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Articulo de referencia

Formato del sensor de imagen

Dimensiones comparativas de los tamaños de los sensores En fotografía digital, el formato del sensor de imagen se refiere a la forma y el tamaño del sensor de imagen . El format...

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Dimensiones comparativas de los tamaños de los sensores

En fotografía digital, el formato del sensor de imagen se refiere a 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 un objetivo específico cuando se utiliza con un sensor determinado. Dado 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 35 mm  de formato completo , un objetivo de una distancia focal determinada ofrece un campo de visión más estrecho en dichas cámaras. 

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

Los objetivos fabricados para  cámaras de película de 35 mm pueden ser compatibles con los cuerpos digitales, pero el mayor círculo de imagen de los  objetivos del sistema de 35 mm permite la entrada de luz no deseada al cuerpo de la cámara, y el menor tamaño del sensor de imagen en comparación con  el formato de película de 35 mm provoca un 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 distancia focal o multiplicador de lente.

Tamaño del sensor y profundidad de campo.

Se analizan 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 qué se mantenga constante en la comparación.

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

DOF2DOF1≈d1d2{\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}

Por lo tanto, los grados de libertad son inversamente proporcionales a los diámetros absolutos de la apertura.d1{\displaystyle d_{1}}yd2{\displaystyle d_{2}}.

Utilizar el mismo diámetro de apertura absoluto para ambos formatos con el criterio de "misma imagen" (igual ángulo de visión, ampliada al mismo tamaño final) produce la misma profundidad de campo. Es equivalente a ajustar el número f inversamente proporcional al factor de recorte : un número f menor para sensores más pequeños (esto también significa que, al mantener fija la velocidad de obturación, la exposición cambia por el ajuste del número f necesario 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 lumínica del sujeto. El sensor más pequeño opera entonces con un ajuste ISO más bajo , 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 sensores que reciben la misma exposición fotométrica (el número f es fijo en lugar del diámetro de la apertura). En ese caso, los sensores operan con la misma configuración ISO, pero el sensor más pequeño recibe menos luz total, en proporción a su área. La relación de profundidades de campo es entonces

DOF2DOF1≈l1l2{\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{1}}{l_{2}}}}

dóndel1{\displaystyle l_{1}}yl2{\displaystyle l_{2}}son las dimensiones características del formato y, por lo tanto,l1/l2{\displaystyle l_{1}/l_{2}}es el factor de recorte relativo entre los sensores. Este resultado da origen a la opinión generalizada de que los sensores pequeños proporcionan una mayor profundidad de campo que los grandes.

Una alternativa es considerar la profundidad de campo que proporciona el mismo objetivo junto con sensores de diferentes tamaños (cambiando el ángulo de visión). El cambio en la profundidad de campo se produce por 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

DOF2DOF1≈l2l1{\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 para un sensor grande, se adaptará, sin cambiar sus propiedades físicas, a tamaños de sensor más pequeños, ni la profundidad de campo ni la captación de luz.lincógnita=lmetrometro2{\displaystyle \mathrm {lx=\,{\frac {lm}{m^{2}}}} }cambiará.

Tamaño del sensor, ruido y rango dinámico

Si se descartan 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 el ruido de disparo , el ruido de lectura y el ruido oscuro . La relación señal/ruido general de un sensor (SNR), expresada como electrones de señal en relación con el ruido rms en electrones, observada a la escala de un solo píxel, suponiendo que el ruido de disparo proviene de una distribución de Poisson de electrones de señal y electrones oscuros, es

SnorteR=PAGQmit(PAGQmit)2+(Dt)2+norter2=PAGQmitPAGQmit+Dt+norter2{\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}}}}}

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

Cada uno de estos ruidos tiene una dependencia diferente del tamaño del sensor.

