É mais fácil entender a diferença quando o sensor maior e o menor possuem os mesmos megapixels. Se tivermos duas câmeras hipotéticas, uma com sensor APS-C menor e outra com sensor Full Frame, e assumirmos que ambas têm 8 megapixels, a diferença se resume à densidade de pixels .
Um sensor APS-C tem cerca de 24x15mm, enquanto um sensor Full Frame (FF) tem 36x24mm. Em termos de área, o sensor APS-C é de cerca de 360 mm ^ 2 e o FF é de 864 mm ^ 2 . Agora, calcular a área real de um sensor que é pixels funcionais pode ser bastante complexo do ponto de vista do mundo real, então assumiremos sensores ideais por enquanto, em que a área total da superfície do sensor é dedicada a pixels funcionais, assuma que esses pixels sejam usados da maneira mais eficiente possível e que todos os outros fatores que afetam a luz (como distância focal, abertura etc.) sejam equivalentes. Dado isso, e considerando que nossas câmeras hipotéticas têm 8mp, fica claro que o tamanho de cada pixelpara o sensor APS-C é menor que o tamanho de cada pixel para o sensor FF. Em termos exatos:
APS-C:
360
mm ^ 2 / 8.000.000px = 0,000045 mm ^ 2 / px -> 0,000045 mm ^ 2 * (1000 µm / mm) ^ 2 = 45 µm ^ 2 (mícrons quadrados)
-> 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 = 108 µm ^ 2 (mícrons)
-> sqrt (108 µm ^ 2) = 10,4 µm
Em termos mais simples e normalizados de "tamanho de pixel" ou a largura ou altura de cada pixel (comumente citados em sites de equipamentos fotográficos), temos:
Tamanho de pixel APS-C = pixel de 6,7 µm Tamanho de pixel
FF = pixel de 10,4 µm
Em termos de tamanho do pixel, um FF 8MP câmera tem 1.55x pixels maiores do que câmera uma APS-C de 8MP. Porém, uma diferença unidimensional no tamanho do pixel não conta toda a história. Os pixels têm uma área bidimensional sobre a qual recolhem luz; portanto, a diferença entre a área de cada pixel FF e cada pixel APS-C conta toda a história:
108µm ^ 2 / 45µm ^ 2 = 2,4
Uma câmera FF (idealizada) possui 2,4x , ou cerca de 1 ponto , o poder de captação de luz de uma câmera APS-C (idealizada)! É por isso que um sensor maior é mais benéfico ao fotografar com pouca luz ... eles simplesmente têm maior poder de captação de luz em qualquer período de tempo.
Em termos alternativos, um pixel maior é capaz de capturar mais ocorrências de fótons do que um pixel menor em um determinado período de tempo (meu significado de 'sensibilidade').
Agora, o exemplo e os cálculos acima de tudo assumem sensores "idealizados" ou sensores que são perfeitamente eficientes. Os sensores do mundo real não são idealizados, nem são tão fáceis de comparar de uma maneira de maçãs para maçãs. Os sensores do mundo real não utilizam todos os pixels gravados em sua superfície com a máxima eficiência, sensores mais caros tendem a ter uma "tecnologia" mais avançada incorporada a eles, como microlentes que ajudam a reunir ainda mais luz, pequenas lacunas não funcionais entre cada fabricação de fiação retroiluminada por pixel que move a coluna / linha ativa e lê a fiação abaixo dos elementos fotossensíveis (enquanto os projetos normais deixam essa fiação acima (e interfere nos) elementos fotossensíveis) etc.) Além disso, os sensores de quadro completo geralmente possuem contagens de megapixels mais altas do que sensores menores, complicando ainda mais as coisas.
