Pourquoi ont-ils jamais fabriqué des capteurs plus petits que les capteurs plein format?

Vous rencontrerez occasionnellement des articles sur la qualité des appareils photo plein format. Beaucoup de cela est probablement un enthousiasme excessif pour un nouvel équipement ou un marketing simple, mais il me semble qu'au moins ces choses sont vraies:

• Le capteur avec une grande surface capture plus de lumière
• Le capteur avec de grands pixels individuels aurait moins de bruit
• Un capteur plus grand peut contenir beaucoup plus de pixels

Les caméras plein format sont beaucoup plus chères. C'est bizarre pour moi, car j'avais l'impression que rendre l'électronique plus petite est toujours plus difficile, car il faut un équipement plus précis.

Cela a dû être encore plus important à l'aube des appareils photo numériques à objectif unique, il y a de nombreuses années.

Alors, pourquoi a-t-on décidé de rendre les capteurs plus petits que le film utilisé à l'origine dans les caméras? AFAIK certains objectifs conçus pour les appareils photo argentiques fonctionnent toujours avec certains reflex numériques, alors pourquoi rendre le capteur différent du film?

Notez que je m'intéresse plus à l' histoire de la décision initiale (puisque la taille de l'image du film était le statu quo et que les DLSR étaient chers de toute façon), qu'à la différence de prix.

Il est très difficile de fabriquer de grands dispositifs semi-conducteurs sans défaut ou avec un très petit nombre de défauts. Les plus petits sont beaucoup moins exigeants à réaliser.

En particulier, le rendement - la proportion de ceux que vous fabriquez qui sont utilisables - pour les semi-conducteurs diminue à mesure que vous essayez de les agrandir. Si le rendement est faible, vous devez fabriquer beaucoup d'appareils pour chaque bon, ce qui signifie que le coût par appareil devient très élevé: peut-être plus élevé que le marché ne le supportera. Des capteurs plus petits, avec les rendements plus élevés qui en résultent, sont alors fortement préférés.

Voici une façon de comprendre la courbe des taux. Disons que la probabilité d'un défaut par unité de surface dans un processus est c , et qu'un tel défaut tuera tout appareil fabriqué à partir de ce morceau de semi-conducteur. Il existe d'autres modèles de défauts d'appareils, mais celui-ci est assez bon.

Si nous voulons faire un dispositif qui a une zone A alors la chance de ne pas avoir un défaut (1 - c ) ^A . Donc, si A est 1, la chance est (1 - c ) et elle devient plus petite (puisque (1 - c ) est inférieure à un) lorsque A devient plus grand.

La probabilité qu'un appareil de la zone A ne présente pas de défaut est le rendement: c'est la proportion de bons appareils de la zone A que nous obtenons. (En fait, le rendement peut être inférieur, car il peut y avoir d'autres choses qui peuvent mal tourner).

Si nous connaissons le rendement y _A pour des décives de certaines zones A , alors nous pouvons calculer c : c = 1 - y _A ^{1 / A} (vous obtenez cela en prenant des journaux des deux côtés et en réorganisant). On peut calculer de manière équivalente le rendement pour toute autre zone a comme y = y _A ^{a / A} .

Alors maintenant, disons que lorsque nous fabriquons des capteurs 24x36 mm (plein format), nous obtenons un rendement de 10%: 90% des appareils que nous fabriquons ne sont pas bons. Les fabricants hésitent à dire quels sont leurs rendements, mais ce n'est pas invraisemblablement bas. Cela revient à dire que c , le risque de défaut par mm ² est d'environ 0,0027.

Et maintenant, nous pouvons calculer les rendements pour d'autres zones: en fait, nous pouvons simplement tracer la courbe de rendement par rapport à la zone:

Dans ce graphique, j'ai marqué les rendements attendus pour les capteurs de différentes tailles inférieures au plein cadre si le rendement plein cadre est de 10% (ceux-ci peuvent être approximatifs, car l'APS-C peut signifier diverses choses, par exemple). Comme vous pouvez le voir, les petits capteurs obtiennent des rendements beaucoup plus élevés.

Au fil du temps, à mesure que les processus de fabrication s'améliorent, cette courbe de rendement s'aplatit et les rendements des gros capteurs s'améliorent. Dans ce cas, les capteurs plus gros baissent de prix au point où le marché en supportera le coût.

Les premières applications grand public pour les capteurs d'images électroniques (qu'il s'agisse d'orthèses d'image, de vidicons, de plumbicons ou de CCD, ou de capteurs de pixels actifs CMOS, que ce soit des flux de travail analogiques-électroniques ou numériques) étaient en vidéo, pas en images fixes.

La vidéo a suivi des facteurs de forme similaires au film. Dans les films cinématographiques, 35 mm (équivalent à l'image plein format) ou même 70 mm étaient des formats exotiquement grands uniquement utilisés pour la production de films (cinématographiques) en raison de coûts importants.

