Pourquoi les grands capteurs sont-ils meilleurs en cas de faible luminosité?

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La meilleure réponse de Quel point et quelles pousses sont bons dans des conditions de faible luminosité? dit que (1) un objectif rapide / grande ouverture (2) une manipulation ISO 400+ raisonnable et (3) un grand capteur lorsqu'ils sont assemblés sont essentiels pour la prise de vue en basse lumière.

Le premier que je comprends (il laisse entrer plus de lumière), le second que je comprends (le "film" est plus sensible à la lumière). Désolé, je ne comprends pas le troisième facteur.

William C
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Réponses:

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Il est plus facile de comprendre la différence lorsque le capteur le plus grand et le plus petit ont les mêmes mégapixels. Si nous avons quelques caméras hypothétiques, une avec un capteur APS-C plus petit et une avec un capteur plein format, et supposons que les deux ont 8 mégapixels, la différence se résume à la densité de pixels .

Un capteur APS-C mesure environ 24x15 mm, tandis qu'un capteur plein format (FF) mesure 36x24 mm. En termes de surface, le capteur APS-C mesure environ 360 mm ^ 2 et le FF est de 864 mm ^ 2 . Maintenant, le calcul de la zone réelle d'un capteur qui est des pixels fonctionnels peut être assez complexe d'un point de vue réel, nous supposerons donc pour l'instant des capteurs idéaux , où la surface totale du capteur est dédiée aux pixels fonctionnels, supposons que ces pixels sont utilisés aussi efficacement que possible et supposent que tous les autres facteurs affectant la lumière (tels que la distance focale, l'ouverture, etc.) sont équivalents. Compte tenu de cela, et étant donné que nos caméras hypothétiques sont à la fois 8mp, alors il est clair que la taille de chaque pixelpour le capteur APS-C est plus petite que la taille de chaque pixel pour le capteur FF. En termes exacts:

APS-C:
360 mm ^ 2/8 000 000 pixels = 0,000045 mm ^ 2 / px
-> 0,000045 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 45 µm ^ 2 (microns carrés)
-> sqrt (45 µm ^ 2) = 6,7 µm

FF:
864 mm ^ 2/8 000 000px = 0,000108 mm ^ 2 / px
-> 0,000108 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 108µm ^ 2 (microns)
-> sqrt (108µm ^ 2) = 10,4µm

En termes plus simples et normalisés de «taille de pixel», ou de la largeur ou de la hauteur de chaque pixel (souvent cité sur les sites Web de matériel photo), nous avons:

Taille de pixel APS-C = 6,7 µm pixel
Taille de pixel FF = 10,4 µm pixel

En termes de taille de pixel, un appareil photo FF 8mp a des pixels 1,55x plus grands qu'un appareil photo APS-C 8mp. Cependant, une différence unidimensionnelle de la taille des pixels ne raconte pas toute l'histoire. Les pixels ont une zone bidimensionnelle sur laquelle ils rassemblent la lumière, donc prendre la différence entre la zone de chaque pixel FF par rapport à chaque pixel APS-C raconte toute l'histoire:

108µm ^ 2 / 45µm ^ 2 = 2,4

Un appareil photo FF (idéalisé) a 2,4x , soit environ 1 arrêt , la puissance de collecte de lumière d'un appareil photo APS-C (idéalisé)! C'est pourquoi un capteur plus grand est plus avantageux lors de la prise de vue en basse lumière ... ils ont simplement une plus grande puissance de collecte de lumière sur une période donnée.

En termes alternatifs, un pixel plus grand est capable de capturer plus de coups de photons qu'un pixel plus petit dans un laps de temps donné (mon sens de «sensibilité»).


Or, l'exemple et les calculs supposent avant tout des capteurs "idéalisés", ou des capteurs parfaitement efficaces. Les capteurs du monde réel ne sont pas idéalisés, et ils ne sont pas aussi faciles à comparer à la manière des pommes. Les capteurs du monde réel n'utilisent pas chaque pixel gravé dans leur surface avec une efficacité maximale, les capteurs plus chers ont tendance à avoir une «technologie» plus avancée intégrée, comme les microlentilles qui aident à recueillir encore plus de lumière, des espaces non fonctionnels plus petits entre chaque pixel, fabrication de câblage rétroéclairé qui déplace la colonne / la ligne, active et lit le câblage sous les éléments photosensibles (tandis que les conceptions normales laissent ce câblage au-dessus (et interfèrent avec) les éléments photosensibles), etc. De plus, les capteurs plein format sont souvent ont un nombre de mégapixels plus élevé que les capteurs plus petits, ce qui complique encore plus les choses.

