Formato del sensor de imagen

Dimensiones comparativas de los tamaños de los sensores

Para una comprensión rápida de números como 1 / 2.3, consulte § Tabla de formatos y tamaños de sensores .

Para una cobertura más amplia de este tema, consulte Sensor de imagen .

En fotografía digital, el formato del sensor de imagen es la forma y el tamaño del sensor de imagen.

El formato del sensor de imagen de una cámara digital determina el ángulo de visión de una lente en particular cuando se usa con un sensor en particular. Debido a que los sensores de imagen de muchas cámaras digitales son más pequeños que el área de imagen de 24 mm × 36 mm de las cámaras de fotograma completo de 35 mm , una lente de una distancia focal determinada proporciona un campo de visión más estrecho en dichas cámaras.

El tamaño del sensor a menudo se expresa como formato óptico en pulgadas. También se utilizan otras medidas; consulte la tabla de formatos y tamaños de sensores a continuación.

Las lentes producidas para cámaras de película de 35 mm pueden montarse bien en los cuerpos digitales, pero el círculo de imagen más grande de la lente del sistema de 35 mm permite la entrada de luz no deseada en el cuerpo de la cámara, y el tamaño más pequeño del sensor de imagen en comparación con el formato de película de 35 mm da como resultado recorte de la imagen. Este último efecto se conoce como cultivo de campo de visión. La relación de tamaño de formato (en relación con el formato de película de 35 mm) se conoce como factor de recorte del campo de visión, factor de recorte, factor de lente, factor de conversión de longitud focal, multiplicador de longitud focal o multiplicador de lente.

Tamaño del sensor y profundidad de campo

Se discuten tres posibles comparaciones de profundidad de campo entre formatos, aplicando las fórmulas derivadas en el artículo sobre profundidad de campo . Las profundidades de campo de las tres cámaras pueden ser iguales o diferentes en cualquier orden, dependiendo de lo que se mantenga constante en la comparación.

Considerando una imagen con la misma distancia del sujeto y ángulo de visión para dos formatos diferentes:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {d_{1}}{d_{2}}}}$

por lo que los grados de libertad son en proporción inversa a los diámetros de apertura absolutos y .${\displaystyle d_{1}}$${\displaystyle d_{2}}$

El uso del mismo diámetro de apertura absoluta para ambos formatos con el criterio de "misma imagen" (igual ángulo de visión, ampliado al mismo tamaño final) produce la misma profundidad de campo. Es equivalente a ajustar el número f inversamente en proporción al factor de recorte : un número f más pequeño para sensores más pequeños (esto también significa que, cuando se mantiene fija la velocidad del obturador, la exposición cambia mediante el ajuste del número f requerido para igualar la profundidad de campo. Pero el área de apertura se mantiene constante, por lo que los sensores de todos los tamaños reciben la misma cantidad total de energía luminosa del sujeto. El sensor más pequeño está funcionando con una configuración ISO más baja, por el cuadrado del factor de cultivo). Esta condición de igual campo de visión, igual profundidad de campo, igual diámetro de apertura e igual tiempo de exposición se conoce como "equivalencia". ^[1]

Y, podríamos comparar la profundidad de campo de los sensores que reciben la misma exposición fotométrica (el número f es fijo en lugar del diámetro de apertura), los sensores funcionan con la misma configuración ISO en ese caso, pero el sensor más pequeño recibe menos cantidad total luz, por la relación de área. La razón de las profundidades de campo es entonces

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{1}}{l_{2}}}}$

donde y son las dimensiones características del formato y, por tanto, es el factor de recorte relativo entre los sensores. Este resultado es el que da lugar a la opinión generalizada de que los sensores pequeños producen una mayor profundidad de campo que los grandes.${\displaystyle l_{1}}$${\displaystyle l_{2}}$${\displaystyle l_{1}/l_{2}}$

Una alternativa es considerar la profundidad de campo proporcionada por la misma lente junto con sensores de diferentes tamaños (cambiando el ángulo de visión). El cambio en la profundidad de campo se debe al requisito de un grado diferente de ampliación para lograr el mismo tamaño de imagen final. En este caso, la relación de profundidades de campo se convierte en

${\displaystyle {\frac {\mathrm {DOF} _{2}}{\mathrm {DOF} _{1}}}\approx {\frac {l_{2}}{l_{1}}}}$.

En la práctica, si se aplica una lente con una distancia focal fija y una apertura fija y hecha para un círculo de imagen para cumplir con los requisitos de un sensor grande, se debe adaptar, sin cambiar sus propiedades físicas, a tamaños de sensor más pequeños ni a la profundidad de campo. ni la luz que se amontona cambiará.${\displaystyle \mathrm {lx=\,{\frac {lm}{m^{2}}}} }$

Tamaño del sensor, ruido y rango dinámico

Descontando la no uniformidad de la respuesta fotográfica (PRNU) y la variación del ruido oscuro, que no dependen intrínsecamente del tamaño del sensor, los ruidos en un sensor de imagen son ruido de disparo , ruido de lectura y ruido oscuro . La relación señal / ruido general de un sensor (SNR), expresada como electrones de señal en relación con el ruido rms en electrones, observado en la escala de un solo píxel, asumiendo el ruido de disparo de la distribución de Poisson de electrones de señal y electrones oscuros, es

${\displaystyle \mathrm {SNR} ={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {\left({\sqrt {PQ_{e}t}}\right)^{2}+\left({\sqrt {Dt}}\right)^{2}+N_{r}^{2}}}}={\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t+Dt+N_{r}^{2}}}}}$

donde es el flujo de fotones incidente (fotones por segundo en el área de un píxel), es la eficiencia cuántica , es el tiempo de exposición, es la corriente oscura del píxel en electrones por segundo y es el ruido de lectura del píxel en electrones rms. ^[2]${\displaystyle P}$${\displaystyle Q_{e}}$${\displaystyle t}$${\displaystyle D}$${\displaystyle N_{r}}$

Cada uno de estos ruidos tiene una dependencia diferente del tamaño del sensor.

