TAMAÑOS DEL SENSOR DE LA CÁMARA DIGITAL

Este artículo tiene como objetivo abordar la pregunta:¿cómo influye el tamaño del sensor de su cámara digital en los diferentes tipos de fotografía? Su elección del tamaño del sensor es análoga a elegir entre cámaras de película de formato medio y formato grande de 35 mm, con algunas diferencias notables exclusivas de la tecnología digital. A menudo surge mucha confusión sobre este tema porque hay tantas opciones de tamaño diferentes y tantas compensaciones relacionadas con la profundidad de campo, el ruido de la imagen, la difracción, el costo y el tamaño/peso.

La lectura de antecedentes sobre este tema se puede encontrar en el tutorial sobre sensores de cámaras digitales.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS TAMAÑOS DE SENSORES

Los tamaños de sensor actualmente tienen muchas posibilidades, dependiendo de su uso, precio y portabilidad deseada. El tamaño relativo de muchos de estos se muestra a continuación:

Las series 1Ds/5D y Nikon D3 de Canon son los sensores de fotograma completo más comunes. Todas las cámaras Canon, como la Rebel/60D/7D, tienen un factor de recorte de 1,6X, mientras que las cámaras Nikon SLR convencionales tienen un factor de recorte de 1,5X. El gráfico anterior excluye el factor de recorte de 1,3X, que se utiliza en las cámaras de la serie 1D de Canon.

Los teléfonos con cámara y otras cámaras compactas utilizan tamaños de sensor en el rango de ~1/4" a 2/3". Olympus, Fuji y Kodak se unieron para crear un sistema 4/3 estándar, que tiene un factor de recorte 2X en comparación con la película de 35 mm. Existen sensores de formato medio y más grandes, sin embargo, estos son mucho menos comunes y actualmente prohibitivamente caros. Por lo tanto, no se abordarán aquí específicamente, pero se aplican los mismos principios.

FACTOR DE RECORTE Y MULTIPLICADOR DE DISTANCIA FOCAL

El factor de recorte es el tamaño de la diagonal del sensor en comparación con un sensor de fotograma completo de 35 mm . Se llama así porque cuando se usa una lente de 35 mm, dicho sensor recorta efectivamente esta parte de la imagen en su exterior (debido a su tamaño limitado).

Ángulo de visión de fotograma completo de 35 mm

Inicialmente, uno podría pensar que tirar la información de la imagen nunca es ideal, sin embargo, tiene sus ventajas. Casi todas las lentes son más nítidas en sus centros, mientras que la calidad se degrada progresivamente hacia los bordes. Esto significa que un sensor recortado descarta efectivamente las partes de la imagen de menor calidad , que es bastante útil cuando se usan lentes de baja calidad (ya que estos suelen tener la peor calidad de borde).

Fotografía sin recortar Recorte central Recorte de esquina

Por otro lado, esto también significa que uno lleva una lente mucho más grande de lo necesario, un factor particularmente relevante para aquellos que llevan su cámara durante largos períodos de tiempo (consulte la sección a continuación). Idealmente, uno usaría casi toda la luz de la imagen transmitida desde la lente, y esta lente sería de una calidad lo suficientemente alta como para que su cambio en la nitidez fuera insignificante hacia sus bordes.

Además, el rendimiento óptico de los objetivos gran angular rara vez es tan bueno como el de las distancias focales más largas . Dado que un sensor recortado se ve obligado a usar una lente de ángulo más amplio para producir el mismo ángulo de visión que un sensor más grande, esto puede degradar la calidad. Los sensores más pequeños también amplían más la región central de la lente, por lo que es probable que su límite de resolución sea más evidente para lentes de menor calidad. Consulte el tutorial sobre la calidad de la lente de la cámara para obtener más información al respecto.

Del mismo modo, el multiplicador de distancia focal relaciona la distancia focal de una lente utilizada en un formato más pequeño con una lente de 35 mm que produce un ángulo de visión equivalente , y es igual al factor de recorte. Esto significa que una lente de 50 mm utilizada en un sensor con un factor de recorte de 1,6X produciría el mismo campo de visión que una lente de 1,6 x 50 =80 mm en un sensor de cuadro completo de 35 mm.

Tenga en cuenta que ambos términos pueden ser algo engañosos. La distancia focal de la lente no cambia solo porque se usa una lente en un sensor de diferente tamaño, solo cambia su ángulo de visión. Una lente de 50 mm es siempre una lente de 50 mm, independientemente del tipo de sensor. Al mismo tiempo, el "factor de recorte" puede no ser apropiado para describir sensores muy pequeños porque la imagen no está necesariamente recortada (cuando se usan lentes diseñados para ese sensor).