Un exemple réel de deux capteurs réels pourrait être de comparer le capteur Canon 7D APS-C avec le capteur Canon 5D Mark II FF. Le capteur 7D mesure 18mp, tandis que le capteur 5D mesure 21,1mp. La plupart des capteurs sont classés en mégapixels approximatifs et ont généralement un peu plus que leur nombre commercialisé, car de nombreux pixels de bordure sont utilisés à des fins d'étalonnage, obstrués par la mécanique du filtre du capteur, etc. Nous supposerons donc que 18mp et 21,1mp sont réels - nombre de pixels dans le monde. La différence de puissance de collecte de lumière de ces deux capteurs actuels et modernes est la suivante:

7D APS-C: 360 mm ^ 2/18 000 000 pixels * 1 000 000 = 20 µm ^ 2 / px
5DMII FF: 864 mm ^ 2/21 100 000 pixels * 1 000 000 = 40,947 ~ = 41 µm ^ 2 / px

41µm ^ 2 / 20µm ^ 2 = 2,05 ~ = 2

L'appareil photo plein format Canon 5D MkII a environ 2x la puissance de collecte de lumière de l'appareil photo 7D APS-C. Cela se traduirait par environ un arrêt de sensibilité native supplémentaire. (En réalité, le 5DII et le 7D ont tous deux une ISO native maximale de 6400, mais le 7D est un peu plus bruyant que le 5DII à la fois à 3200 et 6400, et ne semble vraiment se normaliser qu'à environ 800 ISO. Voir: http: / /the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) En revanche, un capteur FF de 18 mpx aurait environ 1,17x la puissance de collecte de lumière du capteur FF de 21,1 mégapixels de le 5D MkII, car moins de pixels sont répartis sur la même zone (et plus grande que l'APS-C).

jrista
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@jrista: Est-ce que les caméras 2 mégapixels de 1999 (capteurs 2,5 "?) ont de grands pixels?
William C
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@William: En ce qui concerne le Canon Pro70, n'oubliez pas qu'il y a eu de nombreuses autres avancées dans la conception des capteurs depuis 1998. Même si la taille des pixels est plus grande sur ces appareils photo, technologiquement, ils étaient extrêmement primitifs par rapport aux capteurs d'aujourd'hui. D'une part, la taille des pixels est probablement plus petite (4 nm?) ... les pixels avaient de grands espaces et aucune microlentille à l'époque. La lecture du CCD était beaucoup plus bruyante, sujette à des stries de lecture, au débordement de charge dans les cellules voisines, etc. La sensibilité du Pro70 était également beaucoup plus faible, ISO 100-200 en mode "haute résolution" et ISO 400 en mode "basse résolution".
jrista
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Je dois souligner que les unités sur ces tailles de pixels doivent être µm (micromètres ou microns), et non nm (nanomètres). un pixel de 10 nm serait minuscule - les transistors des processeurs informatiques sont généralement de l'ordre de 45 nm de large. J'ai édité la réponse de jrista pour en tenir compte.
Evan Krall du
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Et, en fait, la lumière visible est de 380 nm à 740 nm, donc un pixel de 10 nm serait littéralement plus petit qu'une seule longueur d'onde de lumière.
Evan Krall, le
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Il convient de préciser que la capacité de collecte de lumière supplémentaire des grands capteurs suppose le même f-stop. Cela n'est pas toujours possible dans la pratique, car le maintien du même angle de vue signifie l'utilisation d'un objectif avec une distance focale plus longue, qui ont tendance à avoir des ouvertures maximales plus petites, par exemple lorsque vous utilisez un 200 f / 2.0 sur un corps APS-C, vous aurez obtenir une quantité de lumière similaire à celle d'un 300 f / 2,8 en plein écran, car il n'y a pas de 300 f / 2,0 [actuellement en production].
Matt Grum,
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À strictement parler, ce n'est PAS la taille du capteur qui le rend meilleur, c'est la taille des pixels.

Les pixels plus grands ont plus de surfaces pour capturer la lumière et accumuler une tension plus élevée provenant de la libération d'électrons lorsque des photons (lumière) frappent la surface. Le bruit inhérent étant principalement aléatoire est donc relativement inférieur par rapport à la tension plus élevée qui augmente le rapport signal / bruit (S / N).

Les données implicites qui vous manquaient sont que les capteurs plus grands ont tendance à avoir des pixels plus grands. Il suffit de comparer un D3S 12 MP plein format avec un D300S 12 MP recadré. Chaque pixel a 2,25 fois plus de surface, c'est pourquoi le D3S a une performance stellaire à haute ISO.