Exposición y flujo de fotones

El ruido del sensor de imagen se puede comparar entre formatos para un determinado flujo de fotones fijo por área de píxel (la P en las fórmulas); este análisis es útil para un número fijo de píxeles con un área de píxeles proporcional al área del sensor y un diámetro de apertura absoluto fijo para una situación de imagen fija en términos de profundidad de campo, límite de difracción en el sujeto, etc. Iluminancia de plano focal fijo, correspondiente a un número f fijo , en cuyo caso P es proporcional al área de píxeles, independiente del área del sensor. Las fórmulas de arriba y de abajo se pueden evaluar para cualquier caso.

Disparo

En la ecuación anterior, el ruido de disparo SNR viene dado por

${\displaystyle {\frac {PQ_{e}t}{\sqrt {PQ_{e}t}}}={\sqrt {PQ_{e}t}}}$.

Aparte de la eficiencia cuántica, depende del flujo de fotones incidentes y del tiempo de exposición, que es equivalente a la exposición y el área del sensor; dado que la exposición es el tiempo de integración multiplicado por la iluminancia del plano de la imagen , y la iluminancia es el flujo luminoso por unidad de área. Por lo tanto, para exposiciones iguales, la relación señal / ruido de dos sensores de diferentes tamaños de igual eficiencia cuántica y recuento de píxeles será (para un tamaño de imagen final dado) en proporción a la raíz cuadrada del área del sensor (o el factor de escala lineal del sensor). Si la exposición se ve limitada por la necesidad de lograr la profundidad de campo requerida(con la misma velocidad de obturación) entonces las exposiciones estarán en relación inversa al área del sensor, produciendo el resultado interesante de que si la profundidad de campo es una restricción, el ruido de la toma de imagen no depende del área del sensor. Para lentes de número f idénticos, la relación señal / ruido aumenta como la raíz cuadrada del área de píxeles, o linealmente con el paso de píxeles. Como los números f típicos para lentes para teléfonos celulares y DSLR están en el mismo rango f / 1.5-f / 2, es interesante comparar el rendimiento de las cámaras con sensores grandes y pequeños. Una buena cámara de teléfono celular con un tamaño de píxel típico de 1,1 μm (Samsung A8) tendría aproximadamente 3 veces peor SNR debido al ruido de disparo que una cámara de lentes intercambiables de 3,7 μm píxeles (Panasonic G85) y 5 veces peor que una cámara de fotograma completo de 6 μm ( Sony A7 III). Tener en cuenta el rango dinámico hace que la diferencia sea aún más prominente.Como tal, la tendencia de aumentar el número de "megapíxeles" en las cámaras de los teléfonos móviles durante los últimos 10 años se debió más a la estrategia de marketing para vender "más megapíxeles" que a los intentos de mejorar la calidad de la imagen.

Leer ruido

El ruido de lectura es el total de todos los ruidos electrónicos en la cadena de conversión para los píxeles en la matriz de sensores. Para compararlo con el ruido de fotones, debe referirse a su equivalente en fotoelectrones, lo que requiere la división del ruido medido en voltios por la ganancia de conversión del píxel. Esto se da, por un sensor de pixel activo , por la tensión en la entrada (puerta) del transistor de lectura dividido por la carga que genera que la tensión, . Esta es la inversa de la capacitancia de la puerta del transistor de lectura (y la difusión flotante adjunta) desde la capacitancia . ^[3] Así .${\displaystyle CG=V_{rt}/Q_{rt}}$${\displaystyle C=Q/V}$${\displaystyle CG=1/C_{rt}}$

En general, para una estructura plana como un píxel, la capacitancia es proporcional al área, por lo tanto, el ruido de lectura se reduce con el área del sensor, siempre que el área del píxel se escala con el área del sensor, y esa escala se realiza escalando uniformemente el píxel.

Teniendo en cuenta la relación señal / ruido debido al ruido de lectura en una exposición determinada, la señal se escalará a medida que el área del sensor junto con el ruido de lectura y, por lo tanto, el ruido de lectura SNR no se verá afectado por el área del sensor. En una situación de profundidad de campo restringida, la exposición del sensor más grande se reducirá en proporción al área del sensor y, por lo tanto, el ruido de lectura SNR también se reducirá.

Ruido oscuro

La corriente oscura contribuye con dos tipos de ruido: el desplazamiento oscuro, que sólo se correlaciona parcialmente entre los píxeles, y el ruido de disparo asociado con el desplazamiento oscuro, que no está correlacionado entre los píxeles. Solo el componente de ruido de disparo Dt se incluye en la fórmula anterior, ya que la parte no correlacionada del desplazamiento oscuro es difícil de predecir y la parte correlacionada o media es relativamente fácil de restar. La corriente oscura media contiene contribuciones proporcionales tanto al área como a la dimensión lineal del fotodiodo, y las proporciones relativas y los factores de escala dependen del diseño del fotodiodo. ^[4]Por tanto, en general, se puede esperar que el ruido oscuro de un sensor aumente a medida que aumenta el tamaño del sensor. Sin embargo, en la mayoría de los sensores, la corriente oscura media de píxeles a temperaturas normales es pequeña, inferior a 50 e- por segundo, ^[5] por lo tanto, para tiempos de exposición fotográfica típicos, la corriente oscura y sus ruidos asociados pueden descartarse. Sin embargo, en tiempos de exposición muy largos, puede ser un factor limitante. E incluso en tiempos de exposición cortos o medios, algunos valores atípicos en la distribución de la corriente oscura pueden aparecer como "píxeles calientes". Normalmente, para aplicaciones de astrofotografía, los sensores se enfrían para reducir la corriente oscura en situaciones en las que las exposiciones pueden medirse en varios cientos de segundos.

