¿Por qué alguna vez fabricaron sensores más pequeños que los de fotograma completo?

Ocasionalmente encontrará artículos sobre lo impresionantes que son las cámaras de fotograma completo. Mucho de eso es probablemente un exceso de entusiasmo por una nueva pieza de equipo o un simple marketing, pero me parece que al menos estas cosas son ciertas:

• El sensor con un área grande captura más luz
• El sensor con píxeles individuales grandes tendría menos ruido
• El sensor más grande puede adaptarse a muchos más píxeles

Las cámaras de fotograma completo son mucho más caras. Esto es extraño para mí, ya que tuve la impresión de que hacer que la electrónica sea más pequeña siempre es más difícil, ya que necesitas un equipo más preciso.

Eso debe haber sido aún más importante en los albores de las cámaras digitales de lente única, hace muchos años.

Entonces, ¿ por qué se tomó la decisión de hacer sensores más pequeños que la película utilizada originalmente en las cámaras? AFAIK algunas lentes hechas para cámaras de película todavía funcionan con algunas réflex digitales, entonces, ¿por qué diferenciar el sensor de la película?

Tenga en cuenta que me interesa más el historial de la decisión inicial (dado que el tamaño del fotograma de la película era el statu quo y los DLSR eran caros de todos modos), que la diferencia de precio.

Es muy difícil fabricar dispositivos semiconductores grandes sin defectos o con un número muy pequeño de defectos. Los más pequeños son mucho menos exigentes de hacer.

En particular, el rendimiento (la proporción de los que se pueden usar) para los semiconductores disminuye a medida que intenta aumentarlos. Si el rendimiento es bajo, entonces tiene que hacer muchos dispositivos para cada uno bueno, y esto significa que el costo por dispositivo se vuelve muy alto: posiblemente más alto de lo que soportará el mercado. Los sensores más pequeños, con los rendimientos más altos resultantes, son entonces fuertemente preferidos.

Aquí hay una forma de entender la curva de rendimiento. Digamos que la posibilidad de un defecto por unidad de área en un proceso es c , y que dicho defecto matará a cualquier dispositivo que esté hecho de ese bit de semiconductor. Existen otros modelos para defectos en dispositivos, pero este es bastante bueno.

Si queremos hacer un dispositivo que tiene un área A continuación, la posibilidad de que no tenga un defecto es (1 - c ) ^Una . Entonces, si A es 1, entonces la probabilidad es (1 - c ) y se hace más pequeña (ya que (1 - c ) es menos de uno) a medida que A se hace más grande.

La posibilidad de que un dispositivo del área A no tenga un defecto es el rendimiento: es la proporción de buenos dispositivos del área A que obtenemos. (De hecho, el rendimiento puede ser menor, porque puede haber otras cosas que pueden salir mal).

Si conocemos el rendimiento y _A para decives de alguna área A , entonces podemos calcular c : c = 1 - y _A ^{1 / A} (esto se obtiene tomando registros de ambos lados y reorganizando). Equivalentemente podemos calcular el rendimiento de cualquier otra área una como y = y _A ^{a / A} .

Ahora, digamos que cuando fabricamos sensores de 24x36 mm (fotograma completo) obtenemos un rendimiento del 10%: el 90% de los dispositivos que fabricamos no son buenos. Los fabricantes son tímidos al decir cuáles son sus rendimientos, pero esto no es inverosímilmente bajo. Esto es equivalente a decir que c , la posibilidad de un defecto por mm ² es aproximadamente 0.0027.

Y ahora podemos calcular los rendimientos para otras áreas: de hecho, podemos graficar la curva de rendimiento contra el área:

En este gráfico, he marcado los rendimientos esperados para sensores de varios tamaños de fotograma inferior al completo si el rendimiento de fotograma completo es del 10% (estos pueden ser aproximados, ya que APS-C puede significar varias cosas, por ejemplo). Como puede ver, los sensores más pequeños obtienen rendimientos mucho más altos.

Con el tiempo, a medida que mejoran los procesos de fabricación, esta curva de rendimiento se aplana, y los rendimientos para sensores grandes mejoran. A medida que esto sucede, los sensores más grandes bajan de precio hasta el punto en que el mercado asumirá su costo.

Las primeras aplicaciones principales para sensores de imagen electrónicos (ya sea Image-Orthicons, Vidicons, Plumbicons o CCDs, o sensores de píxeles activos CMOS, ya sean flujos de trabajo analógico-electrónicos o digitales) fueron en video, no en imágenes fijas.