EDIT (2015-11-24):

Pour les non-croyants anonymes qui votent vers le bas, il y a un exemple plus récent et meilleur. Sony a deux appareils photo plein format presque identiques, l'A7S II et l'A7R II. Leurs capteurs sont de la même taille mais le premier a une résolution de 12 MP, tandis que le dernier 42 MP. Les performances en faible luminosité et la plage ISO de l'A7S II sont très en avance sur l'A7R II, atteignant 409 600 ISO contre 102 400. Cela représente une différence de deux arrêts uniquement pour les pixels plus grands.

Itai
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Lorsque vous normalisez la taille ou la résolution d'impression, c'est la taille du capteur et non la taille des pixels qui fait la différence. Si vous prenez un capteur APS-C 24MP et un capteur APS-C 6MP, le 24MP aura plus de bruit par pixel, mais si vous réduisez l'image à 6MP, le bruit s'établit en moyenne et vous avez (en théorie) la même quantité de bruit comme les images de la caméra 6MP. D'un autre côté, si vous imprimez les images à la même taille, le bruit sur l'impression 24MP sera beaucoup plus fin et moins visible à la même distance de visualisation que l'impression 6MP.
Matt Grum
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@Matt - Malheureusement, la plupart des gens sont tellement excités par le nombre de pixels qu'ils obtiennent ces jours-ci qu'ils oublient de comparer les impressions qu'ils réaliseraient réellement!
Itai
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@Itai - C'est parce que beaucoup de gens ne les imprimeront pas. Ils publient en ligne, les utilisent comme arrière-plans informatiques ou les affichent dans un cadre numérique. L'impression photo semble devenir de moins en moins courante, malheureusement.
John Cavan,
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@John Même si vous n'imprimez pas, le redimensionnement d'une grande image haute résolution pour le Web fait la moyenne du bruit au même degré!
Matt Grum,
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Il est important de faire la distinction entre le bruit par pixel et le bruit par image. Le bruit par pixel dépend fortement de la taille des pixels, le bruit par image dépend le plus de la taille du capteur (la taille des pixels a une très petite influence). Cependant, puisque la plupart des gens visualisent et impriment des images, et non des pixels, le bruit par image est une mesure beaucoup plus pertinente, c'est donc vraiment la taille du capteur qui compte le plus.
Matt Grum
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La taille du pixel unique est presque hors de propos. Telle est la légende urbaine!

Étant donné deux caméras identiques avec un capteur de la même taille mais un nombre de pixels différent (disons 2MP et 8MP) - et donc une taille de pixel différente. La quantité de lumière qui pénètre dans le capteur dépend du diamètre de l'objectif et non de la taille des pixels. Nul doute que l'image 8MP sera plus bruyante que l'image 2MP, mais si vous réduisez le 8MP à 2MP, vous obtiendrez presque la même image - avec presque le même niveau de bruit. Ce sont des mathématiques simples. Je dis presque parce que la logique du capteur coûte de la taille. Comme vous aurez 4 fois plus de logique sur un capteur 8MP que sur un capteur 2MP, vous obtiendrez une zone de capteur photosensible moins nette. Mais cela ne vous coûtera pas 1 arrêt (= 50%), peut-être un peu, mais pas tant que ça!

Ce qui fait la différence, ce sont les lentilles. Si vous avez pris une photo, vous ne serez pas intéressé par les mesures - ni la taille du capteur, ni la taille des pixels ni la distance focale. Vous voulez attraper un visage, un groupe de personnes, un bâtiment ou autre chose à une distance donnée. Ce qui vous intéresse, c'est l' angle de vue . Votre distance focale dépendra de la taille du capteur et de l'angle de vue. Si vous avez un minuscule capteur, vous aurez également une minuscule distance focale (disons quelques mm). Un objectif avec une distance focale minuscule n'attrapera jamais beaucoup de lumière, car son diamètre sera limité. Un capteur plus grand aura besoin d' une plus grande distance focale, un objectif avec la même vitesse aura un plus grand diamètre et attrapera donc beaucoup plus de lumière.

Qui a besoin de 10MP ou plus, sauf pour imprimer des affiches? Réduit à quelques MP, toutes les images semblent correctes. La taille du capteur ne limite pas directement la qualité de votre image, mais votre objectif le fera. Bien que la taille de l'objectif dépend souvent de la taille du capteur (ne doit pas). Mais j'ai vu des appareils photo avec de petits capteurs et beaucoup de MP mais de grands objectifs (disons supérieurs à 2 cm de diamètre) qui prennent de superbes photos.