Gama dinámica

El rango dinámico es la relación entre la señal grabable más grande y más pequeña, y la más pequeña se define típicamente por el "piso de ruido". En la literatura sobre sensores de imagen, el piso de ruido se toma como el ruido de lectura, por lo que ^[6] (tenga en cuenta que el ruido de lectura es la misma cantidad que se menciona en el cálculo de SNR ^[2] ).${\displaystyle DR=Q_{\text{max}}/\sigma _{\text{readout}}}$${\displaystyle \sigma _{readout}}$${\displaystyle N_{r}}$

Tamaño y difracción del sensor

La resolución de todos los sistemas ópticos está limitada por difracción . Una forma de considerar el efecto que tiene la difracción en las cámaras que utilizan sensores de diferentes tamaños es considerar la función de transferencia de modulación (MTF). La difracción es uno de los factores que contribuyen al MTF general del sistema. Otros factores suelen ser los MTF de la lente, el filtro anti-aliasing y la ventana de muestreo del sensor. ^[7] La frecuencia de corte espacial debida a la difracción a través de la apertura de una lente es

${\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }={\frac {1}{\lambda N}}}$

donde λ es la longitud de onda de la luz que pasa a través del sistema y N es el número f de la lente. Si esa apertura es circular, como lo son (aproximadamente) la mayoría de las aperturas fotográficas, entonces la MTF viene dada por

${\displaystyle \mathrm {MTF} \left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)={\frac {2}{\pi }}\left\{\cos ^{-1}\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)\left[1-\left({\frac {\xi }{\xi _{\mathrm {cutoff} }}}\right)^{2}\right]^{\frac {1}{2}}\right\}}$

para y para ^[8] El factor de difracción del sistema MTF se escalará por lo tanto de acuerdo con y a su vez de acuerdo con (para la misma longitud de onda de luz).${\displaystyle \xi <\xi _{\mathrm {cutoff} }}$${\displaystyle 0}$${\displaystyle \xi \geq \xi _{\mathrm {cutoff} }}$${\displaystyle \xi _{\mathrm {cutoff} }}$${\displaystyle 1/N}$

Al considerar el efecto del tamaño del sensor y su efecto en la imagen final, se deben tener en cuenta los diferentes aumentos necesarios para obtener el mismo tamaño de imagen para la visualización, lo que da como resultado un factor de escala adicional de dónde está el factor de recorte relativo, lo que hace que el total factor de escala . Considerando los tres casos anteriores:${\displaystyle 1/{C}}$${\displaystyle {C}}$${\displaystyle 1/(NC)}$

Para las condiciones de 'la misma imagen', el mismo ángulo de visión, la distancia del sujeto y la profundidad de campo, entonces los números F están en la relación , por lo que el factor de escala para la difracción MTF es 1, lo que lleva a la conclusión de que la difracción MTF en una profundidad de campo determinada es independiente del tamaño del sensor.${\displaystyle 1/C}$

Tanto en las condiciones de 'misma exposición fotométrica' como de 'misma lente', el número F no cambia y, por lo tanto, el corte espacial y el MTF resultante en el sensor no cambian, dejando el MTF en la imagen visualizada para escalarlo como aumento. , o inversamente al factor de cultivo.

Formato del sensor y tamaño de la lente

Se podría esperar que se pudieran producir lentes apropiados para una variedad de tamaños de sensores simplemente escalando los mismos diseños en proporción al factor de cultivo. ^[9] En teoría, un ejercicio de este tipo produciría una lente con el mismo número F y ángulo de visión, con un tamaño proporcional al factor de recorte del sensor. En la práctica, el escalado simple de los diseños de lentes no siempre es posible debido a factores como la falta de escalabilidad de la tolerancia de fabricación , la integridad estructural de los lentes de vidrio de diferentes tamaños y las técnicas y costos de fabricación disponibles. Además, para mantener la misma cantidad absoluta de información en una imagen (que puede medirse como el producto de ancho de banda espacial ^[10]) la lente para un sensor más pequeño requiere un mayor poder de resolución. Nasse analiza el desarrollo de la lente ' Tessar ', ^[11] y muestra su transformación de una lente f / 6.3 para cámaras de placa que utilizan la configuración original de tres grupos a una óptica de cuatro elementos f / 2.8 5.2 mm con ocho Superficies extremadamente asféricas, económicamente fabricables debido a su pequeño tamaño. Su rendimiento es "mejor que el de los mejores objetivos de 35 mm, pero solo para una imagen muy pequeña".

En resumen, a medida que se reduce el tamaño del sensor, los diseños de lentes que lo acompañan cambiarán, a menudo de manera bastante radical, para aprovechar las técnicas de fabricación disponibles debido al tamaño reducido. La funcionalidad de tales lentes también puede aprovechar estos, con rangos de zoom extremos que son posibles. Estas lentes suelen ser muy grandes en relación con el tamaño del sensor, pero con un sensor pequeño se pueden colocar en un paquete compacto.