Exposición y flujo de fotones

El ruido del sensor de imagen se puede comparar entre diferentes formatos para un flujo de fotones fijo por área de píxel (la P en las fórmulas); este análisis es útil para un número fijo de píxeles con un área de píxel 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. También se puede comparar para una iluminancia fija en el plano focal, correspondiente a un número f fijo , en cuyo caso P es proporcional al área del píxel, independientemente del área del sensor. Las fórmulas anteriores y posteriores se pueden evaluar para ambos casos.

ruido de disparo

En la ecuación anterior, la relación señal/ruido del ruido de disparo viene dada por

PAGQmitPAGQmit=PAGQmit{\displaystyle {\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t}}}={\sqrt {PQ_{e}t}}}.

Aparte de la eficiencia cuántica, depende del flujo de fotones incidentes y del tiempo de exposición, que es equivalente 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 diferente tamaño 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 al factor de escala lineal del sensor). Si la exposición está limitada por la necesidad de lograr una cierta profundidad de campo requerida (con la misma velocidad de obturación), entonces las exposiciones serán inversamente proporcionales al área del sensor, produciendo el interesante resultado de que si la profundidad de campo es una limitación, el ruido de disparo de la imagen no depende del área del sensor. Para lentes con número f idéntico, la relación señal/ruido aumenta como la raíz cuadrada del área del píxel, o linealmente con el paso del píxel. Dado que los números f típicos para objetivos de teléfonos móviles y DSLR se encuentran en el mismo rango f /1.5 – 2, resulta interesante comparar el rendimiento de cámaras con sensores pequeños y grandes. Una buena cámara de teléfono móvil de 2018 con un tamaño de píxel típico de 1,1 μm (Samsung A8) tendría una relación señal/ruido (SNR) aproximadamente tres veces peor debido al ruido de disparo que una cámara de objetivos intercambiables con píxeles de 3,7 μm (Panasonic G85) y cinco veces peor que una cámara de fotograma completo de 6 μm (Sony A7 III). Si se tiene en cuenta el rango dinámico, la diferencia se hace aún más evidente. Por lo tanto, la tendencia a aumentar el número de megapíxeles en las cámaras de 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 imagen.

Ruido de lectura

El ruido de lectura es la suma de todos los ruidos electrónicos en la cadena de conversión de los píxeles en la matriz del sensor. Para compararlo con el ruido de fotones, debe referirse a su equivalente en fotoelectrones, lo que requiere dividir el ruido medido en voltios por la ganancia de conversión del píxel. Esta viene dada, para un sensor de píxeles activos , por la tensión en la entrada (puerta) del transistor de lectura dividida por la carga que genera esa tensión.doGRAMO=Vrt/Qrt{\displaystyle CG=V_{rt}/Q_{rt}}. Esto es el inverso de la capacitancia de la puerta del transistor de lectura (y la difusión flotante adjunta) ya que la capacitanciado=Q/V{\displaystyle C=Q/V}. [ 3 ] AsídoGRAMO=1/dort{\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 disminuye con el área del sensor, siempre que el área del píxel sea proporcional al área del sensor, y que dicha reducción se realice escalando el píxel de forma uniforme.

Considerando la relación señal/ruido debida al ruido de lectura a una exposición determinada, la señal se escalará proporcionalmente al área del sensor junto con el ruido de lectura; por lo tanto, la relación señal/ruido del ruido de lectura no se verá afectada por el área del sensor. En una situación con profundidad de campo limitada, la exposición del sensor más grande se reducirá proporcionalmente a su área, y por consiguiente, la relación señal/ruido del ruido de lectura también se reducirá.

Ruido oscuro

La corriente oscura contribuye con dos tipos de ruido: el desplazamiento oscuro, que solo está parcialmente correlacionado entre píxeles, y el ruido de disparo asociado con el desplazamiento oscuro, que no está correlacionado entre píxeles. Solo el componente de ruido de disparo Dt se incluye en la fórmula anterior, 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, con proporciones relativas y factores de escala que 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 del píxel 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 largos, puede ser un factor limitante. Incluso con tiempos de exposición cortos o medios, algunos valores atípicos en la distribución de la corriente oscura pueden aparecer como "píxeles calientes". Normalmente, en astrofotografía, los sensores se enfrían para reducir la corriente oscura en situaciones donde las exposiciones se miden en cientos de segundos.

