이미지 센서 형식

디지털 사진술에서 이미지 센서 형식은 이미지 센서의 모양과 크기입니다.

디지털 카메라의 이미지 센서 형식은 특정 센서와 함께 사용할 때 특정 렌즈의 화각을 결정합니다.많은 디지털 카메라의 이미지 센서는 풀프레임 35mm 카메라의 24mm x 36mm 이미지 영역보다 작기 때문에 주어진 초점 거리의 렌즈는 이러한 카메라에서 좁은 시야를 제공합니다.

센서 크기는 종종 광학 형식으로 인치 단위로 표시됩니다.다른 측정값도 사용됩니다. 아래의 센서 형식 및 크기 표를 참조하십시오.

35mm 필름 카메라용으로 제작된 렌즈는 디지털 본체에 잘 장착될 수 있지만, 35mm 시스템 렌즈의 이미지 원이 크면 원치 않는 빛이 카메라 본체에 들어오게 되고, 35mm 필름 형식에 비해 이미지 센서의 크기가 작으면 이미지가 잘립니다.이 후자의 효과를 시야 자르기라고 합니다.형식 크기 비율(35mm 필름 형식에 상대적)은 시야 크롭 계수, 크롭 계수, 렌즈 계수, 초점 길이 변환 계수, 초점 길이 승수 또는 렌즈 승수로 알려져 있습니다.

센서 크기 및 필드 깊이

필드 깊이에 관한 기사에서 도출된 공식을 적용하여 형식 간에 가능한 세 가지 필드 깊이 비교가 논의된다.3개의 카메라의 필드 깊이는 비교에서 일정하게 유지되는 항목에 따라 같거나 어느 순서로나 다를 수 있습니다.

피사체 거리와 화각이 동일한 두 가지 형식의 사진을 고려합니다.

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

따라서 DOF는 절대 개구 $직경{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {d\mathrm{}}_{}}$ 1$({$${\displaystyle {displaystyle}_{}}$ $d_$${$1$})$ 및 d 2$({$displaystyle $d_{2$에 반비례합니다.

"동일한 화각" 기준(같은 화각, 동일한 최종 크기로 확대)으로 두 형식에 동일한 절대 조리개 직경을 사용하면 동일한 필드 깊이를 얻을 수 있습니다.이는 크롭 팩터에 반비례하여 f-number를 조정하는 것과 같습니다. 즉, 작은 센서의 경우 f-number가 작습니다(이것은 또한 셔터 속도를 고정할 때 필드 깊이를 균등화하는 데 필요한 f-number의 조정에 의해 노출이 변경됨을 의미합니다.하지만 조리개 영역은 일정하게 유지되기 때문에 모든 크기의 센서가 피사체로부터 동일한 양의 빛 에너지를 받습니다.작은 센서는 크롭 팩터의 제곱만큼 낮은 ISO 설정으로 작동합니다.동일한 시야, 동일한 깊이, 동일한 조리개 직경 및 동일한 노출 시간의 조건을 "등가성"^[1]이라고 합니다.

또한 동일한 광도 노출을 받는 센서의 필드 깊이를 비교할 수 있습니다(개구 직경 대신 f-번호가 고정됨). 이 경우 센서는 동일한 ISO 설정에서 작동하지만 작은 센서는 면적비로 총 빛을 덜 받습니다.필드 깊이의 비율은 다음과 같습니다.

$({displaystyle {frac {DOF} _ {2}} {\mathrm {DOF} _ {1} } \ about { frac { l _ { l _ {2} } )$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 l 1$({$ 및$$ $l{\displaystyle {}_{}}$({$displaystyle l_{2})$는 포맷의 고유 치수이며, $따라서{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {l\mathrm{}}_{}}$1/${\displaystyle {l\mathrm{}}_{}}$ 2$({$})는$$ 센서 간의 상대적 크롭 계수입니다.이는 작은 센서가 큰 센서보다 더 깊은 시야를 제공한다는 공통된 의견을 낳는 결과다.