El video siguió factores de forma similares a la película de cine. En las películas de cine, 35 mm (equivalente a fotograma completo) o incluso 70 mm eran formatos exóticamente grandes que solo se usaban para la producción real (cinematográfica) de películas debido a costos significativos.

Además, las demandas de resolución para la mayoría de las aplicaciones de video solían ser mucho más pequeñas: si los televisores domésticos pre-HD (resolución máxima de 625 líneas de quizás 1000 píxeles cada uno) fueran el objetivo principal, las capacidades de alta resolución no serían necesarias.

Además, en el mundo de las imágenes en movimiento que no son de cine, las demandas de las lentes parecen ser diferentes: muchas más expectativas sobre la velocidad de la lente y el rango del zoom, y mucho menos sobre la calidad de la imagen. Esto se puede hacer mucho más rentable con diseños de lentes que solo tienen que dar servicio a un pequeño círculo de imágenes.

Las cámaras fotográficas digitales existieron varios años antes de que las cámaras de lentes intercambiables se volvieran plausibles, y primero utilizaron pequeños sensores que probablemente fueron diseñados o basados ​​en diseños para video.

Los sensores de tamaño APS-C eran ENORMES en comparación con un sensor de cámara digital normal cuando se introdujeron las primeras réflex digitales; Las pocas DSLR de fotograma completo iniciales (piense en Kodak DCS) y sus sensores eran extremadamente caros, probablemente porque había muy poca experiencia en diseño para hacer sensores económicos de ese tamaño.

Los sensores de imagen son muy gruesos en su estructura real en comparación con lo que usaban las CPU o los chips de memoria incluso en la década de 1990; por ejemplo, una CPU común para las computadoras de escritorio de finales de la década de 1990 usaba un tamaño de función de 250 nm, que es bastante más pequeño de lo que incluso sería físicamente útil en un sensor de imágenes de luz visible. Hoy, 14nm (!!) se trata del estado del arte.

La necesidad de evitar grandes tamaños de troquel por pieza, independientemente de los tamaños de la estructura, como ya se explicó en otras publicaciones, no ha cambiado mucho.

Los sensores grandes cuestan más que los sensores pequeños por más o menos la misma razón por la que los televisores grandes cuestan más que los televisores pequeños. Compare un televisor de 30 pulgadas y un televisor de 60 pulgadas (aproximadamente 75 cm y 150 cm, si lo prefiere). La miniaturización no es un problema: podríamos hacer que todas las partes del televisor de 30 pulgadas sean más pequeñas sin tener ninguna dificultad. El televisor de 30 pulgadas cuesta menos que el televisor de 60 pulgadas porque usa menos materiales y requiere menos trabajo para terminar. Y el televisor de 60 pulgadas tendrá una tasa de defectos más alta: 4 veces el área significa muchas más posibilidades de que algo salga mal en alguna parteen la pantalla, creando un píxel muerto. Debido a que los clientes odian los píxeles muertos, un panel que tiene más de uno o dos (o tal vez incluso más de cero) se descarta o se vende como parte de un producto de menor costo. Los costos de producción de las unidades defectuosas se incluyen en el precio de las unidades aceptables que se venden, por lo que cuanto más grande sea, más caras serán las cosas.

Las mismas consideraciones se aplican a los sensores de imagen. Incluso los sensores más pequeños en las cámaras de prosumidor tienen características que son enormes en comparación con lo que la tecnología de semiconductores es capaz, por lo que el costo de la miniaturización no es un factor importante. Las cámaras compactas y los teléfonos celulares normalmente usan sensores mucho más pequeños, ¡e incluso los teléfonos económicos normalmente tienen dos cámaras, y las más elegantes tienen tres o cuatro! Para tamaños razonables, menores cuestan menos, no más. El problema del defecto también entra en juego. Cuanto más grande sea el sensor, más probable será que tenga un defecto que requiera que deseche todo, y más dinero (en materiales) perderá cuando lo deseche. Eso impulsa el costo con el tamaño, dramáticamente más allá de cierto punto.

La cámara digital de formato más grande que puede obtener a partir de este escrito tiene un enorme sensor de 9 "x11" (que es más de 8 veces la diagonal de un sensor de "fotograma completo", o más de 64 veces el área), y solo tiene 12 megapíxeles, por lo que obviamente la miniaturización no es un problema, esos píxeles son enormes . Se vende por más de $ 100,000.

Porque preguntaste específicamente sobre la historia ...

Sugeriría: tamaño, peso y costo.