Cuerpo pequeño significa lente pequeña y sensor pequeño, por lo que para mantener los teléfonos inteligentes delgados y livianos, los fabricantes de teléfonos inteligentes usan un sensor diminuto generalmente menor que el 1 / 2.3 "que se usa en la mayoría de las cámaras Bridge . En un momento, solo Nokia 808 PureView usaba un 1 / Sensor de 1.2 ", casi tres veces el tamaño de un sensor de 1 / 2.3". Los sensores más grandes tienen la ventaja de una mejor calidad de imagen, pero con las mejoras en la tecnología de sensores, los sensores más pequeños pueden lograr las hazañas de los sensores más grandes anteriores. Estas mejoras en la tecnología de sensores permite que los fabricantes de teléfonos inteligentes usen sensores de imagen tan pequeños como 1/4 "sin sacrificar demasiada calidad de imagen en comparación con las cámaras económicas de apuntar y disparar. ^[12]

Área activa del sensor

Para calcular el ángulo de visión de la cámara , se debe usar el tamaño del área activa del sensor. El área activa del sensor implica un área del sensor en la que se forma la imagen en un modo dado de la cámara. El área activa puede ser más pequeña que el sensor de imagen y el área activa puede diferir en diferentes modos de operación de la misma cámara. El tamaño del área activa depende de la relación de aspecto del sensor y la relación de aspecto de la imagen de salida de la cámara. El tamaño del área activa puede depender del número de píxeles en un modo dado de la cámara. El tamaño del área activa y la distancia focal de la lente determinan los ángulos de visión. ^[13]

Tamaño del sensor y efectos de sombreado

Los sensores de imagen de semiconductores pueden sufrir efectos de sombreado en aperturas grandes y en la periferia del campo de imagen, debido a la geometría del cono de luz proyectado desde la pupila de salida de la lente a un punto, o píxel, en la superficie del sensor. Catrysse y Wandell analizan en detalle los efectos. ^[14] En el contexto de esta discusión, el resultado más importante de lo anterior es que para garantizar una transferencia completa de energía luminosa entre dos sistemas ópticos acoplados, como la pupila de salida de la lente al fotorreceptor de un píxel, la extensión geométrica(también conocido como etendue o rendimiento de luz) del sistema de lente / píxel del objetivo debe ser menor o igual que la extensión geométrica del sistema de microlente / fotorreceptor. La extensión geométrica del sistema de lente / píxel del objetivo viene dada por

${\displaystyle G_{\mathrm {objective} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}}$,

donde w _píxel es el ancho del píxel y (f / #) _objetivo es el número f de la lente del objetivo. La extensión geométrica del sistema de microlentes / fotorreceptores viene dada por

${\displaystyle G_{\mathrm {pixel} }\simeq {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{2{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}}$,

donde w _{fotorreceptor} es el ancho del fotorreceptor y (f / #) _microlente es el número f de las microlentes.

Entonces, para evitar el sombreado,

${\displaystyle G_{\mathrm {pixel} }\geq G_{\mathrm {objective} }}$, por lo tanto ${\displaystyle {\frac {w_{\mathrm {photoreceptor} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }}}\geq {\frac {w_{\mathrm {pixel} }}{{(f/\#)}_{\mathrm {objective} }}}}$

Si w _{fotorreceptor} / w _píxel = ff , el factor de relleno lineal de la lente, entonces la condición se convierte en

${\displaystyle {(f/\#)}_{\mathrm {microlens} }\leq {(f/\#)}_{\mathrm {objective} }\times {\mathit {ff}}}$

Por tanto, si se quiere evitar el sombreado, el número f de las microlentes debe ser menor que el número f de la lente captadora en al menos un factor igual al factor de relleno lineal del píxel. El número f de las microlentes está determinado en última instancia por el ancho del píxel y su altura sobre el silicio, lo que determina su distancia focal. A su vez, esto viene determinado por la altura de las capas de metalización, también conocida como 'altura de pila'. Para una altura de pila determinada, el número f de las microlentes aumentará a medida que se reduzca el tamaño del píxel y, por lo tanto, el número f de la lente objetivo en el que se produce el sombreado tenderá a aumentar. Este efecto se ha observado en la práctica, como se registra en el artículo de DxOmark 'F-stop blues' ^[15]

Para mantener la cantidad de píxeles, los sensores más pequeños tenderán a tener píxeles más pequeños, mientras que al mismo tiempo se requieren números f de lentes de objetivo más pequeños para maximizar la cantidad de luz proyectada en el sensor. Para combatir el efecto discutido anteriormente, los píxeles de formato más pequeño incluyen características de diseño de ingeniería para permitir la reducción en el número f de sus microlentes. Estos pueden incluir diseños de píxeles simplificados que requieren menos metalización, 'tubos de luz' construidos dentro del píxel para acercar su superficie aparente a la microlente y ' iluminación de la parte posterior ' en la que la oblea se adelgaza para exponer la parte posterior de los fotodetectores y la microlente. La capa se coloca directamente sobre esa superficie, en lugar de la parte frontal con sus capas de cableado. La efectividad relativa de estas estratagemas es discutida porAptina con cierto detalle. ^[dieciséis]

Formatos comunes de sensores de imagen

Tamaños de sensores utilizados en la mayoría de las cámaras digitales actuales en relación con un marco estándar de 35 mm.

Para cámaras de lentes intercambiables

Algunas DSLR, SLT y MILC / EVIL profesionales utilizan sensores de fotograma completo , equivalente al tamaño de un fotograma de una película de 35 mm.

La mayoría de las DSLR, SLT y MILC de nivel de consumidor utilizan sensores relativamente grandes, ya sea algo por debajo del tamaño de un fotograma de una película APS- C, con un factor de recorte de 1,5 a 1,6; o un 30% más pequeño que eso, con un factor de recorte de 2.0 (este es el sistema Four Thirds , adoptado por Olympus y Panasonic ).

A noviembre de 2013 ^[update]solo hay un modelo MILC equipado con un sensor muy pequeño, más típico de las cámaras compactas: la Pentax Q7 , con un sensor de 1 / 1,7 "(factor de recorte de 4,55). Ver Sensores que equipan cámaras digitales compactas y teléfonos con cámara sección siguiente.