대안은 동일한 렌즈가 다른 크기의 센서와 함께 제공하는 시야 깊이를 고려하는 것입니다(시야각 변경).필드 깊이의 변화는 동일한 최종 이미지 크기를 얻기 위해 다른 수준의 확장이 필요하기 때문에 발생합니다.이 경우 필드 깊이의 비율은

${\displaystyle \frac{{\mathrm{D}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{O}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{}}_{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{{\mathrm{D}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{O}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{}}_{}}{}}$ 1${\displaystyle \frac{{}_{}}{}l\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{l\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{l\mathrm{}}_{}}{}}$1 { $displaystyle${$frac${$DOF }$ } { \$mathrm$ { $DOF$} { { { } } \ $。$약 { $frac${ $l _$ { 2} } { $l$_ { $}$} 。

실제로 초점 거리와 조리개가 고정된 렌즈를 적용하고 큰 센서의 요구 사항을 충족하는 이미지 원을 위해 만들어진 렌즈는 물리적 특성을 변경하지 않고 더 작은 센서 크기로 조정해야 하며, 필드 깊이 또는 광 $채집{\displaystyle \mathrm{}}$ l ${\displaystyle \mathrm{x}}$ $=$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{l}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{m\mathrm{}}^{}}{}}$2 \$displaystyle$\mathrm ${lx$=,{\displaystyle \m\mathrm {lx=,{,{}},{}},{{}}{}}},},},},\displaystycllseturn}, 물리적 특성을 변경하지 않아야 한다.$\frac {lm}$ {$m^{2}}}}$이$($가) 변경됩니다.

센서 크기, 노이즈 및 다이내믹 레인지

본질적으로 센서 크기에 의존하지 않는 Photo Response Non-Uniformity(PRNU; 광응답 불균일성) 및 다크 노이즈 변동을 할인하여 이미지 센서의 노이즈는 샷 노이즈, 읽기 노이즈 및 다크 노이즈입니다.신호 전자 및 다크 전자의 포아송 분포에서 샷 노이즈를 가정하여 단일 픽셀의 척도로 관측된 전자에서 rms 노이즈에 상대적인 신호 전자로 표현되는 센서(SNR)의 전체 신호 대 노이즈 비는 다음과 같다.

$\displaystyle \mathrm {SNR} = specfrac {PQ_{e}t} {\sqrt {PQ_{e}t}} \ right } + \ left ( {\sqrt {Dt}} \ right } = {\sqrt {\r} FRAC {\}$

$여기$서$$P({$displaystyle$ P$}$는 입사 광자속(픽셀 면적에서 초당 포토 수), $({$})는 양자 효율, t$({displaystyle$ t$})$는 노출 $,$ D({$displaystyle$ D$}$는 초당 픽셀 암전류, ${\displaystyle N_{}}${$r})$는 P(픽셀 암전류)입니다.ixel은 노이즈를 전자 ^[2]rms 단위로 읽습니다.

이러한 소음은 센서 크기에 따라 달라집니다.

노출 및 광자속

이미지 센서 노이즈는 특정 픽셀 영역당 고정 광자속(공식 중 P)에 대한 포맷 간에 비교할 수 있습니다.이 분석은 픽셀 면적이 센서 영역에 비례하는 고정 픽셀 수와 필드 깊이, 피사체에서의 회절 한계 등의 관점에서 고정 이미징 상황에서 고정 절대 개구 직경이 있는 고정 픽셀 수에 유용합니다.또는 고정 f-숫자에 대응하는 고정 초점면 조도와 비교할 수 있습니다.이 경우 P는 센서 면적과 무관하게 픽셀 면적에 비례합니다.위의 공식과 아래의 공식은 어느 경우든 평가할 수 있습니다.

샷 노이즈

상기 식에서 샷 노이즈 SNR은 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{Q_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\sqrt{e_{}}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\sqrt{{}_{}}}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \sqrt{{}_{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{Q_{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{{}_{}}}$ t$$t \ $displaystyle { frac$ { PQ$_${ e$$} t } { \ $sqrt${$PQ$_ { $e$} t } =$sqrt$ { PQ _$${$e$} t$}$} = pQrt { PQ _ { { e } t} } 。