CONSIDERACIONES SOBRE EL TAMAÑO Y EL PESO DE LA LENTE

Los sensores más pequeños requieren lentes más ligeros (para ángulo de visión equivalente, rango de zoom, calidad de construcción y rango de apertura). Esta diferencia puede ser crítica para la fotografía de vida silvestre, senderismo y viajes, ya que todos estos a menudo utilizan lentes más pesados ​​o requieren equipo de transporte durante largos períodos de tiempo. El siguiente gráfico ilustra esta tendencia para una selección de teleobjetivos de Canon típicos de la fotografía de deportes y vida salvaje:

Una implicación de esto es que si se requiere que el sujeto ocupe la misma fracción de la imagen en una cámara de 35 mm que con una lente de 200 mm f/2.8 en una cámara con un factor de recorte de 1.5X (que requiere una lente de 300 mm f/2.8 lente), ¡uno tendría que llevar 3.5X más peso! Esto también ignora la diferencia de tamaño entre los dos, que puede ser importante si uno no quiere llamar la atención en público. Además, los lentes más pesados ​​suelen costar mucho más.

Para las cámaras SLR, los tamaños de sensor más grandes dan como resultado imágenes de visor más grandes y claras, lo que puede ser especialmente útil cuando se realiza el enfoque manual. Sin embargo, estos también serán más pesados ​​y costarán más porque requieren un prisma/pentaespejo más grande para transmitir la luz de la lente al visor y hacia su ojo.

REQUISITOS DE PROFUNDIDAD DE CAMPO

A medida que aumenta el tamaño del sensor, la profundidad de campo disminuirá para una apertura determinada (al llenar el encuadre con un sujeto del mismo tamaño y distancia). Esto se debe a que los sensores más grandes requieren que uno se acerque al sujeto o use una distancia focal más larga para llenar el encuadre con ese tema. Esto significa que uno tiene que usar tamaños de apertura progresivamente más pequeños para mantener la misma profundidad de campo en sensores más grandes. La siguiente calculadora predice la apertura y la distancia focal requeridas para lograr la misma profundidad de campo (manteniendo la perspectiva).

*Si se desea la misma perspectiva.

Como ejemplo de cálculo, si se quisiera reproducir la misma perspectiva y profundidad de campo en un sensor de fotograma completo que la que se obtiene con un objetivo de 10 mm a f/11 en una cámara con un factor de recorte de 1,6X, sería necesario utilizar un Lente de 16 mm y una apertura de aproximadamente f/18. Alternativamente, si se usara una lente de 50 mm f/1.4 en un sensor de cuadro completo, esto produciría una profundidad de campo tan superficial que requeriría una apertura de 0.9 en una cámara con un factor de recorte de 1.6X, ¡no es posible con lentes de consumo!

Retrato
(DoF superficial) Paisaje
(gran profundidad de campo)

Una menor profundidad de campo puede ser deseable para los retratos porque mejora el desenfoque del fondo, mientras que una mayor profundidad de campo es deseable para la fotografía de paisajes. Esta es la razón por la que las cámaras compactas luchan para producir un desenfoque de fondo significativo en los retratos, mientras que las cámaras de gran formato luchan para producir una profundidad de campo adecuada en los paisajes.

Tenga en cuenta que la calculadora anterior asume que tiene una lente en el nuevo sensor (#2) que puede reproducir el mismo ángulo de visión que en el sensor original (#1). Si, en cambio, utiliza el mismo objetivo, los requisitos de apertura seguirán siendo los mismos (pero tendrá que acercarse al sujeto). Esta opción, sin embargo, también cambia la perspectiva.

INFLUENCIA DE LA DIFRACCIÓN

Los tamaños de sensor más grandes pueden usar aperturas más pequeñas antes de que el disco de aire de difracción sea más grande que el círculo de confusión (determinado por el tamaño de impresión y los criterios de nitidez). Esto se debe principalmente a que los sensores más grandes no tienen que agrandarse tanto para lograr el mismo tamaño de impresión. Como ejemplo:en teoría, se podría usar un sensor digital tan grande como 8x10 pulgadas y, por lo tanto, no sería necesario ampliar su imagen para una impresión de 8x10 pulgadas, mientras que un sensor de 35 mm requeriría una ampliación significativa.

Use la siguiente calculadora para estimar cuándo la difracción comienza a reducir la nitidez. Tenga en cuenta que esto solo muestra cuándo la difracción será visible cuando se vea en pantalla al 100 %; que esto sea evidente en la impresión final también depende de la distancia de visualización y el tamaño de la impresión. Para calcular esto también, visite:límites de difracción y fotografía.