En marketing se utilizan muchos términos diferentes para describir los formatos de sensor DSLR / SLT / MILC, incluidos los siguientes:

• Formato SLR digital de fotograma completo de área de 860 mm² , con dimensiones de sensor casi iguales a las de la película de 35 mm (36 × 24 mm) de Pentax , Panasonic , Leica , Nikon , Canon , Sony y anunciado en 2018 por Sigma como próximo.
• Formato APS-H de 548 mm² de área para el SD Quattro H sin espejo de gama alta de Sigma (factor de recorte 1,35)
• Formato estándar APS-C de área de 370 mm² de Nikon , Pentax , Sony , Fujifilm , Sigma (factor de recorte 1,5) (sin embargo, la película APS-C real es más grande).
• Formato más pequeño APS-C de área de 330 mm² de Canon (factor de recorte 1.6)
• Formato del sistema Micro Four Thirds de 225 mm² de área de Panasonic, Olympus, Black Magic y Polaroid (factor de recorte 2.0)
• 43 mm² de área 1 / 1.7 " Pentax Q7 (factor de recorte de 4.55)

Los tamaños de sensor obsoletos y fuera de producción incluyen:

• 548 mm² área Leica 's M8 y M8.2 sensor (factor de recorte 1,33). Los sensores actuales de la serie M son efectivamente de fotograma completo (factor de recorte 1.0).
• 548 mm² área de Canon 's APS-H formato para las réflex digitales de nivel profesional de alta velocidad (factor de recorte 1.3). Los sensores actuales de la serie 1D / 5D son efectivamente de fotograma completo (factor de recorte 1.0).
• Formato de factor de recorte APS-C 1,5 de área de 370 mm² de Epson , Samsung NX, Konica Minolta .
• Formato Foveon X3 de 286 mm² de área utilizado en las DSLR de la serie Sigma SD y sin espejo de la serie DP (factor de recorte 1,7). Los modelos posteriores como SD1 , DP2 Merrill y la mayoría de la serie Quattro utilizan un sensor Foveon de factor de recorte 1,5; el aún más reciente Quattro H sin espejo utiliza un sensor APS-H Foveon con un factor de recorte de 1,35.
• Formato del sistema Four Thirds de 225 mm² de área de Olympus (factor de recorte 2.0)
• Área de 116 mm² Formato Nikon CX de 1 " utilizado en la serie Nikon 1 ^[17] y la serie Samsung mini-NX (factor de recorte 2,7)
• Área de 30 mm² 1 / 2,3 " Pentax Q original (factor de recorte de 5,6). Las cámaras de la serie Q actuales tienen un factor de recorte de 4,55.

Cuando se introdujeron por primera vez los sensores de fotograma completo , los costos de producción podían exceder veinte veces el costo de un sensor APS-C. Solo se pueden producir veinte sensores de fotograma completo en una oblea de silicio de 20 cm (8 pulgadas) , que se ajusta a 100 o más sensores APS-C, y hay una reducción significativa en el rendimiento debido a la gran área de contaminantes por componente. Además, la fabricación del sensor de fotograma completo originalmente requería tres exposiciones separadas durante la etapa de fotolitografía , que requiere máscaras y pasos de control de calidad separados. Canon seleccionó el tamaño APS-H intermedio , ya que en ese momento era el más grande que se podía modelar con una sola máscara, lo que ayudaba a controlar los costos de producción y administrar los rendimientos.^[18] Los equipos de fotolitografía más nuevos ahora permiten exposiciones de un solo paso para sensores de fotograma completo, aunque otras restricciones de producción relacionadas con el tamaño siguen siendo las mismas.

Debido a las limitaciones siempre cambiantes de la fabricación y el procesamiento de semiconductores , y debido a que los fabricantes de cámaras a menudo obtienen sensores de fundiciones de terceros , es común que las dimensiones de los sensores varíen ligeramente dentro del mismo formato nominal. Por ejemplo, los sensores de fotograma completo nominal de las cámaras Nikon D3 y D700 miden en realidad 36 × 23,9 mm, un poco más pequeño que un fotograma de 36 × 24 mm de película de 35 mm. Como otro ejemplo, el sensor de la Pentax K200D (fabricado por Sony ) mide 23,5 × 15,7 mm, mientras que el sensor de la K20D contemporánea (fabricado por Samsung ) mide 23,4 × 15,6 mm.

La mayoría de estos formatos de sensor de imagen se aproximan a la relación de aspecto 3: 2 de una película de 35 mm. Una vez más, el sistema Four Thirds es una excepción notable, con una relación de aspecto de 4: 3 como se ve en la mayoría de las cámaras digitales compactas (ver más abajo).

Sensores más pequeños

La mayoría de los sensores están hechos para teléfonos con cámara, cámaras digitales compactas y cámaras puente. La mayoría de los sensores de imagen que equipan cámaras compactas tienen una relación de aspecto de 4: 3. Esto coincide con la relación de aspecto de las resoluciones de pantalla populares SVGA , XGA y SXGA en el momento de las primeras cámaras digitales, lo que permite que las imágenes se muestren en monitores habituales sin recortar.

En diciembre de 2010, la ^[update]mayoría de las cámaras digitales compactas utilizaban sensores pequeños de 1 / 2,3 ". Entre estas cámaras se incluyen la Canon Powershot SX230 IS, Fuji Finepix Z90 y Nikon Coolpix S9100. Algunas cámaras digitales más antiguas (en su mayoría de 2005-2010) utilizaban incluso 1 / 2,5" más pequeñas sensores: estos incluyen Panasonic Lumix DMC-FS62, Canon Powershot SX120 IS, Sony Cyber-shot DSC-S700 y Casio Exilim EX-Z80.

