Warum haben sie jemals kleinere Sensoren als Vollbildsensoren hergestellt?

Sie werden gelegentlich auf Artikel stoßen, die zeigen, wie großartig Vollbildkameras sind. Vieles davon ist wahrscheinlich eine übermäßige Begeisterung für ein neues Gerät oder einfaches Marketing, aber es scheint mir, dass zumindest diese Dinge zutreffen:

• Großflächiger Sensor erfasst mehr Licht
• Sensor mit großen Einzelpixeln hätte weniger Rauschen
• Ein größerer Sensor kann viel mehr Pixel aufnehmen

Die Vollbildkameras sind viel teurer. Das ist seltsam für mich, da ich den Eindruck hatte, dass es immer schwieriger ist, die Elektronik zu verkleinern, da man präzisere Geräte benötigt.

Das muss in den Anfängen der digitalen Einobjektivkameras vor vielen Jahren noch wichtiger gewesen sein.

Also warum wurde die Entscheidung getroffen zu machen Sensoren kleiner als der Film ursprünglich in den Kameras verwendet wird? AFAIK Einige Objektive für Filmkameras funktionieren immer noch mit einigen DSLRs. Warum unterscheidet sich der Sensor dann vom Film?

Beachten Sie, dass ich mehr an der Vorgeschichte der ursprünglichen Entscheidung interessiert bin (da die Filmbildgröße der Status Quo war und DLSRs sowieso teuer waren) als an der Preisdifferenz.

Die Herstellung großer Halbleiterbauelemente mit keiner oder nur einer sehr geringen Anzahl von Defekten ist sehr schwierig. Kleinere sind viel weniger anspruchsvoll zu machen.

Insbesondere die Ausbeute - der Anteil der von Ihnen hergestellten, die verwendet werden können - für Halbleiter sinkt, wenn Sie versuchen, diese zu vergrößern. Wenn der Ertrag niedrig ist, müssen Sie für jedes gute Gerät eine Menge Geräte herstellen, und das bedeutet, dass die Kosten pro Gerät sehr hoch werden: Möglicherweise höher, als der Markt tragen wird. Kleinere Sensoren mit den daraus resultierenden höheren Ausbeuten sind dann stark bevorzugt.

Hier ist eine Möglichkeit, die Renditekurve zu verstehen. Nehmen wir an, dass die Wahrscheinlichkeit eines Defekts pro Flächeneinheit in einem Prozess c ist und dass ein solcher Defekt jedes Bauelement tötet, das aus diesem Halbleiterbit besteht. Es gibt andere Modelle für Gerätedefekte, aber dies ist ein gutes Modell.

Wenn wir wollen , ein Gerät machen , die eine Fläche hat A dann die Chance, es nicht mit einem Fehler ist (1 - c ) ^A . Wenn also A 1 ist, ist die Chance (1 - c ) und sie wird kleiner (da (1 - c ) kleiner als eins ist), wenn A größer wird.

Die Chance, dass ein Gerät in Bereich A keinen Defekt aufweist, ist die Ausbeute: Es ist der Anteil an guten Geräten in Bereich A, den wir erhalten. (In der Tat kann die Ausbeute niedriger sein, weil es andere Dinge geben kann, die schief gehen können).

Wenn wir die Ausbeute y _A für Dekive einiger Bereiche A kennen , können wir c berechnen : c = 1 - y _A ^{1 / A} (Sie erhalten dies, indem Sie Protokolle von beiden Seiten erstellen und neu anordnen). In äquivalenter Weise können wir die Ausbeute für jeden anderen Bereich berechnen , eine als y = y _A ^{a / A} .

Nehmen wir also an, dass wir bei der Herstellung von Sensoren im Format 24 x 36 mm (Vollbild) eine Ausbeute von 10% erzielen: 90% der Geräte, die wir herstellen, sind nicht gut. Die Hersteller scheuen sich zu sagen, was ihre Erträge sind, aber dies ist nicht unplausibel niedrig. Dies entspricht der Aussage, dass c die Wahrscheinlichkeit eines Defekts pro mm ² ungefähr 0,0027 beträgt.