Tenga en cuenta que el inicio de la difracción es gradual, por lo que las aperturas ligeramente más grandes o más pequeñas que el límite de difracción anterior no se verán repentinamente mejor o peor, respectivamente. Además, lo anterior es solo un límite teórico; los resultados reales también dependerán de las características de la lente. Los siguientes diagramas muestran el tamaño del disco aireado (capacidad de resolución máxima teórica) para dos aperturas frente a una cuadrícula que representa el tamaño de píxel:

Resolución de límites de densidad de píxeles
(Requisito DOF poco profundo) Resolución de límites de Airy Disk
(Requisito DOF profundo)

Una implicación importante de los resultados anteriores es que el tamaño de píxel limitado por difracción aumenta para sensores más grandes (si los requisitos de profundidad de campo siguen siendo los mismos). Este tamaño de píxel se refiere a cuándo el tamaño del disco aireado se convierte en el factor limitante en la resolución total, no la densidad de píxeles. Además, la profundidad de campo limitada por difracción es constante para todos los tamaños de sensor. Este factor puede ser fundamental al decidir sobre una nueva cámara para su uso previsto, ya que es posible que más píxeles no proporcionen necesariamente más resolución (para sus requisitos de profundidad de campo). De hecho, más píxeles podrían incluso dañar la calidad de la imagen al aumentar el ruido y reducir el rango dinámico (siguiente sección).

TAMAÑO DE PÍXELES:NIVELES DE RUIDO Y RANGO DINÁMICO

Los sensores más grandes generalmente también tienen píxeles más grandes (aunque no siempre es así), lo que les da el potencial de producir menos ruido de imagen y tener un rango dinámico más alto. El rango dinámico describe el rango de tonos que un sensor puede capturar debajo cuando un píxel se vuelve completamente blanco, pero arriba cuando la textura es imperceptible del ruido de fondo (casi negro). Dado que los píxeles más grandes tienen un mayor volumen y, por lo tanto, un mayor rango de capacidad de fotones, generalmente tienen un rango dinámico más alto.

Nota:las cavidades se muestran sin filtros de color presentes

Además, los píxeles más grandes reciben un mayor flujo de fotones durante un tiempo de exposición dado (al mismo número de f), por lo que su señal de luz es mucho más fuerte. Para una cantidad dada de ruido de fondo, esto produce una mayor relación señal/ruido y, por lo tanto, una foto de aspecto más suave.

Píxeles más grandes
(con un sensor más grande) Píxeles más pequeños
(con un sensor más pequeño)

Sin embargo, este no es siempre el caso, porque la cantidad de ruido de fondo también depende del proceso de fabricación del sensor y de la eficiencia con la que la cámara extrae información tonal de cada píxel (sin introducir ruido adicional). Sin embargo, en general, la tendencia anterior es cierta. Otro aspecto a considerar es que incluso si dos sensores tienen el mismo ruido aparente cuando se ven al 100 %, el sensor con el mayor número de píxeles producirá una impresión final más limpia . Esto se debe a que el ruido se agranda menos para el sensor con mayor cantidad de píxeles (para un tamaño de impresión dado), por lo tanto, este ruido tiene una frecuencia más alta y, por lo tanto, parece tener un grano más fino.

COSTE DE PRODUCCIÓN DE SENSORES DIGITALES

El costo de un sensor digital aumenta dramáticamente a medida que aumenta su área. Esto significa que un sensor con el doble de área costará más del doble, por lo que efectivamente está pagando más por unidad de "bienes raíces del sensor" a medida que cambia a tamaños más grandes.

Oblea de silicio
(dividida en pequeños sensores) Oblea de silicio
(dividida en sensores grandes)

Uno puede entender esto observando cómo los fabricantes fabrican sus sensores digitales. Cada sensor está cortado de una hoja más grande de material de silicio llamada oblea, que puede contener miles de chips individuales. Cada oblea es extremadamente costosa (miles de dólares), por lo tanto, menos chips por oblea dan como resultado un costo por chip mucho más alto. Además, la posibilidad de que un defecto irreparable (demasiados píxeles activos o de otro tipo) acabe en un sensor determinado aumenta con el área del sensor, por lo que el porcentaje de sensores utilizables disminuye con el aumento del área del sensor (rendimiento por oblea). Asumiendo que estos factores (chips por oblea y rendimiento) son los más importantes, los costos aumentan proporcionalmente al cuadrado del área del sensor (un sensor 2 veces más grande cuesta 4 veces más). La fabricación en el mundo real tiene una relación más complicada entre el tamaño y el costo, pero esto le da una idea de los costos que se disparan.

Sin embargo, esto no quiere decir que ciertos sensores de tamaño siempre serán prohibitivamente caros; su precio puede caer eventualmente, pero es probable que el costo relativo de un sensor más grande siga siendo significativamente más caro (por unidad de área) en comparación con un tamaño más pequeño.