A partir de 2018, las cámaras compactas de gama alta que utilizan sensores de una pulgada que tienen casi cuatro veces el área de las que equipan compactos comunes incluyen Canon PowerShot G-series (G3 X a G9 X), Sony DSC RX100 series, Panasonic Lumix TZ100 y Panasonic DMC- LX15. Canon tiene un sensor APS-C en su modelo superior PowerShot G1 X Mark III.

Durante muchos años, hasta septiembre de 2011, existió una brecha entre los tamaños de los sensores de las cámaras digitales compactas y DSLR. El eje x es un conjunto discreto de tamaños de formato de sensor que se utilizan en cámaras digitales, no un eje de medición lineal.

Finalmente, Sony tiene las cámaras DSC-RX1 y DSC-RX1R en su línea, que tienen un sensor de fotograma completo que generalmente solo se usa en DSLR, SLT y MILC profesionales.

Debido a las limitaciones de tamaño de los potentes objetivos de zoom, la mayoría de las cámaras puente actuales tienen sensores de 1 / 2,3 ", tan pequeños como los que se utilizan en las cámaras más compactas comunes. Como los tamaños de las lentes son proporcionales al tamaño del sensor de imagen, los sensores más pequeños permiten grandes cantidades de zoom con Lentes de tamaño moderado En 2011, la Fujifilm X-S1 de gama alta estaba equipada con un sensor de 2/3 "mucho más grande. En 2013-2014, tanto Sony ( Cyber-shot DSC-RX10 ) como Panasonic ( Lumix DMC-FZ1000 ) produjeron cámaras puente con sensores de 1 ".

Los sensores de los teléfonos con cámara suelen ser mucho más pequeños que los de las cámaras compactas típicas, lo que permite una mayor miniaturización de los componentes eléctricos y ópticos. Los tamaños de sensor de alrededor de 1/6 "son comunes en teléfonos con cámara, cámaras web y videocámaras digitales . El sensor de 1 / 1.83" del Nokia N8 fue el más grande en un teléfono a fines de 2011. El Nokia 808 supera a las cámaras compactas con sus 41 millones de píxeles , Sensor de 1 / 1.2 ". ^[19]

Sensores digitales de formato medio

Los sensores digitales más grandes de las cámaras disponibles comercialmente se describen como de formato medio , en referencia a formatos de película de dimensiones similares. Aunque la película tradicional de formato medio de 120 por lo general tenía un lado con una longitud de 6 cm (la otra variaba de 4,5 a 24 cm), los tamaños de sensor digital más comunes que se describen a continuación son aproximadamente 48 mm × 36 mm (1,9 pulg. × 1,4 pulg.), Que es aproximadamente el doble del tamaño de un formato de sensor SLR digital de fotograma completo.

Los sensores CCD disponibles incluyen el respaldo digital P65 + de Phase One con el sensor de 53,9 mm × 40,4 mm (2,12 pulg. × 1,59 pulg.) De Dalsa que contiene 60,5 megapíxeles ^[20] y la cámara réflex digital "S-System" de Leica con una cámara de 45 mm × 30 Sensor de mm (1,8 pulg. × 1,2 pulg.) que contiene 37 megapíxeles. ^[21] En 2010, Pentax lanzó la DSLR de formato medio 645D de 40MP con un sensor CCD de 44 mm × 33 mm (1,7 pulgadas × 1,3 pulgadas); ^{[22] Los} modelos posteriores de la serie 645 mantuvieron el mismo tamaño de sensor pero reemplazaron el CCD con un sensor CMOS. En 2016, Hasselblad anunció la X1D, una cámara sin espejo de formato medio de 50MP , con un sensor CMOS de 44 mm × 33 mm (1,7 pulgadas × 1,3 pulgadas). ^[23]A finales de 2016, Fujifilm también anunció su nueva entrada al mercado de formato medio Fujifilm GFX 50S , sin espejo , con un sensor CMOS de 43,8 mm × 32,9 mm (1,72 pulgadas × 1,30 pulgadas) y 51,4 MP.^{[24] [25]}

Tabla de formatos y tamaños de sensores

Los tamaños de los sensores se expresan en anotación en pulgadas porque en el momento de la popularización de los sensores de imágenes digitales se usaban para reemplazar los tubos de las cámaras de video . Los tubos de cámara de video circulares comunes de 1 "de diámetro exterior tienen un área fotosensible rectangular de aproximadamente 16 mm en la diagonal, por lo que un sensor digital con un tamaño de diagonal de 16 mm es equivalente a un tubo de video de 1". El nombre de un sensor digital de 1 "debe leerse con mayor precisión como sensor" equivalente a un tubo de cámara de video de una pulgada ". Los descriptores de tamaño del sensor de imagen digital actual son el tamaño de equivalencia del tubo de la cámara de video, no el tamaño real del sensor. Por ejemplo, un El sensor de 1 "tiene una medida diagonal de 16 mm. ^{[26] [27]}

Los tamaños a menudo se expresan como una fracción de pulgada, con un uno en el numerador y un número decimal en el denominador. Por ejemplo, 1 / 2.5 se convierte en 2/5 como una fracción simple o 0.4 como un número decimal. Este sistema de "pulgadas" da un resultado de aproximadamente 1,5 veces la longitud de la diagonal del sensor. Esta medida de " formato óptico " se remonta a la forma en que se expresaban los tamaños de imagen de las cámaras de video utilizadas hasta finales de la década de 1980, refiriéndose al diámetro exterior de la envoltura de vidrio del tubo de la cámara de video . David Pogue de The New York Timesafirma que "el tamaño real del sensor es mucho más pequeño de lo que publican las empresas de cámaras, aproximadamente un tercio más pequeño". Por ejemplo, una cámara que anuncia un sensor de 1 / 2,7 "no tiene un sensor con una diagonal de 0,37"; en cambio, la diagonal está más cerca de 0.26 ". ^{[28] [29] [30]} En lugar de" formatos ", estos tamaños de sensor a menudo se denominan tipos , como en" CCD de tipo 1/2 pulgada ".

