Tamanhos dos sensores das câmeras digitais

Esse artigo tem por objetivo responder a questão: como o tamanho do sensor de sua câmera influencia os diferentes tipos de fotografia? Sua escolha de tamanho de sensor é análoga a escolha entre os formatos de filme de câmera entre 35mm, média e grande – com algumas diferenças notáveis únicas da tecnologia digital. Muita confusão surge relacionada a esse assunto porque existem tantas opções diferentes de tamanhos, e muitas considerações em relação a profundidade de campo, ruído da imagem, difração, custo e tamanho/peso.

Visão geral dos tamanhos de sensores

Tamanhos de sensores atualmente tem muitas possibilidades, dependendo do uso, preço e portabilidade desejada. O tamanho relativo para a maioria dos sensores existentes é mostrado abaixo:

A série 1D/5D da Canon e a D3 da Nikon são os sensores mais comuns.  Câmeras Canon como a Rebel/60D/7D tem todas um fator de corte de 1.6X, enquanto câmeras mainstream Nikon SLR tem um fator de carte de 1.5X. O gráfico acima exclui o fator de corte de 1.3X, que é usado na série de câmeras 1D da Canon. Telefones com câmera e outras câmeras compactas usam tamanhos de sensor na faixa de ~1/4″ a 2/3″. Olympus, Fuji e Kodak se uniram para criar um sistema padrão de 4/3″, que tem um fator de corte de 2X comparado ao filme de 35mm. Sensores grandes e de formato médio existem, porém são menos comuns e atualmente são proibitivamente caras. Essas últimas não serão tratadas aqui especificamente, mas os mesmos principios ainda se aplicam.

Fator de corte & Multiplicador do comprimento de foco

O fator de corte é o tamanho diagonal do sensor comparado ao sensor de 35mm. É chamado dessa forma porque ao usar uma lente de 35mm, o sensor efetivamente corta essa quantidade da imagem em seu exterior (devido à limitação do tamanho). 

35 mm Full Frame Angle of View

Pode-se imaginar que dispensar informação da imagem nunca é o ideal, porém isso tem suas vantagens. Quase todas as lentes são mais nítidas em seus centros, a medida que a qualidade decai progressivamente na direção das extremidades. Isso significa que um sensor cortado efetivamente descarta as partes de menor qualidade da imagem, o que é muito útil ao usar lentes de baixa qualidade (pois essas tem tipicamente a pior qualidade nas extremidades).

Uncropped Photograph

 

Center Crop

 

Corner Crop

 

Por outro lado, isso também significa que pode-se estar carregando uma lente muito maior do que é necessário – um fator particularmente relevante para quem carrega a câmera por períodos longos de tempo. Idealmente, se usaria quase toda a luz da imagem transmitida pela lente, e essas lentes seriam de qualidade alta o suficiente para que as mudanças de nitidez fossem desprezíveis nas extremidades. Adicionalmente, a performance ótica das lentes grande angulares raramente é tão boa quanto aquelas que possuem um comprimento de foco grande. Já que um sensor cortado é forçado a usar uma lente grande angular para produzir o mesmo ângulo de visão de um sensor grande, isso irá diminuir a qualidade. Sensores menores também esticam a região central das lentes, de forma que seu limite de resolução tende a ser mais aparente para lentes de menor qualidade. De forma similar, o multiplicador do comprimento de foco relaciona o comprimento de foco de uma lente usada em um formato menor a lentes de 35mm para produzir um ângulo de visão equivalente, e é igual ao fator de corte. Isso significa que uma lente de 50mm usada em um sensor com um fator de corte de 1.6X produzirá o mesmo campo de visão de uma lente de 1.6 X 50 = 80mm em um sensor de 35mm.



mm



Esteja avisado que esses dois termos podem ser ilusórios de alguma forma. O comprimento de foco não muda somente porque uma lente é usada em um sensor de tamanho diferente – apenas seu ângulo de visão. Uma lente de 50mm será sempre uma lente de 50mm, não importando o tipo de sensor. Ao mesmo tempo, “fator de corte” pode não ser apropriado para descrever sensores muito pequenos porque a imagem não é necessariamente cortada (quanto se usa lentes projetadas para esse sensor).