Rango dinámico

El rango dinámico es la relación entre la señal registrable más grande y la más pequeña, siendo la más pequeña definida típicamente por el "nivel de ruido". En la literatura sobre sensores de imagen, el nivel de ruido se toma como el ruido de lectura, por lo queDR=Qmáximo/σleer{\displaystyle DR=Q_{\text{max}}/\sigma _{\text{readout}}}[ 6 ] (nota: el ruido de lectura)σrmiadotút{\displaystyle \sigma _{readout}}es la misma cantidad quenorter{\displaystyle N_{r}}al que se hace referencia en el cálculo de la relación señal/ruido [ 2 ] ).

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 las 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 a la MTF general del sistema. Otros factores suelen ser las MTF de la lente, el filtro anti-aliasing 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

ξdotútoFF=1λnorte{\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 la MTF viene dada por

METROTF(ξξdotútoFF)=2π{porque−1⁡(ξξdotútoFF)−(ξξdotútoFF)[1−(ξξdotútoFF)2]12}{\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\}}

paraξ<ξdotútoFF{\displaystyle \xi <\xi _{\mathrm {cutoff} }}y0{\displaystyle 0}paraξ≥ξdotútoFF{\displaystyle \xi \geq \xi _{\mathrm {cutoff} }}[ 8 ] Por lo tanto, el factor basado en la difracción de la MTF del sistema escalará de acuerdo conξdotútoFF{\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }}y a su vez según1/norte{\displaystyle 1/N}(para la misma longitud de onda de luz).

Al considerar el efecto del tamaño del sensor y su efecto en la imagen final, se debe tener en cuenta la diferente magnificación necesaria para obtener la misma imagen de tamaño para su visualización, lo que resulta en un factor de escala adicional de1/do{\displaystyle 1/{C}}dóndedo{\displaystyle {C}}es el factor de cultivo relativo, lo que hace que el factor de escala general1/(nortedo){\displaystyle 1/(NC)}. Teniendo en cuenta los tres casos anteriores:

Para las mismas condiciones de imagen, mismo ángulo de visión, distancia del sujeto y profundidad de campo, entonces los números f están en la proporción1/do{\displaystyle 1/C}, 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 a una profundidad de campo dada es independiente del tamaño del sensor.

Tanto en las condiciones de "misma exposición fotométrica" ​​como de "mismo objetivo", el número f no cambia, por lo que el límite espacial y la MTF resultante en el sensor permanecen inalterados, lo que hace que la MTF en la imagen visualizada se escale como la ampliación, o inversamente como el factor de recorte.

Formato del sensor y tamaño de la lente

Cabría esperar que se pudieran producir lentes adecuadas para una gama de tamaños de sensor simplemente escalando los mismos diseños en proporción al factor de recorte. [ 9 ] En teoría, tal ejercicio 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, el simple escalado de los diseños de lentes no siempre es factible, debido a factores como la no 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 se puede medir como el producto espacio-ancho de banda [ 10 ] ), la lente para un sensor más pequeño requiere un mayor poder de resolución. El desarrollo de la lente ' Tessar ' es analizado por Nasse, [ 11 ] y muestra su transformación de una lente f /6.3 para cámaras de placas que utiliza la configuración original de tres grupos a una óptica de cuatro elementos de 5.2 mm f /2.8 con ocho superficies extremadamente asféricas, económicamente fabricable debido a su pequeño tamaño. Su rendimiento es "mejor que el de los mejores objetivos de 35 mm, pero solo para imágenes muy pequeñas".  

En resumen, a medida que se reduce el tamaño del sensor, el diseño de los objetivos asociados cambia, a menudo de forma radical, para aprovechar las técnicas de fabricación disponibles gracias a esta reducción de tamaño. La funcionalidad de dichos objetivos también se beneficia de estas mejoras, permitiendo rangos de zoom extremos. Estos objetivos suelen ser muy grandes en relación con el tamaño del sensor, pero con un sensor pequeño pueden integrarse en un diseño compacto.