Debido a que los formatos de sensor basados ​​en pulgadas no están estandarizados, sus dimensiones exactas pueden variar, pero las enumeradas son típicas. ^[29] Las áreas de sensores enumeradas abarcan más de un factor de 1000 y son proporcionales a la máxima colección posible de luz y resolución de imagen (misma velocidad de lente , es decir, número F mínimo ), pero en la práctica no son directamente proporcionales al ruido de la imagen. o resolución debido a otras limitaciones. Ver comparaciones. ^{[31] [32]} También se incluyen los tamaños de formato de película, a modo de comparación. Es posible que los ejemplos de aplicaciones de teléfono o cámara no muestren los tamaños exactos de los sensores.

Escribe	Diagonal (mm)	Ancho (mm)	Altura (mm)	Relación de aspecto	Área (mm²)	Paradas (área) [33]	Factor de cosecha [34]
1/10 "	1,60	1,28	0,96	4: 3	1,23	-9,46	27.04
1/8 "	2,00	1,60	1,20	4: 3	1,92	-8,81	21,65
1/6 "(Panasonic SDR-H20, SDR-H200)	3,00	2,40	1,80	4: 3	4.32	-7,64	14.14
1/4 " [35]	4.50	3,60	2,70	4: 3	9,72	-6,47	10,81
1 / 3.6 "( Nokia Lumia 720 ) [36]	5,00	4,00	3,00	4: 3	12,0	-6,17	8,65
1 / 3,2 "( iPhone 5 ) [37]	5,68	4.54	3,42	4: 3	15,50	-5,80	7,61
Sony EXMOR IMX351 de 1 / 3,09 " [38]	5,82	4.66	3,5	4: 3	16,3	-5,73	7,43
Standard película 8 mm marco	5,94	4.8	3,5	11: 8	16,8	-5,68	7.28
1/3 "( iPhone 5S , iPhone 6 , LG G3 [39] )	6,00	4,80	3,60	4: 3	17.30	-5,64	7.21
Sony EXMOR IMX322 de 1 / 2,9 " [40]	6.23	4,98	3,74	4: 3	18,63	-5,54	6,92
1 / 2,7 "	6,72	5.37	4.04	4: 3	21,70	-5,32	6.44
Súper película 8 mm marco	7.04	5.79	4.01	13: 9	23.22	-5,22	6.15
1 / 2.5 "( Nokia Lumia 1520 , Sony Cyber-shot DSC-T5 , iPhone XS [41] )	7.18	5.76	4.29	4: 3	24,70	-5,13	6.02
1 / 2,3 "( Pentax Q , Sony Cyber-shot DSC-W330, GoPro HERO3, Panasonic HX-A500, Google Pixel / Pixel +, DJI Phantom 3 [42] / Mavic 2 Zoom [43] ), Nikon P1000 / P900	7,66	6.17	4.55	4: 3	28,50	-4,94	5,64
Sony Exmor IMX220 de 1 / 2,3 " [44]	7,87	6.30	4,72	4: 3	29,73	-4,86	5.49
1/2 "( Fujifilm HS30EXR , Xiaomi Mi 9 , OnePlus 7 , Espros EPC 660, DJI Mavic Air 2)	8.00	6,40	4,80	4: 3	30,70	-4,81	5.41
1 / 1.8 "( Nokia N8 ) (Olympus C-5050, C-5060, C-7070)	8,93	7.18	5.32	4: 3	38,20	-4,50	4.84
1 / 1.7 "( Pentax Q7 , Canon G10, G15, Huawei P20 Pro , Huawei P30 Pro , Huawei Mate 20 Pro )	9,50	7.60	5.70	4: 3	43.30	-4,32	4.55
1 / 1,6 "(Fujifilm f200exr [2] )	10.07	8.08	6.01	4: 3	48,56	-4,15	4.30
2/3 "( Nokia Lumia 1020 , Fujifilm X-S1 , X20, XF1)	11.00	8.80	6,60	4: 3	58,10	-3,89	3,93
1 / 1.33 "( Samsung Galaxy S20 Ultra ) [45]	12	9,6	7.2	4: 3	69.12	-3,64	3,58
Standard película 16 mm marco	12,70	10,26	7,49	11: 8	76,85	-3,49	3,41
1 / 1.2 "( Nokia 808 PureView )	13,33	10,67	8.00	4: 3	85,33	-3,34	3,24
1 / 1.12 "( Xiaomi Mi 11 Ultra )	14.29	11.43	8.57	4: 3	97,96	???	3,03
Blackmagic Pocket Cinema Camera y Blackmagic Studio Camera	14.32	12.48	7.02	16: 9	87,6	-3,30	3,02
Súper película 16 mm marco	14.54	12.52	7,41	5: 3	92,80	-3,22	2,97
Nikon CX de 1 " , Sony RX100 y RX10 y ZV1 , Samsung NX Mini	15,86	13.20	8.80	3: 2	116	-2,89	2,72
Bolex digital d16 de 1 "	16.00	12.80	9.60	4: 3	123	-2,81	2,70
Sony IMX253 de 1,1 " [46]	17,46	14.10	10.30	11: 8	145	-2,57	2,47
Cámara de cine Blackmagic EF	18.13	15,81	8,88	16: 9	140	-2,62	2,38
Cámara Blackmagic Pocket Cinema 4K	21.44	18,96	10	19:10	190	-2,19	2.01
Cuatro tercios , micro cuatro tercios ("4/3", "m4 / 3")	21,60	17.30	13	4: 3	225	-1,94	2,00
Cámara de producción Blackmagic / URSA / URSA Mini 4K	24,23	21.12	11,88	16: 9	251	-1,78	1,79
Canon PowerShot G1 X Mark II de 1,5 "	23,36	18,70	14	4: 3	262	-1,72	1,85
Tecniscopio de 2 perf. De "35 mm"	23,85	21,95	9.35	7: 3	205,23	-2,07	1,81
Sigma Foveon X3 original	24,90	20,70	13.80	3: 2	286	-1,60	1,74
RED DRAGON 4.5K (CUERVO)	25,50	23.00	10.80	19: 9	248,4	-1,80	1,66
"Super 35 mm" 2 Perf	26.58	24,89	9.35	8: 3	232,7	-1,89	1,62
Canon EF-S , APS-C	26,82	22.30	14,90	3: 2	332	-1,38	1,61
Fotograma de película estándar de 35 mm (película)	27.20	22,0	16,0	11: 8	352	-1,30	1,59
Blackmagic URSA Mini / Pro 4.6K	29	25,34	14.25	16: 9	361	-1,26	1,49
APS-C ( Sony α , Sony E , Nikon DX , Pentax K , Samsung NX , Fuji X )	28,2-28,4	23,6-23,7	15.60	3: 2	368–370	-1,23 a -1,22	1,52–1,54
Película super 35 mm 3 perf	28,48	24,89	13,86	9: 5	344,97	-1,32	1,51
DRAGÓN ROJO 5K S35	28,9	25,6	13,5	17: 9	345,6	-1,32	1,49
Película super 35 mm 4 perf	31.11	24,89	18,66	4: 3	464	-0,90	1,39
Canon APS-H	33,50	27,90	18.60	3: 2	519	-0,74	1,29
ARRI ALEV III ( ALEXA SXT , ALEXA MINI , AMIRA), HELIO ROJO 8K S35	33,80	29,90	15,77	17: 9	471,52	-0,87	1,28
DRAGÓN ROJO 6K S35	34,50	30,7	15,8	35:18	485.06	-0,83	1,25
Película de 35 mm de fotograma completo ( Canon EF , Nikon FX , Pentax K-1 , Sony α , Sony FE , Leica M )	43,1–43,3	35,8–36	23,9-24	3: 2	856–864	0	1.0
ARRI ALEXA LF	44,71	36,70	25.54	13: 9	937,32	+0,12	0,96
MONSTRO ROJO 8K VV, Panavision Millenium DXL2	46,31	40,96	21,60	17: 9	884,74	+0.03	0,93
Leica S	54	45	30	3: 2	1350	+0,64	0,80
Pentax 645D , Hasselblad X1D-50c, CFV-50c, Fuji GFX 50S	55	44	33	4: 3	1452	+0,75	0,78
Fotograma de película estándar de 65 mm	57.30	52,48	23.01	7: 3	1208	+0.48	0,76
ARRI ALEXA 65	59,86	54.12	25.58	19: 9	1384,39	+0,68	0,72
CCD Kodak KAF 39000 [47]	61.30	49	36,80	4: 3	1803	+1.06	0,71
Hoja AFi 10	66,57	56	36	14: 9	2016	+1,22	0,65
Formato medio ( Hasselblad H5D-60) [48]	67.08	53,7	40,2	4: 3	2159	+1,32	0,65
Fase uno P 65+ , IQ160, IQ180	67,40	53,90	40,40	4: 3	2178	+1,33	0,64
Formato medio 6 × 4,5 cm (también llamado formato 645 )	70	42	56	3: 4	2352	+1,44	0,614
Formato medio 6 × 6 cm	79	56	56	1: 1	3136	+1,86	0.538
Fotograma de película IMAX	87,91	70,41	52,63	4: 3	3706	+2,10	0,49
Formato medio 6 × 7 cm	89,6	70	56	5: 4	3920	+2,18	0,469
Formato medio 6 × 8 cm	94,4	76	56	3: 4	4256	+2.30	0,458
Formato medio 6 × 9 cm	101	84	56	3: 2	4704	+2.44	0,43
Película de gran formato de 4 × 5 pulgadas	150	121	97	5: 4	11737	+3,76	0,29
Película de gran formato de 5 × 7 pulgadas	210	178	127	7: 5	22606	+4,71	0,238
Película de gran formato de 8 × 10 pulgadas	300	254	203	5: 4	51562	+5,90	0,143