Tamanhos de lentes e Considerações sobre o peso

Sensores menores requerem lentes mais leves (para ângulos de visão equivalentes, faixa de zoom, qualidade de montagem e faixa de abertura). Essa diferença pode ser crítica par fotografia de vida selvagem, escalada e viagem porque todas elas com frequência utilizam lentes pesadas ou requerem o carregamento de equipamento por períodos longos de tempo. O gráfico abaixo ilustra essa tendencia para uma seleção de lentes tele-objetivas Canon típica em fotografia de esportes e vida selvagem:

lens weight versus focal length

 

Uma implicação disso é que se há a necessidade de que o sujeito ocupe a mesma fração da imagem que em uma câmera 35mm  por uma câmera com lente de 200mm f/2.8 com um fator de corte de 1.5X (o que requer uma lente de 300mm f/2.8), seria necessário carregar 3.5X mais peso! Isso também ignora a diferença de tamanho entre as duas, que pode ser importante se não se quer chamar a atenção do público. Adicionalmente, lentes mais pesadas tipicamente custam muito mais.

pentaprism in SLR camera

 

Para câmeras SLR, tamanhos de sensor grandes resultam em imagens no visor maiores e mais claras, o que pode ser especialmente útil quando se usa foco manual. Porém, elas também serão mais pesadas e custarão mais porque necessitarão de um prima/pentamirror grande para transmitir a luz da lente para o visor e para seu olho.

Requisitos para a profundidade de campo

A medida que o tamanho do sensor cresce, a profundidade de campo irá diminuir para uma dada abertura (quando se preenche o quadro com um sujeito do mesmo tamanho e distância). Isso se deve ao fato de que sensores maiores necessitam que se esteja próximo ao sujeito, ou usar um comprimento de foco grande para preencher o quadro com esse sujeito. Isso significa que se precisa usar tamanhos de aberturas progressivamente menores para poder manter a mesma profundidade de campo em sensores maiores. O calculo a seguir prediz a abertura e comprimento de foco necessários para poder atingir a mesma profundidade de campo (mantendo a perspectiva).

Depth of Field Equivalents




mm




*Se a mesma perspectiva é desejada. Como exemplo de calculo, se a intenção é reproduzir a mesma perspectiva e profundidade de campo em um sensor full frame com aquela obtida usando-se uma lente de 10mm a f/11 em uma câmera com um fator de corte de 1.6X, seria necessário usar uma lente de 16mm e uma abertura de aproximadamente f/18. De forma alternativa, se fosse usada uma lente de 50mm e f/1.4 em sensor full frame, isso produziria uma profundidade de campo tão superficial que seria necessário uma abertura de 0.9 em uma câmera com um fator de corte de 1.6X – impossível com lentes consumer!

 Retrato (Profundidade de campo superficial)

 

Paisagem (Profundidade de campo grande)

 

Uma profundidade de campo rasa pode ser desejável para retratos porque aumenta o desfoque do fundo, enquanto uma profundidade de campo grande é desejável para fotografia de paisagens. Isso é o por quê câmeras compactas se esforçam para produzir um desfoque do fundo significativo em retratos, enquanto câmeras de formato grande se esforçam para produzir uma profundidade de campo adequada para paisagens. Note que o calculo acima assume que você possui uma lente no sensor novo (#2) que possa reproduzir o mesmo ângulo de visão que o sensor original (#1). Se ao invés disso você usar as mesmas lentes, então os requisitos para a abertura permanecem os mesmos (mas você terá que se aproximar do sujeito). Essa opção, porém, também altera a perspectiva.

Influência da difração

Tamanhos de sensores grandes podem usar aberturas menores antes que o disco imaginário da difração torne-se maior que o circulo de confusão (determinado pelo tamanho da impressão e critérios de nitidez). Isso se deve principalmente porque sensores grandes não tem que ser demasiadamente esticados para obter o mesmo tamanho de impressão. Como exemplo: teoricamente poderia ser usado um sensor digital tão grande quanto 8×10 polegadas, e dessa forma sua imagem não precisaria ser esticada de nenhuma forma para uma impressão de 8×10 polegadas, enquanto que um sensor de 35mm precisaria de um esticamento significante. Use o calculo a seguir para estimar quando a difração começa a reduzir a nitidez. Note que isso apenas mostra quando a difração será visível  quando visualizada numa tela a 100% – se será aparente na impressão final depende da distância de visualização e tamanho da impressão.