Un cuerpo pequeño implica una lente pequeña y un sensor pequeño, por lo que para mantener los smartphones delgados y ligeros, los fabricantes utilizan un sensor diminuto, generalmente menor que el de 1/2,3" que se usa en la mayoría de las cámaras bridge . En su momento, solo el Nokia 808 PureView usaba un sensor de 1/1,2", casi el doble del tamaño de un sensor de 1/2,3". Los sensores más grandes tienen la ventaja de una mejor calidad de imagen, pero gracias a las mejoras en la tecnología de sensores, los sensores más pequeños pueden lograr las mismas prestaciones que los sensores más grandes anteriores. Estas mejoras en la tecnología de sensores permiten a los fabricantes de smartphones usar sensores de imagen tan pequeños como 1/4" sin sacrificar demasiado la calidad de imagen en comparación con las cámaras compactas económicas. [ 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 es aquella en la que se forma la imagen en un modo determinado de la cámara. Esta área puede ser menor que el sensor de imagen y puede variar según el modo 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. También puede depender del número de píxeles en un modo determinado de la cámara. El tamaño del área activa y la distancia focal del objetivo determinan los ángulos de visión. [ 13 ]

Tamaño del sensor y efectos de sombreado

Los sensores de imagen semiconductores pueden sufrir efectos de sombreado en grandes aperturas 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 a un punto, o píxel, en la superficie del sensor. Catrysse y Wandell analizan estos efectos en detalle. [ 14 ] En el contexto de esta discusión, el resultado más importante de lo anterior es que, para asegurar una transferencia completa de energía luminosa entre dos sistemas ópticos acoplados, como la pupila de salida de la lente a un fotorreceptor de píxel, la extensión geométrica (también conocida como etendue o transmisión de luz) del sistema lente objetivo/píxel debe ser menor o igual que la extensión geométrica del sistema microlente/fotorreceptor. La extensión geométrica del sistema lente objetivo/píxel viene dada por GRAMOobjmidotivmi≃wpagiincógnitamil2(F/#)objmidotivmi,{\displaystyle G_{\mathrm {objective} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}\,,} donde w pixel es el ancho del píxel y ( f /#) objetivo es el número f de la lente objetivo. La extensión geométrica del sistema de microlentes/fotorreceptores viene dada por GRAMOpagiincógnitamil≃wpaghotormidomipagtor2(F/#)metroidorolminortes,{\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.

Para evitar el sombreado,GRAMOpagiincógnitamil≥GRAMOobjmidotivmi,{\textstyle G_{\mathrm {pixel} }\geq G_{\mathrm {objective} },}por lo tanto wpaghotormidomipagtor(F/#)metroidorolminortes≥wpagiincógnitamil(F/#)objmidotivmi.{\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 llenado lineal de la lente, entonces la condición se convierte en (F/#)metroidorolminortes≤(F/#)objmidotivmi×FF.{\displaystyle {(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }\leq {(f/\#)}_{\mathrm {objective} }\times {\mathit {ff}}\,.}

Por lo tanto, para evitar el sombreado, el número f de la microlente debe ser menor que el número f de la lente de captura por al menos un factor igual al factor de llenado 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, lo que determina su distancia focal. A su vez, esta viene determinada por la altura de las capas de metalización, también conocida como «altura de apilamiento». Para una altura de apilamiento dada, el número f de las microlentes aumentará a medida que se reduzca el tamaño del píxel, y por lo tanto, el número f de la lente objetivo en el que se produce el sombreado tenderá a aumentar. [ a ]

Para mantener el número de píxeles, los sensores más pequeños tienden 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 sobre el sensor. Para contrarrestar el efecto mencionado anteriormente, los píxeles de formato más pequeño incluyen características de diseño de ingeniería que permiten la reducción del número f de sus microlentes. Estas pueden incluir diseños de píxeles simplificados que requieren menos metalización, "guías de luz" integradas dentro del píxel para acercar su superficie aparente a la microlente y " iluminación por la parte posterior ", en la que la oblea se adelgaza para exponer la parte posterior de los fotodetectores y la capa de microlentes se coloca directamente sobre esa superficie, en lugar de la parte frontal con sus capas de cableado. [ b ]