Ver también

• SLR digital de fotograma completo
• Tamaño del sensor y ángulo de visión
• Distancia focal equivalente a 35 mm
• Formato de película
• Fotografía digital versus cinematográfica
• Lista de cámaras de video de lentes intercambiables con sensor grande
• Lista de sensores utilizados en cámaras digitales
• Punto de vista
• Factor de cultivo
• Campo de visión

notas y referencias

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33. Definido aquí como el número equivalente de paradas perdidas (o ganadas, si es positivo) debido al área del sensor en relación con un cuadro completo de 35 (36 × 24 mm). Calculado como${\displaystyle Stops=\log _{2}\left({\frac {Area_{sensor}}{Area_{35mm}}}\right)}$
34. Definido aquí como la relación entre la diagonal de un fotograma completo de 35 y la del formato del sensor, es decir.${\displaystyle CF={\frac {diag_{35mm}}{diag_{sensor}}}}$
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enlaces externos

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• Simon Tindemans: parámetros fotográficos alternativos: un enfoque independiente del formato en la caja de zapatos del siglo XXI
• Modos de cámara compacta con ISO alto: separando los hechos del bombo publicitario en dpreview.com, mayo de 2007
• El mejor compromiso para una cámara compacta es un sensor con 6 millones de píxeles o mejor, un sensor con un tamaño de píxel de> 3μm en 6mpixel.org