Diffraction Limited Aperture Estimator



Megapixels


Tenha em mente que o começo da difração é gradual, de forma que aberturas  levemente maiores ou menores do que o limite de difração acima não aparentarão ser melhores ou piores de repente. Além disso, o limite acima é apenas um limite teórico; resultados mais reais também dependerão das características as lentes. Os diagramas a seguir mostram o tamanho do disco imaginário (habilidade de resolução teórica máxima) para duas aberturas em relação a um grid que representa o tamanho do pixel:

Pixel Density Limits Resolution (Shallow DOF Requirement)

Airy Disk Limits Resolution (Deep DOF Requirement)

Uma implicação importante dos resultados acima é que o tamanho do pixel limitado pela difração aumenta para sensores maiores (se os requisitos da profundidade de campo permanecerem os mesmos). Esse tamanho do pixel refere-se ao momento quando o tamanho do disco torna-se o fator limitante na resolução total – não a densidade de pixel. Além disso, a profundidade de campo limitada pela difração é constante para todos os tamanhos de sensores. Esse fator pode ser crítico quando se decide por uma nova câmera para uso, porque mais pixels podem não necessariamente fornecer uma resolução maior (para suas necessidades de profundidade de campo). De fato, mais pixels podem até mesmo prejudicar a qualidade da imagem ao aumentar o ruído e reduzir a faixa dinâmica (próxima seção).

Tamanho do pixel: Níveis de ruído & faixa dinâmica

Sensores maiores geralmente possuem também pixels maiores (apesar disso não ser sempre o caso), o que lhe confere potencial para produzir menos ruído e ter uma faixa dinâmica maior. A Faixa dinâmica descreve a faixa de tonalidades que um sensor pode capturar para baixo quando um pixel se torna completamente branco, mas ainda acima quando a textura é indiscernível do ruído de fundo (próximo ao preto). Como pixels maiores tem um volume maior – e assim uma grande faixa de capacidade de fótons – eles geralmente possuem uma faixa dinâmica maior.

digital sensor pixels Nota: cavidades mostradas sem filtros de cor presentes.

 

Além disso, pixels maiores recebem um fluxo de prótons maior durante um dado tempo de exposição (no mesmo f-stop), de forma que seu sinal luminoso é muito mais forte. Para uma dada quantidade de ruído de fundo, eles produzem um sinal mais alto de ruído – e dessa forma uma foto mais suave.

Pixels maiores (com um sensor maior)

 

Pixels menores (com um sensor menor)

 

Isso nem sempre é o caso, porém, porque a quantidade de ruído também depende do processo de fabricação do sensor e quão eficientemente a câmera extrai informação de tons de cada pixel (sem introduzir ruído adicional). Em geral, porém, a tendência acima continua verdadeira. Outro aspecto a ser considerado é que mesmo se dois sensores tenham aparentemente o mesmo ruído quando visto a 100%, o sensor com maior contagem de pixels irá produzir uma impressão final mais limpa. Isso se deve ao fato de que o ruído é menos esticado em sensores com uma contagem de pixels mais alta (para um dado tamanho de impressão), portanto esse ruído possui uma frequência maior e assim parece ser mais granulada.

Custo de produção de sensores digitais

O custo de um sensor digital aumenta dramaticamente a média que sua área aumenta. Isso significa que um sensor com o dobro da área custará mair do que o dobro, de forma que você estará efetivamente pagando mais por unidade a medida que passa para tamanhos maiores.

silicon wafer divided into large sensor sizes
Silicon Wafer (divided into large sensors)
silicon wafer divided into small sensor sizes
Silicon Wafer (divided into small sensors)

Isso pode ser entendido observando a forma que os fabricantes produzem seus sensores digitais. Cada sensor é cortado de uma folha grande de silício chamada wafer, que pode conter milhares de chips individuais. Cada wafer é extremamente caro (milhares de dolares), por isso poucos chips por wafer resultam em um custo por chip maior. Além disso, a chance de defeito irreparável (muitos pixels quentes ou algo do tipo) acabar em um sensor aumenta com sua área, portanto o percentual de sensores usáveis diminuem com o aumento da área do sensor produzido pelo wafer. Assumindo que esses fatores (chips por wafer e produção) são muito importantes, os custos podem aumentar proporcionalmente ao quadrado na área do sensor (um sensor 2X maior custa 4X mais). Fabricante reais possuem um relacionamento mais complicado entre tamanho e custos, mas isso lhe dá uma ideia dos custos estelares. Isso não quer dizer que certos tamanhos de sensores serão sempre proibitivamente caros; seus preços podem eventualmente cair, mas o custo relativo de um sensor maior tende a permanecer significativamente mais caro quando comparado a alguns sensores menores.