Formatos comunes de sensores de imagen

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

Para cámaras de objetivos intercambiables

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

La mayoría de las cámaras réflex digitales, telescópicas y sin espejo de gama de consumo utilizan sensores relativamente grandes, ya sea algo menores que el tamaño de un fotograma de película APS -C, con un factor de recorte de 1,5 a 1,6; o un 30 % más pequeños, con un factor de recorte de 2,0 (este es el sistema Four Thirds , adoptado por OM System (anteriormente Olympus ) y Panasonic ).

A fecha de noviembre de 2013 Solo existía un modelo sin espejo 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 de 4,55). Véase la sección § Sensores más pequeños a continuación.

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

Entre los tamaños de sensores obsoletos y fuera de producción se incluyen:

  •  Sensor Leica M8 y M8.2 de 548 mm² (factor de recorte 1,33). Los sensores actuales de la serie M son, en la práctica, de fotograma completo (factor de recorte 1,0) .
  •  El formato APS-H de Canon , con un área de 548 mm² , está diseñado para cámaras réflex digitales profesionales de alta velocidad (factor de recorte 1,3). Los sensores actuales de las series 1D/5D son, en la práctica, de fotograma completo (factor de recorte 1,0).
  •  Formato APS-H de 548 mm² para la cámara sin espejo de gama alta SD Quattro H de Sigma (factor de recorte 1,35).
  •  Formato APS-C de 370 mm² con factor de recorte de 1,5 de Epson , Samsung NX y Konica Minolta .
  •  El formato Foveon X3 de 286 mm² se utiliza en las cámaras réflex digitales de la serie SD de Sigma y en las cámaras sin espejo de la serie DP (factor de recorte 1,7). Los modelos posteriores, como la SD1 , la DP2 Merrill y la mayoría de la serie Quattro, utilizan un sensor Foveon con factor de recorte 1,5; la cámara sin espejo Quattro H, aún más reciente, utiliza un sensor Foveon APS-H con un factor de recorte de 1,35.
  •  Formato Four Thirds System de 225 mm² de Olympus (factor de recorte 2.0)
  • 116  mm 2 área 1" Formato Nikon CX utilizado en la serie Nikon 1 [ 17 ] y la serie Samsung mini-NX (factor de recorte 2,7)
  • 43  mm² área 1 /1,7" Pentax Q7 (factor de recorte 4,55)
  • 30  mm, 2" de área, 1/2,3", original Pentax Q (factor de recorte 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 superar veinte veces el costo de un sensor APS-C. Solo se pueden producir veinte sensores de fotograma completo en una oblea de silicio de 8 pulgadas (20 cm) , que albergaría 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 de sensores de fotograma completo originalmente requería tres exposiciones separadas durante cada paso del proceso de fotolitografía , lo que requiere máscaras separadas y pasos de control de calidad. 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 ayudó 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 en constante cambio de la fabricación y el procesamiento de semiconductores , y dado que los fabricantes de cámaras suelen adquirir los sensores de fundiciones externas , 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  miden en realidad 36 × 23,9 mm, un poco más pequeños que un  fotograma de 36 × 24 mm de una película de 35  mm. Otro ejemplo es el sensor de la Pentax K200D (fabricado por Sony ), que 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 sensor de imagen se aproximan a la relación de aspecto 3:2 de la película de 35  mm. Sin embargo, el sistema Four Thirds constituye una notable excepción, con una relación de aspecto de 4:3, como la que se observa en la mayoría de las cámaras digitales compactas (véase más abajo).

Sensores más pequeños

La mayoría de los sensores están diseñados para teléfonos con cámara, cámaras digitales compactas y cámaras bridge. 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 de la época de las primeras cámaras digitales, lo que permitía visualizar las imágenes en monitores convencionales sin recortarlas.