Und jetzt können wir die Erträge für andere Gebiete berechnen: Tatsächlich können wir die Ertragskurve einfach gegen das Gebiet zeichnen:

In diesem Diagramm habe ich die erwarteten Ausbeuten für Sensoren mit verschiedenen Größen unter Vollbild angegeben, wenn die Vollbildausbeute 10% beträgt (dies kann ungefähr sein, da APS-C beispielsweise verschiedene Bedeutungen haben kann). Wie Sie sehen, erzielen kleinere Sensoren viel höhere Erträge.

Mit der Zeit flacht sich diese Ertragskurve ab, wenn sich die Herstellungsprozesse verbessern, und die Erträge für große Sensoren verbessern sich. In diesem Fall sinken die Preise größerer Sensoren bis zu dem Punkt, an dem der Markt ihre Kosten trägt.

Die ersten Hauptanwendungen für elektronische Bildsensoren (Bild-Orthicons, Vidicons, Plumbicons oder CCDs oder aktive CMOS-Pixelsensoren, analog-elektronische oder digitale Workflows) waren Videos und keine Standbilder.

Das Video folgte ähnlichen Formfaktoren wie der Film. Im Kinofilm waren 35 mm (entspricht Vollbild-Standbild) oder sogar 70 mm exotische Großformate, die aufgrund erheblicher Kosten nur für die eigentliche (Kino-) Filmproduktion verwendet wurden.

Auch die Auflösungsanforderungen für die meisten Videoanwendungen waren früher viel geringer - wenn Pre-HD-Heimfernseher (maximale Auflösung 625 Zeilen mit jeweils 1000 Pixeln) das Hauptziel waren, waren keine hohen Auflösungsfähigkeiten erforderlich.

Auch in der Welt der bewegten Bilder außerhalb des Kinos scheinen die Anforderungen an Objektive unterschiedlich zu sein - viel mehr Erwartungen an die Objektivgeschwindigkeit und den Zoombereich, viel weniger an die Bildqualität. Dies kann mit Linsenkonstruktionen, die nur einen kleinen Bildkreis bedienen müssen, weitaus kostengünstiger durchgeführt werden.

Digitale Fotokameras existierten mehrere Jahre, bevor Wechselobjektivkameras plausibel wurden, und diese verwendeten zunächst winzige Sensoren, die sehr wahrscheinlich für Videodesigns entwickelt wurden oder auf diesen basierten.

Sensoren der Größe APS-C waren bei der Einführung früherer DSLR-Kameras im Vergleich zu einem normalen Digitalkamerasensor RIESIG. Die wenigen frühen Full-Frame-DSLRs (Kodak DCS) und ihre Sensoren waren extrem teuer, wahrscheinlich, weil nur sehr wenig Erfahrung mit der Entwicklung wirtschaftlicher Sensoren in dieser Größe vorhanden war.

Bildsensoren sind in der tatsächlichen Struktur sehr grob im Vergleich zu den CPUs oder Speicherchips, die bereits in den 1990er Jahren verwendet wurden. Beispielsweise verwendete eine gängige CPU für Desktop-Computer der späten 1990er Jahre eine Feature-Größe von 250 nm, was erheblich kleiner ist als die, die auf einem Computer physikalisch nützlich wäre Bildsensor für sichtbares Licht. Heute sind 14nm (!!) auf dem neuesten Stand der Technik.

Die Notwendigkeit, große Matrizengrößen pro Teil ungeachtet der Strukturgrößen zu vermeiden, wie bereits in anderen Beiträgen erläutert, hat sich nicht wesentlich geändert.