En outre, les demandes de résolution pour la plupart des applications vidéo étaient beaucoup plus petites - si les téléviseurs domestiques pré-HD (résolution maximale 625 lignes de peut-être 1000 pixels chacune) étaient la cible principale, des capacités de haute résolution n'étaient pas nécessaires.

De plus, dans le monde de l'image en mouvement non cinématographique, les exigences relatives aux objectifs semblent être différentes - beaucoup plus d'attentes sur la vitesse de l'objectif et la plage de zoom, beaucoup moins sur la qualité de l'image. Cela peut être fait beaucoup plus rentable avec des conceptions d'objectif qui ne doivent desservir qu'un petit cercle d'image.

Les appareils photo numériques existaient plusieurs années avant que les appareils photo à objectif interchangeable ne deviennent plausibles, et ceux-ci utilisaient d'abord de minuscules capteurs qui étaient très probablement conçus ou basés sur des conceptions pour la vidéo.

Les capteurs de taille APS-C étaient ÉNORMES par rapport à un capteur d'appareil photo numérique normal lorsque les premiers reflex numériques ont été introduits; les quelques premiers reflex numériques plein format (pensez Kodak DCS) et leurs capteurs étaient extrêmement chers, probablement parce qu'il y avait très peu d'expérience de conception pour fabriquer des capteurs économiques de cette taille.

Les capteurs d'image sont très grossiers dans leur structure réelle par rapport à ce que les processeurs ou les puces de mémoire utilisaient même dans les années 1990 - par exemple, un processeur commun pour les ordinateurs de bureau de la fin des années 1990 utilisait une taille de fonctionnalité de 250 nm, ce qui est bien plus petit que ce qui serait même physiquement utile sur un capteur d'imagerie en lumière visible. Aujourd'hui, 14 nm (!!) est à la pointe de la technologie.

La nécessité d'éviter de grandes tailles de matrice par pièce, quelles que soient les tailles de structure, comme déjà expliqué dans d'autres articles, n'a pas beaucoup changé.

Les gros capteurs coûtent plus cher que les petits capteurs pour plus ou moins la même raison que les grands téléviseurs coûtent plus cher que les petits téléviseurs. Comparez un téléviseur de 30 pouces et un téléviseur de 60 pouces (environ 75 cm et 150 cm, si vous préférez). La miniaturisation n'est pas un problème - nous pourrions rendre toutes les pièces du téléviseur 30 pouces plus petites sans rencontrer de difficultés. Le téléviseur 30 pouces coûte moins cher à fabriquer que le téléviseur 60 pouces, car il utilise moins de matériaux et nécessite moins de travail pour terminer. Et le téléviseur 60 pouces aura un taux de défauts plus élevé - 4 fois la zone signifie beaucoup plus de chances que quelque chose se passe mal quelque partsur l'écran, créant un pixel mort. Parce que les clients détestent les pixels morts, un panneau qui en a plus d'un ou deux (ou peut-être même plus de zéro) est mis au rebut ou vendu dans le cadre d'un produit à moindre coût. Les coûts de production des unités défectueuses sont inclus dans le prix des unités acceptables qui sont vendues, donc plus vous allez gros, plus les choses deviennent chères.

Les mêmes considérations s'appliquent aux capteurs d'image. Même les plus petits capteurs des caméras prosumer ont des caractéristiques énormes par rapport à celles dont la technologie des semi-conducteurs est capable, donc le coût de la miniaturisation n'est pas un facteur majeur. Les appareils photo compacts et les téléphones portables utilisent normalement des capteurs beaucoup plus petits, et même les téléphones économiques ont normalement deux appareils photo, les plus sophistiqués en ayant trois ou quatre! Pour des tailles raisonnables, des coûts plus petits, moins, pas plus. Le problème des défauts entre également en jeu. Plus vous augmentez la taille du capteur, plus vous avez de chances d'avoir un défaut qui vous oblige à éliminer le tout, et plus vous perdrez d'argent (en matériaux) lorsque vous le supprimez. Cela fait grimper les coûts avec la taille, considérablement au-delà d'un certain point.

L'appareil photo numérique le plus grand format que vous pouvez obtenir à partir de cette écriture a un énorme capteur 9 "x11" (c'est plus de 8 fois la diagonale d'un capteur "plein cadre", ou plus de 64 fois la surface), et il n'a que 12 mégapixels donc la miniaturisation n'est évidemment pas un problème - ces pixels sont énormes . Il coûte plus de 100 000 $.

Parce que vous avez spécifiquement posé des questions sur l'histoire ...

Je suggère: taille, poids et coût.

