Pourquoi un capteur plus gros a-t-il une meilleure plage dynamique?

Je comprends déjà toute la théorie derrière la façon dont un capteur plus grand conduit à un meilleur contrôle de la profondeur de champ et à un bruit plus faible. Mais je n'ai pas encore trouvé un endroit qui puisse expliquer pourquoi un capteur plus grand vous donne une plus grande plage dynamique?

La taille du capteur n'a pas d'importance, c'est la taille du pixel. Cela dit, les capteurs plus gros, comme dans les caméras plein format, ont tendance à avoir des pixels plus grands.

Vous pouvez estimer la taille du pixel en prenant la taille du capteur et en la divisant par le nombre de pixels. Ce calcul n'est pas précis car la plupart des capteurs ont des espaces entre les pixels et ces espaces diffèrent en taille. C'est pourquoi je dis "estimation".

Maintenant, imaginez un pixel dans le capteur comme une boîte et des photons comme des boules. Plus la boîte est grande, plus elle peut contenir de balles.

En supposant que nous ayons les boîtes A et B. La boîte A peut contenir 256 balles et la boîte B peut contenir 512 balles. Permet maintenant d'organiser une matrice de boîtes de type A et de lancer beaucoup de balles en l'air. Nous voulons rassembler des statistiques sur l'endroit où les balles sont tombées.

Au milieu, une des boîtes contient 256 balles et dans les bords, les boîtes contiennent ~ 20 balles. Nous ne pouvons pas savoir si au milieu seulement 256 balles sont tombées ou plus. Notre mesure est limitée au maximum pour 256 balles.

Maintenant, répétons cette expérience, mais maintenant avec des boîtes de type B. Maintenant, nous pouvons voir qu'au milieu, la boîte contient 347 balles et sur les bords, les boîtes contiennent ~ 20 balles.

Notre mesure est beaucoup plus précise. C'est exactement ce qui se passe avec les photons frappant le capteur. Une plus grande surface peut contenir plus de photons et peut mesurer une plus grande plage dynamique. Dans notre exemple, la plage dynamique est deux fois plus grande dans la plus grande boîte.

Si le pixel est plein de photons, la traduction en couleur sera une couleur entièrement saturée, mais avec une plus grande surface de pixels, nous obtiendrons un meilleur résultat, donc une plage dynamique améliorée.

Voici une photo qui peut démontrer mon explication:

Pour une explication plus approfondie, vous pouvez consulter cet article:

Plage dynamique

En considérant des capteurs idéaux où le bruit photonique est la seule préoccupation, plus le capteur est grand, plus la plage dynamique est grande. La plage dynamique est la différence entre le point auquel le capteur devient saturé et le point auquel tout détail est perdu par le bruit dans les ombres.

Un capteur plus grand aura soit des pixels plus grands, soit plus de pixels. Des pixels plus grands signifient une plus grande capacité à stocker la charge (toutes choses étant égales par ailleurs) et plus de lumière capturée par pixel, donc moins de lumière dans les ombres, donc une plus grande plage dynamique. Plus de pixels signifie le bruit similaire par pixel, mais plus de pixels pour faire la moyenne afin de réduire le bruit d'ombre, et donc d'augmenter la plage dynamique.

En réalité, il existe d'autres sources de bruit, à savoir le bruit de lecture, où le signal analogique produit par les photosites capte le bruit avant d'être numérisé. Cela peut avoir un effet sur la plage dynamique qui est beaucoup plus fort que les différences de taille de capteur. Les signaux de faible intensité provenant des zones sombres de l'image sont particulièrement sensibles au bruit de lecture, d'où le grand impact sur DR.

Une nouvelle technologie (raccourcir le chemin du capteur vers l'ADC, envoyer le signal deux fois et comparer les résultats) peut pratiquement éliminer le bruit de lecture, ce qui permet aux capteurs APS-C tels que le Sony Exmor de dépasser la plage dynamique des capteurs plein format 2,5 fois plus grands de Canon en presque un ordre de grandeur!

Il est également nécessaire de faire la distinction entre la plage dynamique sous un bon éclairage et la plage dynamique sous un faible éclairage. Le premier est déterminé principalement par le bruit de lecture, donc un petit capteur peut exceller à condition qu'il ait un faible bruit de lecture et une profondeur de puits suffisamment décente. Ce dernier est dominé par le bruit des photons (l'augmentation de l'ISO en basse lumière amplifie le bruit des photons mais pas le bruit de lecture), ce qui fait que les capteurs plus grands ont tendance à mieux fonctionner ici. Encore une fois, tous les capteurs ne suivent pas la tendance.

Il n'y a aucune raison qu'un plus grand capteur puisse donner une plus grande plage dynamique ou un bruit plus faible que plus de surface par pixel, mais les caméras plein format ont tendance à être des unités plus hautes et donc à avoir de meilleurs capteurs.

Notez qu'il n'y a aucune raison qu'un capteur de résolution inférieure et plus petit ne puisse pas avoir de meilleures performances de bruit et de plage dynamique s'il est fabriqué avec une qualité similaire à un capteur plein format. Le nombre de pixels par pouce sur la surface du capteur et la qualité du capteur sont les bits qui comptent.

L'exemple avec les boîtes est tout à fait vrai et explique pourquoi des capteurs plus grands ont une large plage dynamique. Plus le pixel est petit, moins il peut stocker de photoélectrons (le nombre maximal de photoélectrons pouvant être stockés est appelé pleine capacité du puits). image (pas de nuances de gris! (:).

Il ne fait donc aucun doute qu'un capteur plus grand a une plage dynamique plus élevée si tout le reste est le même.

La question est, pouvez-vous augmenter la plage dynamique en réduisant la résolution? Je sais que l'on peut le faire avec des caméras CCD scientifiques (je l'ai fait personnellement). Mais pouvez-vous faire de même avec les caméras grand public et avec CMOS? Je suppose que oui si vous pouvez lier 2x2 pixels en un (réduisant efficacement la résolution 4 fois).

Selon mes recherches, même la taille des pixels n'a pas d'importance, la théorie de la boîte est applicable aux conditions d'éclairage, car les pixels plus gros collectent plus de lumière, ils auront sûrement un bord en basse lumière (bon sens), mais la technologie des capteurs est le facteur clé de la plage dynamique , car la plage dynamique est la capacité du capteur à conserver les détails dans les hautes lumières et les ombres. Par exemple, la plage dynamique d'un petit ou d'un grand ventilateur de capteur plus récent est meilleure que la plage dynamique d'un ancien capteur plein format