OTRAS CONSIDERACIONES

Algunas lentes solo están disponibles para ciertos tamaños de sensor (o puede que no funcione según lo previsto), lo que también podría ser una consideración si esto ayuda a su estilo de fotografía. Un tipo notable son las lentes de inclinación/desplazamiento, que permiten aumentar (o disminuir) la profundidad de campo aparente utilizando la función de inclinación. Las lentes de inclinación/desplazamiento también pueden usar el desplazamiento para controlar la perspectiva y reducir (o eliminar) las líneas verticales convergentes causadas por apuntar la cámara por encima o por debajo del horizonte (útil en fotografía arquitectónica). Además, los lentes ultra gran angular rápidos (f/2.8 o mayor) no son tan comunes para los sensores recortados, lo que puede ser un factor decisivo si se necesita en deportes o fotoperiodismo.

CONCLUSIONES:DETALLE GENERAL DE LA IMAGEN Y FACTORES COMPETENTES

La profundidad de campo es mucho menor para los sensores de formato más grande, sin embargo, también se podría usar una apertura más pequeña antes de alcanzar el límite de difracción (para el tamaño de impresión elegido y los criterios de nitidez). Entonces, ¿qué opción tiene el potencial de producir la foto más detallada? Los sensores más grandes (y, en consecuencia, un mayor número de píxeles) sin duda producen más detalles si puede permitirse sacrificar la profundidad de campo. Por otro lado, si desea mantener la misma profundidad de campo, los tamaños de sensor más grandes no necesariamente tienen una ventaja de resolución . Además, la profundidad de campo limitada por difracción es la misma para todos los tamaños de sensor . En otras palabras, si se usara la apertura más pequeña antes de que la difracción fuera significativa, todos los tamaños de sensor producirían la misma profundidad de campo, aunque la apertura limitada por difracción sea diferente.

Notas técnicas :Este resultado asume que el tamaño de su píxel es comparable al tamaño del disco de aire limitado por difracción para cada sensor en cuestión, y que cada lente es de calidad comparable. Además, la función de inclinación de la lente es mucho más común en las cámaras de formato más grande, lo que permite cambiar el ángulo del plano focal y, por lo tanto, aumentar la aparente DoF.

Otro resultado importante es que si la profundidad de campo es el factor limitante, el tiempo de exposición requerido aumenta con el tamaño del sensor para la misma sensibilidad. Este factor es probablemente más relevante para la fotografía macro y de paisajes nocturnos. Tenga en cuenta que incluso si las fotos se pueden tomar con la mano en un formato más pequeño, es posible que esas mismas fotos no necesariamente se tomen con la mano en el formato más grande.

Por otro lado, es posible que los tiempos de exposición no aumenten necesariamente tanto como se podría suponer inicialmente, porque los sensores más grandes generalmente tienen menos ruido (y, por lo tanto, pueden permitirse usar una configuración ISO de mayor sensibilidad mientras mantienen un ruido percibido similar).

Idealmente, los niveles de ruido percibidos (en un tamaño de impresión dado) generalmente disminuyen con sensores de cámaras digitales más grandes (independientemente del tamaño de píxel) .

No importa cuál sea el tamaño del píxel, los sensores más grandes inevitablemente tienen más área de captación de luz. Teóricamente, un sensor más grande con píxeles más pequeños seguirá teniendo un ruido aparente más bajo (para un tamaño de impresión dado) que un sensor más pequeño con píxeles más grandes (y un número total de píxeles resultante mucho menor). Esto se debe a que el ruido en la cámara de mayor resolución se agranda menos, incluso si puede parecer más ruidoso al 100% en la pantalla de su computadora. Alternativamente, uno podría concebiblemente promediar píxeles adyacentes en el sensor de conteo de píxeles más alto (reduciendo así el ruido aleatorio) mientras se logra la resolución del sensor de conteo de píxeles más bajo. Esta es la razón por la cual las imágenes reducidas para la web y las letras pequeñas se ven tan libres de ruido.

Notas técnicas :todo esto supone que las diferencias en la eficacia de las microlentes y el espaciado entre píxeles son insignificantes. Si el espacio entre píxeles tiene que permanecer constante (debido a la lectura y otros circuitos en el chip), las densidades de píxeles más altas darán como resultado un área de recolección de luz menor, a menos que las microlentes puedan compensar esta pérdida. Además, esto ignora el impacto del patrón fijo o el ruido de corriente oscura, que puede variar significativamente según el modelo de cámara y el circuito de lectura.

En general:los sensores más grandes generalmente brindan más control y una mayor flexibilidad artística, pero a costa de requerir lentes más grandes y equipos más costosos . Esta flexibilidad permite crear una profundidad de campo menor que la posible con un sensor más pequeño (si se desea), pero aun así lograr una profundidad de campo comparable a la de un sensor más pequeño usando una velocidad ISO más alta y una apertura más pequeña (o cuando se usa un trípode). ).