Um exemplo real de dois sensores reais pode ser comparar o sensor Canon 7D APS-C com o sensor Canon 5D Mark II FF. O sensor 7D é 18mp, enquanto o sensor 5D é 21.1mp. A maioria dos sensores é classificada em megapixels aproximados e geralmente possui um pouco mais do que o número comercializado, pois muitos pixels de borda são usados para fins de calibração, obstruídos pela mecânica do filtro do sensor etc. Por isso, assumiremos que 18mp e 21.1mp são reais. contagem de pixels do mundo. A diferença no poder de captação de luz desses dois sensores atuais e modernos é:
7D APS-C: 360mm ^ 2 / 18.000.000px * 1.000.000 = 20µm ^ 2 / px
5DMII FF: 864mm ^ 2 / 21.100.000px * 1.000.000 = 40,947 ~ = 41µm ^ 2 / px
41µm ^ 2 / 20µm ^ 2 = 2,05 ~ = 2
A câmera Full-Frame Canon 5D MkII possui cerca de duas vezes o poder de captação de luz da câmera 7D APS-C. Isso se traduziria em cerca de um ponto de sensibilidade nativa adicional. (Na realidade, o 5DII e o 7D possuem um ISO nativo máximo de 6400, no entanto, o 7D é um pouco mais barulhento que o 5DII em 3200 e 6400, e realmente parece normalizar em torno do ISO 800. Consulte: http: / /the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) Por outro lado, um sensor FF de 18mp teria cerca de 1,17x o poder de captação de luz do sensor FF de 21,1mp de o 5D MkII, uma vez que menos pixels estão espalhados na mesma área (e maior que APS-C).
A rigor, NÃO é o tamanho do sensor que o torna melhor, é o tamanho do pixel.
Pixels maiores têm mais áreas de superfície para capturar luz e acumular uma voltagem mais alta da liberação de elétrons quando os fótons (luz) atingem a superfície. O ruído inerente sendo quase sempre aleatório é, portanto, relativamente mais baixo em comparação com a voltagem mais alta, que aumenta a relação sinal / ruído (S / N).
Os dados implícitos que você estava perdendo é que os sensores maiores tendem a ter pixels maiores. Basta comparar uma D3S de 12 MP de quadro completo com uma D300S de 12 MP cortada. Cada pixel tem uma área de superfície 2.25X mais, e é por isso que o D3S tem um desempenho tão alto como o ISO.
EDIT (24-11-2015):
Para quem não acredita em descendente anônimo, há um exemplo mais novo e melhor. A Sony possui duas câmeras full-frame quase idênticas, a A7S II e a A7R II. Seus sensores são do mesmo tamanho, mas o primeiro tem 12 MP de resolução, enquanto o último 42 MP. O desempenho com pouca luz e a faixa ISO do A7S II estão bem à frente do A7R II, atingindo ISO 409.600 vs 102.400. Essa é a diferença de duas paradas apenas para ter os pixels maiores.
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O tamanho do pixel único é quase irrelevante. Isso é lenda urbana!
Dadas duas câmeras idênticas com um sensor do mesmo tamanho, mas com uma contagem de pixels diferente (por exemplo, 2MP e 8MP) - e, portanto, um tamanho de pixel diferente. A quantidade de luz que entra no sensor depende do diâmetro da lente, não do tamanho do pixel. Sem dúvida, a imagem de 8MP será mais ruidosa que a de 2MP, mas se você reduzir a 8MP para 2MP, obterá quase a mesma imagem - com quase o mesmo nível de ruído. Isso é matemática simples. Eu digo quase porque a lógica do sensor custa tamanho. Como você terá 4 vezes a lógica em um sensor de 8MP que em um 2MP, você terá menos área líquida do sensor sensível à luz. Mas isso não vai custar uma parada (= 50%), talvez um pouco, mas não tanto!
O que realmente faz a diferença são as lentes. Se você tirou uma foto, não estará interessado em métricas - nem tamanho do sensor, tamanho de pixel nem distância focal. Você quer pegar um rosto, um grupo de pessoas, um prédio ou qualquer outra coisa a uma determinada distância. O que você está interessado é o ângulo de visão . Sua distância focal dependerá do tamanho do sensor e do ângulo de visão. Se você possui um sensor minúsculo, também terá uma pequena distância focal (digamos, alguns mm). Uma lente com uma pequena distância focal nunca capta muita luz, pois seu diâmetro é limitado. Um sensor maior precisará de uma distância focal maior, uma lente com a mesma velocidade terá um diâmetro maior e, portanto, captará muito mais luz.
