из листа, тем дороже будет каждый из них. Далее, степень отбраковки (слишком много сгоревших пикселей или что-нибудь ещё) нарастает по мере прироста размера сенсора, то есть процент пригодных к использованию сенсоров (выход с листа) падает. Считая эти факторы (количество чипов с листа и доход) самыми важными, считаем стоимость возрастающей пропорционально квадрату площади сенсора (сенсор двойного размера будет стоить вчетверо дороже). В действительности отношение размера к стоимости имеет более сложную форму, но квадратичный расчёт поможет вам оценить, насколько быстро растёт стоимость.

Это не значит, что сенсоры определённого размера всегда будут невозможно дороги; их стоимость может однажды упасть, но относительная стоимость большого сенсора всегда будет намного больше (за единицу площади) по сравнению с некоторым меньшим размером.

Прочие соображения

Некоторые объективы доступны только для определённых размеров сенсоров (в противном случае могут не работать), что тоже может оказаться соображением, если они нужны для вашего стиля фотографии. Одним из примечательных типов объективов является сдвиго-поворотный (tilt/shift), который можно применять для увеличения (или уменьшения) видимой глубины резкости посредством поворота или управления перспективой с помощью сдвига для снижения (или исключения) завала вертикали, вызванного отклонением камеры от линии горизонта (полезно при съёмке архитектуры).

Итоги: общая детальность изображения и взаимоисключающие факторы

Глубина резкости для сенсоров больших форматов намного меньше, однако они также позволяют закрыть диафрагму намного сильнее, прежде чем дифракционный предел будет достигнут (для выбранного печатного размера и критериев резкости). Так у какого же из вариантов есть потенциал сделать наиболее детальный снимок? Большие сенсоры (и соответствующие большие количества пикселей) без сомнения создают более детальные изображения, если вы можете позволить себе пожертвовать глубиной резкости. С другой стороны, если вы хотите сохранить определённую глубину резкости, большие размеры сенсоров необязательно имеют преимущество в разрешающей способности. Далее, дифракционный предел глубины резкости одинаков для всех размеров сенсоров. Другими словами, если требуется использовать предельно закрытую диафрагму до проявления эффекта дифракции, все размеры сенсоров создадут одинаковую глубину резкости — несмотря на то, что дифракционный предел числа диафрагмы будет различным.

Ещё одно важное следствие таково: если решающим параметром оказывается глубина резкости, требуемая длительность экспозиции увеличивается вместе с размером сенсора при одинаковой чувствительности ISO. Этот фактор, пожалуй, максимально влияет на макросъёмку и ночную фотографию, поскольку для каждой из них может потребоваться большая глубина резкости и разумная длительность экспозиции. Заметьте, что если снимок может быть сделан с рук на меньшем формате, необязательно то же самое можно снять с рук на большем.

С другой стороны, длительности выдержки необязательно вырастут настолько сильно, как может показаться на первый взгляд, поскольку большие сенсоры обычно меньше шумят (и, соответственно, могут позволить использовать большую чувствительность ISO с сохранением аналогичного уровня визуального шума).

В идеале, уровень визуального шума (на данном печатном размере) обычно падает при увеличении размера сенсора цифровой камеры (вне зависимости от размера пикселя).

Вне зависимости от размера пикселя, большие сенсоры неизбежно имеют большую площадь светосборника. Теоретически сенсор большого размера с маленькими пикселями по-прежнему будет показывать меньше визуального шума (для выбранного печатного размера), чем меньший сенсор с большими пикселями (и значительно меньшим числом пикселей, как следствие), поскольку шум камеры с высокой разрешающей способностью подвергается меньшему увеличению, даже если при просмотре в масштабе 100% на экране компьютера снимок выглядит более зашумленным. Иначе, можно усреднить смежные пиксели сенсора с большим числом пикселей (тем самым уменьшив случайный шум), достигнув при этом разрешения сенсора с меньшим числом пикселей. Именно поэтому изображения, уменьшенные для публикации на сайтах и мелкоразмерных отпечатков, выглядят настолько бесшумно.

В целом: сенсоры больших размеров обычно предоставляют больше контроля и художественной гибкости, но за счёт увеличения размера и веса объективов, а также общей стоимости. Такая гибкость позволяет использовать меньшую глубину резкости, чем это возможно для меньшего сенсора (если это требуется), и при этом позволяет достичь сравнимой глубины резкости при использовании меньшего отверстия диафрагмы и более высокой чувствительности ISO (или штатива).