J'ai écrit un article là- dessus il y a quelque temps. C'est en allemand, je n'ai pas eu le temps de le traduire en anglais - désolé pour ça. Il est plus bavard et explique certains problèmes (en particulier le problème du bruit) un peu plus en détail.

craesh
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Pour être complet - la comparaison doit être faite entre des capteurs du même âge et de la même technologie. De plus, pour contrer la "zone morte" du problème de logique des pixels, les réseaux de microlentilles ont été introduits. Enfin - je ne vois pas comment le diamètre de l'objectif affecte la quantité de lumière tombant sur le capteur (voulez-vous dire l' ouverture ??).
ysap
Pour clarifier mon propos - si la lumière approchant de la lentille forme un cône et que le FoV détermine l'angle de tête du cône, la taille physique de la lentille, étant proportionnelle à la taille du capteur, ne devrait pas changer la quantité de lumière tombant sur le capteur. L'ouverture, cependant, affecte cela.
ysap
Bien sûr, diamètre = ouverture :) Ainsi, plus l'ouverture est grande, plus le capteur de lumière s'accumulera. Mais vous ne pouvez pas prendre FoV comme un cône de lumière. Le cône de lumière correspondant a son origine sur l'objet, vous regardez droit dessus. Plus votre ouverture est grande, plus ce cône est gros.
craesh
Oui, mais l'ouverture est donnée en nombre relatif . La capacité de collecte de lumière d'un objectif 50 mm f / 2 sur un capteur 35 mm doit être identique à celle d'un objectif ~ 35 mm f / 2 sur un capteur APS-C. C'est pourquoi l'iris d'ouverture réel n'est pas nécessairement situé à l'avant de l'objectif mais peut être situé n'importe où sur le trajet de la lumière.
ysap
Ce que vous voulez dire, c'est le nombre f ou l'ouverture relative, parfois l'ouverture numérique. C'est la distance focale divisée par l'ouverture (ou pupille d'entrée). L'ouverture est (comme je l'ai écrit ci-dessus) le diamètre de l'objectif. Ok, comme les objectifs de la caméra deviennent de plus en plus complexes, le diamètre du premier objectif ne sera pas nécessairement le même que la distance focale divisée par le plus petit nombre f. Mais en principe, ils devraient correspondre. Plus l'ouverture est grande, plus la lumière pénètre dans l'appareil photo. C'est à peu près comparable aux bâtiments avec des fenêtres plus grandes / plus petites.
craesh
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La taille d'un pixel individuel n'a pas d'importance. Plusieurs petits pixels peuvent être combinés mathématiquement en un seul grand, en échangeant les détails pour la sensibilité.

Un appareil photo à grand capteur possède, pour un angle de vue donné, un objectif à focale plus longue qu'un petit appareil photo à capteur. Cet objectif plus long présente, pour un diaphragme donné, une grande ouverture physique (ouverture dans l'iris). Il en résulte plus de lumière pénétrant dans le système et explique les meilleures performances en cas de faible luminosité. Il explique également la faible profondeur de champ.

Neil P
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Si rien d' autre, cela ne tient pas de réponse bruit de lecture - plusieurs petits pixels ne réussissent moins bien que d' un grand pixel.
Philip Kendall
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@PhilipKendall Mis à part cette affirmation du premier paragraphe, le reste de la réponse est correcte, elle suggérerait simplement de supprimer cette partie.
Matt Grum
Avez-vous une référence pour soutenir cette affirmation? J'offre clarkvision.com/articles/digital.sensor.performance.summary
Neil P
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La surface du capteur numérique est recouverte de photosites. Ceux-ci enregistrent l'image du monde extérieur telle que projetée par l'objectif. Pendant l'exposition, des rayons de formation d'image sous forme de photons bombardent la surface du capteur. Les coups de photons sont proportionnels à la luminosité de la scène. En d'autres termes, les photosites qui reçoivent des coups de photons qui correspondent à des zones fortement éclairées de la scène, reçoivent plus de coups de photons que des photosites qui correspondent à des zones d'images faiblement éclairées. Une fois l'exposition terminée, les photosites contiennent une charge électrique proportionnelle à la luminosité de la scène. Néanmoins, le degré de charge dans tous les photosites est trop faible pour être utile à moins d'être amplifié. L'étape suivante du processus de formation d'image consiste à amplifier les charges.