Quem precisa de 10MP ou mais, exceto para imprimir pôsteres? Reduzidas para alguns MP, todas as imagens parecem ok. O tamanho do sensor não limita diretamente a qualidade da imagem, mas a lente o limita. Embora o tamanho da lente geralmente dependa do tamanho do sensor (não deve). Mas vi câmeras com sensores pequenos e muita MP, mas ótimas lentes (digamos, com mais de 2 cm de diâmetro) que tiram ótimas fotos.
Eu escrevi um artigo sobre isso há um tempo atrás. Está em alemão, não tive tempo de traduzi-lo para o inglês - desculpe por isso. É mais detalhado e explica alguns problemas (principalmente o ruído) com mais detalhes.
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O tamanho de um pixel individual não é importante. Vários pixels pequenos podem ser combinados matematicamente em um grande, trocando detalhes por sensibilidade.
Uma câmera grande com sensor possui, para um determinado ângulo de visão, uma lente de maior distância focal que uma câmera pequena. Essa lente mais longa possui, para um determinado ponto f, uma grande abertura física (abertura na íris). Isso resulta em mais luz entrando no sistema e é responsável pelo melhor desempenho com pouca luz. Ele também explica a profundidade de campo mais rasa.
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A superfície do sensor digital é coberta com photosites. Eles gravam a imagem do mundo exterior como projetada pela lente. Durante a exposição, raios formadores de imagens na forma de fótons bombardeiam a superfície do sensor. Os acertos de fótons são proporcionais ao brilho da cena. Em outras palavras, os photosites que recebem hits de fótons que correspondem a áreas com muita luz da cena recebem mais hits de fótons do que os photosites que correspondem a áreas de imagem com pouca luz. Quando a exposição é concluída, os photosites contêm uma carga elétrica proporcional ao brilho da cena. No entanto, o grau de carga em todos os photosites é muito fraco para ser útil, a menos que amplificado. O próximo passo no processo de formação da imagem é amplificar as cargas.
Amplificar é como aumentar o volume de um rádio ou TV. A amplificação inicializa a força do sinal da imagem, mas também induz distorção na forma de estática. Nas imagens digitais, não chamamos essa distorção de estática; nós chamamos isso de "ruído". O ruído induzido é chamado de ruído de padrão fixo. Isso ocorre porque cada photosite possui características ligeiramente diferentes. Em outras palavras, cada um deles responde à amplificação de maneira diferente. O resultado é que alguns photosites que tiveram poucos acertos de fótons terão uma imagem em preto quando devem aparecer em cinza escuro ou cinza. Este é um ruído de padrão fixo. Atenuamos não aumentando a amplificação (mantendo o ISO baixo) e o software na câmera.
Como o ruído de padrão fixo geralmente se deve à alta amplificação, é lógico que mais acertos de fótons em um determinado photosite geram uma carga mais alta e precisam de menos amplificação. Em resumo, chips de imagem maiores exibem photosites maiores com maior área de superfície, permitindo mais acertos de fótons durante a exposição. Mais hits se traduzem em menos amplificação; portanto, menos distorção devido ao ruído de padrão fixo.
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Sensores maiores geralmente são um pouco piores com pouca luz para capturar uma imagem. Lentes maiores geralmente estão disponíveis para sensores maiores, e lentes maiores geralmente são melhores com pouca luz, se você não se importa com a profundidade de campo reduzida.
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Há muita coisa na internet alegando que a quantidade de luz coletada por um sensor é proporcional ao tamanho do sensor. Isto está incorreto. Dado o mesmo ângulo de visão da lente, a mesma quantidade de luz será projetada no sensor, independentemente do tamanho do sensor. Se um sensor de quadro inteiro e um sensor MFT tiverem o mesmo número de elementos de pixel, cada elemento detectará a mesma quantidade de luz, independentemente do tamanho. Pense nisso: coloque um pedaço de papel ao sol atrás de um círculo de vidro - nada acontece. Concentre a luz em uma pequena área desse papel com uma lupa do mesmo diâmetro que o círculo de vidro mencionado acima e o papel esquentará porque a densidade de energia na área de foco é muito maior. O mesmo vale para sensores de imagem; sensor pequeno = densidade de energia mais alta que sensor grande = mesma energia por unidade de área nos dois sensores. A razão para maior ruído em sensores menores está em outro lugar; talvez na interferência de radiofrequência entre elementos sensores de imagem compactados.
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