A diciembre de 2010 La mayoría de las cámaras digitales compactas utilizaban sensores pequeños de 1/2,3". Entre ellas se incluyen la Canon PowerShot SX230 IS, la Fujifilm Finepix Z90 y la Nikon Coolpix S9100. Algunas cámaras digitales más antiguas (principalmente de 2005 a 2010) utilizaban sensores aún más pequeños de 1/2,5": entre ellas se incluyen la Panasonic Lumix DMC-FS62, la Canon PowerShot SX120 IS, la Sony Cyber-shot DSC-S700 y la Casio Exilim EX-Z80.

En 2018, las cámaras compactas de gama alta que utilizaban sensores de una pulgada, con una superficie casi cuatro veces mayor que la de las compactas comunes, incluían la serie Canon PowerShot G (de la G3 X a la G9 X), la serie Sony DSC-RX100, la Panasonic Lumix DC-TZ200 y la Panasonic DMC-LX15. Canon, por su parte, cuenta con un sensor APS-C en su modelo tope de gama, la PowerShot G1 X Mark III.

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

Por último, Sony cuenta con las cámaras DSC-RX1 y DSC-RX1R en su catálogo, que incorporan un sensor de fotograma completo que normalmente solo se utiliza en cámaras réflex digitales profesionales, cámaras SLT y cámaras sin espejo.

Debido a las limitaciones de tamaño de los potentes objetivos zoom, la mayoría de las cámaras bridge actuales cuentan con sensores de 1/2,3", tan pequeños como los que se utilizan en las cámaras compactas más comunes. Dado que el tamaño de los objetivos es proporcional al tamaño del sensor de imagen, los sensores más pequeños permiten un gran aumento de zoom con objetivos de tamaño moderado. En 2011, la Fujifilm X-S1 de gama alta estaba equipada con un sensor mucho más grande de 2/3". Entre 2013 y 2014, tanto Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ) como Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) fabricaron cámaras bridge con sensores de 1".

Desde la década de 2020, los sensores de muchos teléfonos con cámara han superado el tamaño de las cámaras compactas típicas. El iPhone 13 lanzado en 2021 tiene un tamaño de sensor de cámara principal de 1/1.9". [ 19 ] El sensor de 1/1.83" del Nokia N8 (2010) era el más grande en un teléfono a finales de 2011. El Nokia 808 (2012) supera a las cámaras compactas con su sensor de 41 millones de píxeles y 1/1.2". [ 20 ] Los tamaños de sensor de 1/2.3" y más pequeños son comunes en webcams , videocámaras digitales y la mayoría de los demás dispositivos pequeños.

Sensores digitales de formato medio

Los sensores digitales más grandes de las cámaras disponibles comercialmente se denominan de " formato medio ", en referencia a formatos de película de dimensiones similares. Si bien la película de formato medio más común, el rollo de 120 , tiene 6 cm (2,4 pulgadas) de ancho y se suele utilizar en formato cuadrado, los tamaños más comunes de los sensores digitales de "formato medio" son aproximadamente de 48 mm × 36 mm (1,9 pulgadas × 1,4 pulgadas) , lo que equivale aproximadamente al doble del tamaño de un sensor DSLR de fotograma completo .        

Los sensores CCD disponibles incluyen el respaldo digital P65+ de Phase One con el sensor Dalsa de 53,9 mm × 40,4 mm (2,12 pulg. × 1,59 pulg.) que contiene 60,5 megapíxeles [ 21 ] y la DSLR "S-System" de Leica con un sensor de 45 mm × 30 mm (1,8 pulg. × 1,2 pulg.) que contiene 37 megapíxeles. [ 22 ] En 2010, Pentax lanzó la DSLR de formato medio 645D de 40 MP con un sensor CCD de 44 mm × 33 mm (1,7 pulg. × 1,3 pulg.) ; [ 23 ] 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 pulg . × 1,3 pulg.) . [ 24 ] A finales de 2016, Fujifilm también anunció su nueva Fujifilm GFX 50S , una cámara sin espejo de formato medio, con un sensor CMOS de 43,8 mm × 32,9 mm (1,72 pulg. × 1,30 pulg.) y 51,4 MP. [ 25 ] [ 26 ]                              