Outras considerações

Algumas lentes estão disponíveis apenas para alguns tamanhos de sensores (ou podem não funcionar direito de outra maneira), o que pode também ser levado em consideração se isso ajuda seu estilo de fotografia. Uma caso notável é a lente Tilt/Shift, que permite aumentar (ou diminuir) a profundidade de campo aparente com o uso do recurso de tilt. Lentes tilt/shift podem também usar o shift para controlar a perspectiva e reduzir (ou eliminar) linhas verticais convergentes causadas pelo apontamento da câmera acima ou abaixo do horizonte (útil em fotografia de arquitetura). Além disso, lentes grande angulares ultra rápidas (f/2.8 ou maiores) não são tão comuns para sensores cortados, o que pode ser uma fator decisivo se for preciso o uso em esportes ou fotojornalismo.

Conclusões: Detalhes globais da imagem & Fatores de competição

Profundidade de campo é muito mais rasa em sensores de formato grande, porém pode-se usar também uma abertura menor antes de alcançar o limite de difração (para sua escolha de tamanho de impressão e critérios de nitidez). Dessa forma, qual opção tem potencial para produzir a foto mais detalhada? Sensores maiores (e com contagens de pixels correspondentemente mais altas) sem dúvida produzem mais detalhes se você puder se dar o luxo de sacrificar a profundidade de campo. Por outro lado, se você quiser manter a mesma profundidade de campo, tamanhos de sensor maiores não necessariamente tem um vantagem em relação a resolução. Além disso, a profundidade de campo limitada pela difração é a mesma para todos os tamanhos de sensores. Em outras palavras, se for ser usada a menor abertura antes que a difração torne-se significante, todos os tamanhos de sensor produzem a mesma profundidade de campo – apesar da abertura limitada pela difração ser diferente.

Observações técnicas: Esse resultado assume que seu tamanho de pixel seja comparável ao tamanho do disco imaginário limitado pela difração para cada sensor em questão, e que cada lente possui qualidade comparável. Além disso, o recurso de lentes tilt é muito mais comum em câmeras de formato grande – permitindo que seja alterado o ângulo do plano de foco e assim aumentado a profundidade de foco aparente.

required exposure time versus sensor area

Um outro resultado importante é que se a profundidade de campo é um fator limitante, o tempo de exposição necessário aumenta com o tamanho do sensor para a mesma sensibilidade. Esse fator é provavelmente mais relevante para fotografia macro e noturna. Observe que mesmo se as fotos puderem ser tirada à mão em um formato menor, essas mesmas fotos podem não ser necessariamente tiradas à mão em um formato maior. Por outro lado, tempos de exposição podem não necessariamente aumentar tanto quanto se assume de inicio, porque sensores maiores geralmente possuem pouco ruído (e podem assim permitirem o uso de uma configuração ISO de alta sensibilidade enquanto mantém um ruído perceptivamente similar). Idealmente, os níveis de ruído perceptível (em um dado tamanho de impressão) geralmente diminuem com sensores digitais maiores (independentemente do tamanho do pixel). Não importando o tamanho do pixel, sensores maiores inevitavelmente terão mais área de captação de luz. Teoricamente, um sensor maior com pixels menores ainda terá pouco ruído aparente que um sensor menor com pixels grandes (e assim com uma contagem de pixels muito menor). Isso se deve ao fato de que o ruído na câmera de maior resolução é menos ampliada, mesmo se ela parecer ter muito ruído na tela de seu computador. De forma alternativa, poderia-se de forma concebível calcular a média de pixels adjacentes em um sensor com uma contagem de pixel alta (reduzindo assim ruído aleatório) enquanto ainda se alcançasse a resolução do sensor com menor contagem de pixels. Isso é o porquê imagens reduzidas para web e pequenas impressões parecem ser tão livres de ruídos.

Notas técnicas: Isso tudo assume que diferenças na eficácia das micro-lentes e no espaçamento dos pixels é desprezível. Se o espaçamento dos pixels tem que se manter constante (devido ao read-out e outros circuitos de um chip), então densidades de pixels altas resultarão em menos área de captação de luz a menos que as micro-lentes possam compensar essa perda. Adicionalmente, isso ignora o impacto de padrões fixos ou ruído escuro, que pode varias significantemente dependendo do modelo da câmera e do circuito. Resumindo: sensores maiores geralmente fornecem mais controle e mais flexibilidade artísticas, mas ao custo de necessitarem de lentes maiores e equipamento mais caro. Essa flexibilidade permite que se crie uma profundidade de campo mais rasa do que seria possível com um sensor menor, mas ainda assim alcançar uma profundidade de campo comparável a um sensor menor usando uma velocidade ISO maior e uma abertura menor (ou usando um tripé).

Traduzido de Cambridge in Colour