L'amplification, c'est comme augmenter le volume d'une radio ou d'un téléviseur. L'amplification démarre la force du signal d'image, mais elle induit également une distorsion sous forme d'électricité statique. En imagerie numérique, nous n'appelons pas cette distorsion statique; nous l'appelons «bruit». Le bruit induit est en fait appelé bruit à motif fixe. En effet, chaque photosite a des caractéristiques légèrement différentes. En d'autres termes, ils répondent chacun différemment à l'amplification. Le résultat est que certains photosites qui ont eu peu de coups de photons seront représentés en noir alors qu'ils devraient être en gris foncé ou gris. Il s'agit d'un bruit à motif fixe. Nous atténuons en n'augmentant pas l'amplification (en gardant l'ISO bas) et par le logiciel dans la caméra.

Étant donné que le bruit de motif fixe est généralement dû à une forte amplification, il va de soi que plus de coups de photons sur un quelconque site photos donné génèrent une charge plus élevée et nécessitent moins d'amplification. En bout de ligne, les puces d'imagerie plus grandes arborent des photosites plus grands avec une plus grande surface permettent plus de coups de photons pendant l'exposition. Plus de hits se traduisent par moins d'amplification; donc moins de distorsion due au bruit de motif fixe.

Alan Marcus
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Les capteurs plus grands sont généralement légèrement plus mauvais en basse lumière pour capturer une image. Des lentilles plus grandes sont généralement disponibles pour des capteurs plus grands, et des lentilles plus grandes sont généralement meilleures en cas de faible luminosité si cela ne vous dérange pas la profondeur de champ réduite.

QuietOC
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Salut QuietOC. Bienvenue sur Photo.SE. J'espère que vous appréciez le site. Je me demandais si, peut-être, vous aviez peut-être déformé quelque chose dans votre réponse. Cela n'a pas vraiment de sens pour moi, car il semble que vous disiez que les grands capteurs sont pires en basse lumière, puis que les plus gros capteurs ont des lentilles plus grandes qui sont meilleures en basse lumière. Pourriez-vous clarifier ce que vous essayez de dire?
AJ Henderson
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Il y a beaucoup sur Internet affirmant que la quantité de lumière recueillie par un capteur est proportionnelle à la taille du capteur. Ceci est une erreur. Etant donné le même angle de vue de l'objectif, la même quantité de lumière sera projetée sur le capteur quelle que soit la taille du capteur. Si un capteur plein format et un capteur MFT ont le même nombre d'éléments pixels, alors chaque élément détectera la même quantité de lumière, quelle que soit leur taille. Pensez à ceci: mettez un morceau de papier au soleil derrière un cercle de verre - rien ne se passe. Concentrez la lumière sur une petite zone de ce papier avec une loupe de même diamètre que le cercle de verre susmentionné et le papier chauffera car la densité d'énergie dans la zone de mise au point est beaucoup plus grande. Il en va de même pour les capteurs d'image; petit capteur = densité d'énergie plus élevée que grand capteur = même énergie par unité de surface sur les deux capteurs. La raison d'un plus grand bruit sur des capteurs plus petits est ailleurs; peut-être dans les interférences de radiofréquence entre des éléments de détection d'image étroitement emballés.

user85905
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Je pense que vous devez aller plus loin dans votre réflexion. Même énergie par unité de surface, oui - mais le grand capteur a plus de surface globale . Les capteurs plus grands n'ont pas plus de lumière par zone, mais pour le même cadrage, plus de lumière globale est collectée.
mattdm
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Une autre façon de penser: lorsque nous agrandissons, optiquement ou numériquement, nous gardons l'exposition constante, non? Nous nous attendons à ce qu'une impression 12 × 18 ait la même luminosité et la même exposition apparente qu'une impression 4 × 6. Mais, pour ce faire, nous devons conserver la luminosité de la zone unitaire même lorsque l'impression est encore agrandie. Ainsi, l'impression plus grande a plus de lumière "ajoutée". Si vous commencez avec un original plus grand, vous devez multiplier moins - donc, moins de bruit apparent (ou d'ailleurs, le grain du film).
mattdm
Merci. Je cherchais un forum qui présente une vue sensible de la taille et de la résolution du capteur. Pour sens lire "d'accord avec moi". Permettez-moi maintenant d'ajouter mon propre commentaire. Essentiellement, si la densité de photons de la même scène frappe un capteur, le grand et le petit appareil reçoivent le même nombre de photons. Il se peut que le plus petit capteur ait un meilleur signal au bruit à ce point en raison de sa plage dynamique inférieure. La plage dynamique disponible étant mieux optimisée. De plus grands capteurs avec des photosites plus grands étant donné les conditions d'éclairage correctes peuvent collecter plus de photons en raison de leur w
Peter Mason