양자 효율과는 별도로 입사 광자속과 노출 시간에 따라 달라지는데, 노출 시간은 노출 및 센서 영역에 해당합니다. 노출 시간은 이미지 평면 조도에 곱한 통합 시간이고 조도는 단위 면적당 광속이기 때문입니다.따라서 동일한 노출의 경우, 동일한 양자 효율성과 픽셀 수를 가진 두 개의 서로 다른 크기 센서의 신호 대 노이즈 비율은(특정 최종 이미지 크기에 대해) 센서 영역의 제곱근(또는 센서의 선형 스케일 계수)에 비례합니다.노출이 필요한 필드 깊이(동일한 셔터 속도)를 달성해야 하는 필요성에 의해 제한되는 경우 노출은 센서 영역에 반비례하여 필드 깊이가 구속인 경우 촬상 노이즈가 센서 영역에 의존하지 않는다는 흥미로운 결과를 생성한다.동일한 f-숫자 렌즈의 경우 신호 대 노이즈비는 픽셀 영역의 제곱근에 따라 증가하거나 픽셀 피치에 따라 선형으로 증가합니다.휴대폰용 렌즈와 DSLR용 렌즈의 일반적인 f-number는 f/1.5-f/2 범위가 같아 카메라 성능을 소형과 대형 센서로 비교하는 것도 흥미롭다.일반적인 화소 크기 1.1μm(삼성 A8)의 좋은 휴대폰 카메라는 3.7μm 화소 교환식 렌즈 카메라(파나소닉 G85)보다 약 3배, 6μm 풀프레임 카메라(소니 A7 III)보다 5배 이상 SNR이 나빠진다.동적 범위를 고려하면 차이가 더욱 두드러집니다.이처럼 최근 10년간 휴대전화 카메라의 메가픽셀이 늘어난 것은 화질 개선보다는 더 많은 메가픽셀을 판매하려는 마케팅 전략에서 비롯됐다.

읽기 노이즈

판독 노이즈는 센서 어레이의 픽셀에 대한 변환 체인 내의 모든 전자 노이즈의 합계입니다.이를 광자 노이즈와 비교하기 위해서는 광전자 단위의 동등한 값으로 다시 참조해야 하며, 이는 픽셀의 변환 이득으로 볼트로 측정된 노이즈를 나눗셈해야 한다.액티브 픽셀 센서의 경우 판독 트랜지스터의 입력(게이트)에서 전압을 해당 전압을 생성하는 전하(${\displaystyle C}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle V_{}r{}_{}}$ t / ${\displaystyle Q_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ t$${ $displaystyle$ CG$=V_{$rt$}/Q_{rt$로 나눈 값입니다.이는 $캐패시턴스{\displaystyle }$ C ${\displaystyle =Q}$ /$$ (\$displaystyle$ C$=Q/V$^[3] 이후 판독 트랜지스터 게이트의 캐패시턴스(및 연결된 부동 확산)의 역수입니다. 따라서 ${\displaystyle C}$ G ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 1}$/ ${\displaystyle C{}_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ \$displaystyle$ CG $= 1$ / $C_{rt$

일반적으로 화소와 같은 평면 구조의 경우 캐패시턴스는 면적에 비례하기 때문에 읽기 노이즈는 센서 면적에 따라 축소되고 화소 면적이 센서 면적에 따라 축소되며, 이 스케일링은 화소를 균일하게 스케일링함으로써 이루어진다.

특정 노출에서 읽기 노이즈로 인한 신호 대 노이즈 비율을 고려할 때 신호는 읽기 노이즈와 함께 센서 영역에 따라 확장되므로 읽기 노이즈 SNR은 센서 영역의 영향을 받지 않습니다.필드 제약 상황의 깊이에서는 센서 면적에 비례하여 더 큰 센서의 노출이 감소하므로 읽기 노이즈 SNR도 감소합니다.

어두운 노이즈

다크 전류는 두 가지 종류의 노이즈를 발생시킵니다. 다크 오프셋은 픽셀 간에 일부만 상관되어 있고, 다크 오프셋은 픽셀 간에 상관되어 있지 않습니다.상기 식에는 암오프셋의 상관하지 않은 부분은 예측하기 어렵고 상관된 부분 또는 평균 부분은 비교적 감산하기 쉽기 때문에 샷노이즈 성분 Dt만이 포함된다.평균 암전류는 포토다이오드의 ^[4]면적과 선형 치수 모두에 비례하는 기여도를 포함하며, 포토다이오드의 설계에 따라 상대적인 비율과 스케일 팩터가 결정된다.따라서 일반적으로 센서의 어두운 노이즈는 센서의 크기가 커짐에 따라 증가할 것으로 예상됩니다.그러나 대부분의 센서에서 정상 온도에서 평균 픽셀 암전류는 50 ^[5]e-/s보다 작기 때문에 일반적인 사진 노출 시간의 암전류 및 관련 노이즈는 무시할 수 있다.그러나 매우 긴 노출 시간에는 제한 요인이 될 수 있습니다.또한 짧은 노출 시간이나 중간 노출 시간에도 암전류 분포의 몇 가지 특이치가 "핫 픽셀"로 표시될 수 있습니다.일반적으로 천체 사진 애플리케이션의 경우 센서는 수백 초 만에 노출이 측정될 수 있는 상황에서 암전류를 줄이기 위해 냉각됩니다.