Große Sensoren kosten mehr als kleine Sensoren, ungefähr aus demselben Grund, aus dem große Fernseher mehr kosten als kleine Fernseher. Vergleichen Sie einen 30-Zoll-Fernseher mit einem 60-Zoll-Fernseher (etwa 75 cm und 150 cm, wenn Sie es vorziehen). Miniaturisierung ist kein Problem - wir könnten alle Teile des 30-Zoll-Fernsehgeräts ohne Schwierigkeiten verkleinern. Der 30-Zoll-Fernseher kostet weniger als der 60-Zoll-Fernseher, da er weniger Material verbraucht und weniger Arbeit benötigt, um fertig zu werden. Und der 60-Zoll-Fernseher weist eine höhere Fehlerrate auf - die vierfache Fläche erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwo etwas schief gehtAuf dem Bildschirm wird ein totes Pixel erstellt. Da Kunden tote Pixel hassen, wird ein Panel mit mehr als einem oder zwei (oder sogar mehr als null) verschrottet oder als Teil eines kostengünstigeren Produkts verkauft. Die Produktionskosten für defekte Einheiten gehen in den Preis der akzeptablen Einheiten ein, die verkauft werden. Je größer Sie werden, desto teurer werden die Dinge.

Die gleichen Überlegungen gelten für Bildsensoren. Selbst die kleinsten Sensoren von Prosumer-Kameras weisen im Vergleich zu den Möglichkeiten der Halbleitertechnologie enorme Merkmale auf, sodass die Kosten für die Miniaturisierung kein wesentlicher Faktor sind. Kompaktkameras und Mobiltelefone verwenden normalerweise viel kleinere Sensoren, und selbst Mobiltelefone mit kleinem Budget verfügen normalerweise über zwei Kameras, wobei die schickeren über drei oder vier Kameras verfügen! Bei vernünftigen Größen kostet kleiner weniger, nicht mehr. Das Defektproblem kommt ebenfalls ins Spiel. Je größer der Sensor ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie einen Defekt haben, bei dem Sie das Ganze verschrotten müssen, und desto mehr Geld (an Material) verlieren Sie, wenn Sie es verschrotten. Das verteuert die Größe und geht weit über einen bestimmten Punkt hinaus.

Die Digitalkamera mit dem größten Format, das Sie ab diesem Zeitpunkt erhalten können, verfügt über einen satten 9 "x 11" -Sensor (das ist mehr als die 8-fache Diagonale eines "Vollbild" -Sensors oder mehr als die 64-fache Fläche) 12 Megapixel, also ist Miniaturisierung offensichtlich kein Problem - diese Pixel sind riesig . Es wird für über 100.000 US-Dollar verkauft.

Weil du speziell nach der Geschichte gefragt hast ...

Ich würde vorschlagen: Größe, Gewicht und Kosten.

Alle diese Überlegungen waren in den Tagen vor der Digitalisierung (dh dem Film) gleichermaßen zutreffend. Ein beliebtes Filmformat war das Format 110. Siehe: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

Der 110er Film war billiger, die Kameras waren billiger, und viele der Kameras waren viel kleiner und leichter als die kleinsten Kleinbildfilmkompaktkameras. Sie konnten sehr leicht in eine kleine Tasche passen. Natürlich gibt es heutzutage dieselben Einschränkungen bei Digitalkameras, wie andere betont haben. Heute sind es also nicht nur kleine und große Bildsensoren. damals gab es auch kleine und große filmformate.

Lange vor der Digitalisierung versuchten die Menschen, kleinere Filmformate zu produzieren, um Probleme in Bezug auf Herstellung, Benutzerfreundlichkeit und andere Kosten-Nutzen-Aspekte zu lösen, die in anderen Antworten beschrieben werden.

Was heute als "Vollbild" bekannt ist, wurde früher als "Miniatur" bezeichnet. Wenn es keine Miniatur- und Subminiaturformate gäbe, müssten wir Kameras wie diese mitnehmen:

Abgesehen von dem, was bereits erwähnt wurde, gibt es einen besonders guten Grund, kleinere Sensoren für DSLRs herzustellen. Es macht es einfacher, billigere und leichtere Objektive für den schnell wachsenden Verbrauchermarkt zu entwickeln. Aber immer noch von hoher Qualität.

Wenn Sie den Sensor verkleinern, können Sie auch den Spiegel verkleinern und dann den Abstand vom hinteren Element in der Linse zum Sensor verringern (der sogenannte Flanschabstand).