Tabla de formatos y tamaños de sensores

Sensores CMOS Omnivision de diferentes tamaños : 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 de cámara de vídeo circulares comunes de 1 pulgada de diámetro exterior tienen un área fotosensible rectangular de aproximadamente16  mm en diagonal, por lo que un sensor digital con unaUn tamaño diagonal de 16  mm equivale a un tubo de vídeo de 1". El nombre de un sensor digital de 1" debería interpretarse con mayor precisión como un sensor equivalente a un tubo de cámara de vídeo de una pulgada. Las descripciones actuales del tamaño de los sensores de imagen digital se basan en el tamaño equivalente al tubo de la cámara de vídeo, no en el tamaño real del sensor. Por ejemplo, un sensor de 1" tiene una medida diagonal de16  mm . [ 27 ] [ 28 ]

El aumento del tamaño de los sensores de imagen utilizados en los teléfonos inteligentes se refleja en la gráfica.
El desarrollo de sensores de imagen de diferentes formatos en las cámaras principales de los teléfonos inteligentes.

Los tamaños suelen expresarse como una fracción de pulgada, con un 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 en 0,4 como número decimal. Este sistema de "pulgadas" da como resultado un valor aproximado de 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 videocámaras utilizadas hasta finales de la década de 1980, haciendo referencia al diámetro exterior de la envoltura de vidrio del tubo de la videocámara . David Pogue, del New York Times, afirma que "el tamaño real del sensor es mucho menor que el que publican las compañías de cámaras, aproximadamente un tercio menor". 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 es más cercana a 0,26 pulgadas (6,6 mm) . [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] En lugar de "formatos", estos tamaños de sensor a menudo se denominan tipos , como en "CCD de tipo 1/2 pulgada".    

Debido a que los formatos de sensor basados ​​en pulgadas no están estandarizados, sus dimensiones exactas pueden variar, pero las que se muestran son típicas. [ 30 ] Las áreas de sensor que se muestran abarcan más de un factor de 1000 y son proporcionales a la máxima posible captación 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 a la resolución debido a otras limitaciones. Véanse las comparaciones. [ 32 ] [ 33 ] También se incluyen tamaños de formato de película, para comparación. Los ejemplos de aplicación de teléfono o cámara pueden no mostrar los tamaños exactos del sensor.

  1. ↑ Definido aquí como el número equivalente de paradas perdidas (o ganadas, si es positivo) debido al área del sensor en relación con un área completaMarco de 35  mm (36  mm × 24  mm ). Calculado comoStopags=registro2⁡(ArmiasminortesorArmia35 metrometro).{\textstyle \mathrm {Stops} =\log _{2}\left({\frac {\mathrm {Area_{sensor}} }{\mathrm {Area_{35\ mm}} }}\right)\,.}
  2. ↑ Definido aquí como la razón de la diagonal de un arco completoMarco de 35  mm al del formato del sensor, es decirdoF=diagramo35 metrometrodiagramosminortesor.{\textstyle \mathrm {CF} ={\frac {\mathrm {diag_{35\ mm}} }{\mathrm {diag_{sensor}} }}\,.}

Véase también

Notas

  1. ↑ Este efecto se ha observado en la práctica, como se registra en el artículo de DxOmark 'F-stop blues' [ 15 ].
  2. ↑ Aptina analizacon cierto detalle la efectividad relativa de estas estratagemas. [ 16 ]

Notas a pie de página y referencias

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  • Simon Tindemans: Parámetros fotográficos alternativos: un enfoque independiente del formato en 21stcenturyshoebox
  • Modos ISO altos de las cámaras compactas: Separando los hechos de la publicidad en dpreview.com, mayo de 2007
  • La mejor opción para una cámara compacta es un sensor con 6 millones de píxeles o, mejor aún, un sensor con un tamaño de píxel superior a 3 μm (6mpixel.org).
  • en hasselblad.com
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