다이내믹 레인지

동적 범위는 기록 가능한 최대 및 최소 신호의 비율로, 가장 작은 신호는 일반적으로 '노이즈 플로어'에 의해 정의됩니다.이미지 센서 문헌에서, 그 소음이 바닥은 판독 잡음 같은, 그래서 찍은 사진이다 DR)Qmax/σ 판독{\displaystyle DR=Q_{\text{맥스}}/\sigma _{\text{판독}}}[6](노트, 읽기 소음σ re d입니다 너지{\displaystyle \sigma_{판독}} 같은 것으로 Nr{\displaystyle N_{r}}에 언급한.sNR 계산^[2]).

센서 크기 및 회절

모든 광학계의 분해능은 회절에 의해 제한된다.회절이 다른 크기의 센서를 사용하는 카메라에 미치는 영향을 고려하는 한 가지 방법은 변조 전송 함수(MTF)를 고려하는 것입니다.회절은 시스템 전체의 MTF에 기여하는 요인 중 하나입니다.다른 요인으로는 일반적으로 렌즈의 MTF, 안티에이리어싱 필터 및 센서샘플링 ^[7]윈도우가 있습니다.렌즈 개구부를 통한 회절로 인한 공간 차단 주파수는 다음과 같습니다.

${\displaystyle \xi _{\mathrm {flac}}=blac {1}{\displayda N}}$

여기서 θ는 시스템을 통과하는 빛의 파장이고 N은 렌즈의 f-number입니다.만약 그 조리개가 (대략) 대부분의 사진 조리개처럼 원형이라면, MTF는 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle \mathrm {MTF} \left\frac {\xi} {\mathrm {\xi} {\pi } = spec frac {2} {\pi } {\cos ^ {-1} \ frac {\xi } {\xi } \xi _ {\frac } \ right } \ frac }$

ξ<>;ξ c니한테 toff{\displaystyle \xi<>\xi_{\mathrm{차단}}}과ξ≥ ξ c니한테 toff{\displaystyle \xi \geq \xi_{\mathrm{차단}에 0{0\displaystyle}}}그 시스템 MTF의 회절 기반을 두고 인자[8]따라서ξ c니한테 toff{\displaystyle \xi_{\mathrm{cuto에 따라 감축할 것.페이지와 그 다음}}} 1$($같은 빛의 파장에 대해)에 따라 1/N($표시$방식 1/N$)$을 선택합니다.

센서 크기의 영향과 최종 이미지에 미치는 영향을 고려할 때 동일한 크기의 이미지를 얻기 위해 필요한 다른 배율을 고려해야 하며${\displaystyle ,}$ 그 결과 1/$($ 1$/{$C$$})의 배율이 추가되며, $여기$서 C$\$는 상대 크롭 계수이므로 전체 SC가 된다.$에일{\displaystyle \mathrm{}}$계수 1/($)${\$displaystyle$ 1$/(NC$ 위의 세 가지 경우를 고려:

동일한 화각 조건, 동일한 화각, 피사체 거리 및 피사체 깊이에서 F-number는 $비율{\displaystyle \mathrm{}}$1 /$$(\displaystyle$1/C$이므로 회절 MTF의 스케일 팩터는 1이므로 주어진 화질 깊이에서의 회절 MTF는 센서 크기와 무관하다는 결론을 도출할 수 있다.

「동일 광도 노광」과「동일 렌즈」의 어느 조건에서도, F수가 변화하지 않기 때문에, 센서상의 공간 컷오프와 그 결과 MTF는 변화하지 않고, 본 화상중의 MTF는 확대율 또는 크롭 팩터로 스케일 된다.

센서 형식 및 렌즈 크기

크롭 ^[9]팩터에 비례하여 동일한 설계를 스케일링함으로써 센서 크기 범위에 적합한 렌즈를 생산할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.이러한 연습은 이론적으로 F 번호와 시야각이 같고 크기가 센서 크롭 팩터에 비례하는 렌즈를 생산한다.실제로는 제조 공차의 비확장성, 다양한 크기의 유리 렌즈의 구조적 무결성, 사용 가능한 제조 기술과 비용과 같은 요소 때문에 렌즈 설계의 단순한 스케일이 항상 달성되는 것은 아니다.또한 이미지에서 절대적인 양의 정보(공간 대역폭^[10] 곱으로 측정 가능)를 동일하게 유지하려면 소형 센서용 렌즈가 더 큰 해상도를 필요로 합니다.Nasse는 '테사' 렌즈의 개발에 ^[11]대해 논의했으며, 크기가 작기 때문에 경제적으로 제조할 수 있는 8개의 극비구 표면을 가진 f/2.8 5.2mm 4원소 광학 렌즈로 원래의 3군 구성을 사용하여 플레이트 카메라용 f/6.3 렌즈에서 변환되는 모습을 보여 줍니다.성능은 '최고의 35mm 렌즈보다 우수하지만 매우 작은 이미지'입니다.