Todas esas consideraciones eran igualmente ciertas en los días pre-digitales (es decir, películas). Un formato de película popular era el tamaño 110. Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

La película 110 era más barata, las cámaras eran más baratas y muchas de las cámaras eran mucho más pequeñas y ligeras que los compactos de película de 35 mm más pequeños. Podrían caber muy fácilmente en un bolsillo pequeño. Por supuesto, esas mismas restricciones existen hoy en día con las cámaras digitales, como han señalado otros. Por lo tanto, hoy no se trata solo de sensores de imagen pequeños y grandes; También era formatos de película pequeños y grandes en ese entonces también.

Mucho antes de lo digital, la gente buscaba producir formatos de película más pequeños para abordar la fabricación, la usabilidad y otros problemas de costo-beneficio, que se describen en otras respuestas.

Lo que ahora se conoce como "fotograma completo" alguna vez se conoció como "miniatura". Si no fuera por los formatos en miniatura y subminiatura, tendríamos que llevar cámaras como esta:

Además de lo que ya se ha mencionado, hay una razón particularmente buena para hacer sensores más pequeños para DSLR; Facilita el diseño de lentes más baratos y livianos para el mercado de consumo en rápido crecimiento. Pero aún de alta calidad.

Cuando hace que el sensor sea más pequeño, también puede hacer que el espejo sea más pequeño, y luego puede disminuir la distancia desde el elemento posterior de la lente hasta el sensor (lo que se conoce como distancia de brida).

Disminuir la distancia de la brida facilita el diseño de lentes; Las lentes gran angular en particular se benefician de la distancia de brida más pequeña. Un objetivo zoom gran angular f / 2.8 para una cámara de fotograma completo puede ser bastante costoso.

Hoy en día, como los sin espejo se están volviendo más populares, se elimina el problema de la distancia de brida.

Sin embargo, el sensor más pequeño todavía significa que la lente solo tiene que proyectar la imagen en un área más pequeña, lo que requiere un diámetro más pequeño de la lente, lo que contribuye a menores costos en las lentes también.

Por cierto, que yo sepa (que podría estar equivocado), el sensor ni siquiera está cerca de ser el componente más costoso de una DSLR. Los medidores de luz (hay muchos) son mucho más caros.

Pensé que había leído esto de una fuente respetable, pero tratar de buscar una fuente para confirmar este hecho terminó sin nada; así que probablemente me equivoque aquí.

Los sensores más pequeños tienen mayores rendimientos de producción, y la electrónica para procesar tiene un costo menor.

Duplique el sensor y cuadre aproximadamente la potencia de procesamiento necesaria.

La realidad es que los sensores DX a menudo tienen una resolución más alta y un mayor rango dinámico que las películas que están reemplazando.

Respuesta separada, ya que no está relacionada con la otra:

Si bien los sensores de fotograma completo ofrecen muchos beneficios para los fotógrafos entusiastas, artísticos y profesionales, también presentan inconvenientes que en muchos casos son realmente no deseados por el usuario casual, y en algunos casos incluso por el artista o reportero profesional para ciertas tareas:

• La profundidad máxima de campo alcanzable es en realidad más limitada. Se necesitan aperturas extremadamente lentas para una profundidad de campo extrema, lo que lleva a problemas como un mal manejo con poca luz y visibilidad de la suciedad del sensor.

• Las lentes serán más voluminosas, pesadas y caras.

• ... especialmente cuando se trata de largas distancias focales para tener un largo alcance.

• La estabilización de la imagen será más difícil debido a la necesidad de movimientos más grandes para compensar las sacudidas.

• Algunos grupos objetivo preferirán imágenes que tengan una gran profundidad de campo, todo enfocado, un estilo de tonalidad dura al que están acostumbrados desde las cámaras de dispositivos móviles.

Bueno, déjame ponerlo de esta manera. Aquí hay una fotografía con una cámara con sensor pequeño (1 / 2.3 "), factor de recorte 5.6 y un sensor de clase APS-C (factor de recorte 1.66, ligeramente más pequeño que APS-C) en su posición de zoom máxima (que alcanza la cámara grande solo mediante el uso de un teleconvertidor de 1.7 ×) .La cámara pequeña tiene 3 veces la distancia focal efectiva (600 mm) de la cámara grande (200 mm).

Aquí están las mismas cámaras listas para empacar:

Si trata de pájaros y tomas en primer plano de objetos pequeños, el rango de zoom más largo de la cámara del sensor pequeño superará el rango comparativamente corto del sensor grande. Ahora los sensores de hoy tienen resoluciones más grandes que los 10MP de la cámara anterior, pero incluso un sensor de 40MP solo le compra un factor de 2 de distancia focal cuando recorta la misma cantidad de píxeles.

La calidad de imagen del sensor más grande es bastante mejor, pero eso no le compra mucho cuando el tamaño de la imagen es el de un sello.