Durch Verringern des Flanschabstands wird das Entwerfen von Linsen erleichtert. Insbesondere Weitwinkelobjektive profitieren vom geringeren Flanschabstand. Ein 1: 2,8-Weitwinkel-Zoomobjektiv für eine Vollformatkamera kann recht kostspielig sein.

Heute, da spiegellose Systeme immer beliebter werden, ist das Problem des Flanschabstands beseitigt.

Der kleinere Sensor bedeutet jedoch immer noch, dass das Objektiv das Bild nur auf eine kleinere Fläche projizieren muss, was einen kleineren Durchmesser des Objektivs erfordert, was ebenfalls zu geringeren Kosten bei den Objektiven beiträgt.

Übrigens ist der Sensor meines Wissens (was falsch sein könnte) nicht annähernd die teuerste Komponente einer DSLR. Die Lichtmesser (es gibt viele) sind weitaus teurer.

Ich dachte, ich hätte dies aus einer seriösen Quelle gelesen, aber der Versuch, nach einer Quelle zu suchen, um diese Tatsache zu bestätigen, ergab nichts. deshalb irre ich mich hier wahrscheinlich.

Kleinere Sensoren haben höhere Produktionsausbeuten und die zu verarbeitende Elektronik ist kostengünstiger.

Verdoppeln Sie den Sensor und quadrieren Sie ungefähr die benötigte Rechenleistung.

Die Realität ist, dass DX-Sensoren häufig eine höhere Auflösung und einen größeren Dynamikbereich aufweisen als Filme, die sie ersetzen.

Separate Antwort, da sie nichts mit der anderen zu tun hat:

Full-Frame-Sensoren bieten dem begeisterten, künstlerischen und professionellen Fotografen zwar viele Vorteile, sie weisen jedoch auch Nachteile auf, die in vielen Fällen vom gelegentlichen Benutzer - und in einigen Fällen sogar vom professionellen Künstler oder Reporter für bestimmte Aufgaben - wirklich unerwünscht sind:

• Die maximal erreichbare Schärfentiefe ist eher begrenzt. Für extreme Schärfentiefe sind extrem langsame Blenden erforderlich, was zu Problemen wie schlechtem Handling bei schwachem Licht und schlechter Sicht auf den Sensorschmutz führt.

• Objektive werden sperriger, schwerer und teurer.

• ... vor allem, wenn es um lange Brennweiten geht, um eine große Reichweite zu haben.

• Die Bildstabilisierung wird schwieriger, da größere Bewegungen erforderlich sind, um Verwacklungen auszugleichen.

• Einige Zielgruppen bevorzugen Bilder mit hoher Schärfentiefe, scharfem Bild und dem harten Tonwertstil, den sie von Kameras für Mobilgeräte gewohnt sind.

Nun, lassen Sie es mich so sagen. Hier ist ein Foto mit einer kleinen Sensorkamera (1 / 2.3 "), Crop-Faktor 5.6 und einem Sensor der APS-C-Klasse (Crop-Faktor 1.66, etwas kleiner als APS-C) in der maximalen Zoomposition (die die große Kamera erreicht) nur mit 1,7 × Telekonverter) Die kleine Kamera hat die dreifache effektive Brennweite (600 mm) der großen Kamera (200 mm).

Hier sind die gleichen Kameras, die zum Einpacken bereit sind:

Wenn Sie versuchen, Vögel und Nahaufnahmen von kleinen Objekten zu machen, wird der längere Zoombereich der kleinen Sensorkamera den vergleichsweise kurzen Bereich des großen Sensors übertreffen. Heutzutage haben die heutigen Sensoren eine höhere Auflösung als die 10 MP der alten Kamera, aber selbst ein 40 MP-Sensor bringt Ihnen nur den Faktor 2 in der Brennweite, wenn Sie auf die gleiche Anzahl von Pixeln beschneiden.

Die Bildqualität des größeren Sensors ist besser, aber das bringt Ihnen nicht viel, wenn die Bildgröße der eines Stempels entspricht.