요약하면 센서 크기가 감소함에 따라 그에 따른 렌즈 설계는 종종 매우 근본적으로 변화하여 크기가 감소하여 사용할 수 있는 제조 기술을 활용할 수 있습니다.이러한 렌즈의 기능 또한 이러한 기능을 활용할 수 있으며, 극단적인 줌 범위가 가능해집니다.이러한 렌즈는 센서 크기에 비해 매우 크지만 소형 센서를 사용하여 소형 패키지에 장착할 수 있습니다.

작은 본체는 작은 렌즈, 작은 센서를 의미하기 때문에 스마트폰을 얇고 가볍게 유지하기 위해 스마트폰 제조사들은 보통 1/2 이하의 작은 센서를 사용한다.대부분의 브리지 카메라에서 사용되는 3인치.한때 Nokia 808 PureView만이 1/1을 사용했습니다.1/2 크기의 거의 3배인 2인치 센서.3인치 센서센서가 클수록 화질이 좋아지지만 센서 기술이 향상됨에 따라 센서가 작을수록 이전의 대형 센서보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있습니다.이러한 센서 테크놀로지의 진보에 의해, 스마트폰 제조원은 1/4 인치 정도의 작은 이미지 센서를 사용할 수 있게 되어, 예산 포인트나 촬영 ^[12]카메라에 비해 큰 화질을 희생하지 않게 됩니다.

센서의 활성 영역

카메라 시야각을 계산하려면 센서의 활성 영역 크기를 사용해야 합니다.센서의 활성 영역은 카메라의 지정된 모드에서 이미지가 형성되는 센서의 영역을 의미합니다.활성 영역은 이미지 센서보다 작을 수 있으며 활성 영역은 동일한 카메라의 작동 모드에 따라 다를 수 있습니다.활성 영역 크기는 센서의 석면비와 카메라 출력 이미지의 석면비에 따라 달라집니다.활성 영역 크기는 지정된 카메라 모드의 픽셀 수에 따라 달라질 수 있습니다.활성 영역 크기와 렌즈 초점 거리에 따라 ^[13]시야각이 결정됩니다.

센서 크기 및 음영 효과

반도체 이미지 센서는 렌즈의 출구 동공에서 센서 표면에 점 또는 픽셀로 투영되는 광원추의 형상에 의해 큰 개구부 및 이미지 필드의 주변부에서 음영 효과를 겪을 수 있다.그 효과 자세히 Catrysse과 Wandell .[14]이 위에서 가장 중요한 결과가 빛 에너지의 픽셀의 광수 용기에 렌즈를 출구 학생이 기하학적 범위(또한, 또는 밝은etendue 처리량으로 알려져) 같은 두 결합된 광학 시스템 간의 완전 이전하도록 보장하는 것은 이 논의의 맥락에서 논의된다. 의대물 렌즈/픽셀 시스템은 마이크로렌즈/감광체 시스템의 기하학적 범위보다 작거나 같아야 합니다.대물 렌즈/픽셀 시스템의 기하학적 범위는 다음과 같습니다.

$G$ ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ b ${\displaystyle {\mathrm{j}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{e}}_{}}$ c ${\displaystyle {\mathrm{t}}_{}}$ i ${\displaystyle {\mathrm{v}}_{}}$ e${\displaystyle {}_{}w\frac{{}_{}}{}}$ w ${\displaystyle \frac{{\mathrm{p}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{x}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{e}}_{}}{}}$ l${\displaystyle \frac{{}_{}}{2_{}}}$ (${\displaystyle \frac{{f\mathrm{}}_{}}{}}$/${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$# )${\displaystyle \frac{{\mathrm{o}}_{}}{}}$ b ${\displaystyle \frac{{\mathrm{e}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{c}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{t}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\mathrm{i}}_{}}{}}$ v$$ { \ $displaystyle$G _ ${$ \ $mathrm { pixel } }$ { $2 （$f / $\$ $#$ $）$ }$$、

여기서 은 픽셀의 폭이며 대물 렌즈의 f-번호입니다.마이크로렌즈/광수용체 시스템의 기하학적 범위는 다음과 같다.

${\displaystyle {G\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$