Toutes ces considérations étaient également vraies à l'époque pré-numérique (c'est-à-dire le film). Un format de film populaire était la taille 110. Voir: https://en.wikipedia.org/wiki/110_film

Le film 110 était moins cher, les appareils photo étaient moins chers, et beaucoup d'appareils photo étaient beaucoup plus petits et plus légers que les plus petits films compacts 35 mm. Ils pourraient tenir très facilement dans une petite poche. Bien entendu, ces mêmes contraintes existent aujourd'hui avec les appareils photo numériques, comme d'autres l'ont souligné. Il ne s'agit donc pas seulement de petits et de grands capteurs d'images aujourd'hui; c'était aussi des formats de films petits et grands à l'époque.

Bien avant le numérique, les gens ont cherché à produire des formats de film plus petits pour résoudre les problèmes de fabrication, de convivialité et d'autres coûts-avantages, qui sont décrits dans d'autres réponses.

Ce qui est maintenant connu sous le nom de "plein cadre" était autrefois appelé "miniature". Sinon pour les formats miniatures et sous-miniatures, nous aurions à transporter des caméras comme celle-ci:

Mis à part ce qui a déjà été mentionné, il existe une raison particulièrement bonne de fabriquer des capteurs plus petits pour les reflex numériques; Il facilite la conception d'objectifs moins chers et plus légers pour le marché grandissant en pleine croissance. Mais toujours d'une grande qualité.

Lorsque vous réduisez le capteur, vous pouvez également réduire la taille du miroir, puis vous pouvez réduire la distance entre l'élément arrière de l'objectif et le capteur (ce que l'on appelle la distance de la bride).

La diminution de la distance de la bride facilite la conception des lentilles; les objectifs grand angle bénéficient en particulier de la plus petite distance de bride. Un objectif zoom grand angle f / 2,8 pour un appareil photo plein format peut être assez coûteux.

Aujourd'hui, alors que le sans miroir devient de plus en plus populaire, le problème de distance de bride est éliminé.

Cependant, le capteur plus petit signifie toujours que l'objectif n'a qu'à projeter l'image sur une zone plus petite, nécessitant un diamètre plus petit de l'objectif, contribuant ainsi à des coûts plus faibles dans les objectifs.

BTW, à ma connaissance (ce qui pourrait être faux), le capteur n'est même pas près d'être le composant le plus cher d'un reflex numérique. Les luxmètres (il y en a beaucoup) sont beaucoup plus chers.

Je pensais l'avoir lu dans une source respectable, mais essayer de chercher une source pour confirmer ce fait s'est soldé par rien; donc je me trompe probablement ici.

Les petits capteurs ont des rendements de production plus élevés et l'électronique à traiter est moins coûteuse.

Doublez le capteur et quadrillez approximativement la puissance de traitement nécessaire.

La réalité est que les capteurs DX ont souvent une résolution plus élevée et une plus grande plage dynamique que les films qu'ils remplacent.

Réponse distincte, car elle n'est pas liée à l'autre:

Alors que les capteurs plein format offrent de nombreux avantages aux photographes amateurs, artistiques et professionnels, ils présentent également des inconvénients qui sont dans de nombreux cas vraiment indésirables pour l'utilisateur occasionnel - et dans certains cas, même pour l'artiste professionnel ou le journaliste pour certaines tâches:

• La profondeur de champ maximale accessible est en fait plus limitée. Des ouvertures extrêmement lentes sont nécessaires pour une profondeur de champ extrême, ce qui entraîne des problèmes tels qu'une mauvaise gestion du faible éclairage et la visibilité de la saleté du capteur.

• les lentilles seront plus volumineuses, lourdes et coûteuses.

• ... surtout quand il s'agit de longues focales pour avoir une longue portée.

• La stabilisation de l'image sera plus difficile en raison de la nécessité de mouvements plus importants pour compenser le tremblement.

• Certains groupes cibles préféreront les images qui ont la grande profondeur de champ, tout ce qui est mis au point, le style de tonalité dure auquel ils sont habitués à partir des appareils photo des appareils mobiles.

Eh bien, permettez-moi de le dire ainsi. Voici une photo avec un petit appareil photo à capteur (1 / 2,3 "), un facteur de recadrage de 5,6 et un capteur de classe APS-C (facteur de recadrage 1,66, légèrement plus petit que l'APS-C) dans leur position de zoom maximale (que le gros appareil photo atteint uniquement en utilisant un convertisseur télé 1,7 ×.) La petite caméra a 3 fois la distance focale effective (600 mm) de la grande caméra (200 mm).

Voici les mêmes caméras prêtes à emporter:

Si vous essayez des oiseaux et des plans rapprochés de petits objets, la plage de zoom plus longue de la petite caméra à capteur battra la plage relativement courte du grand capteur. Aujourd'hui, les capteurs d'aujourd'hui ont des résolutions plus grandes que les 10 MP de l'ancien appareil photo ici, mais même un capteur de 40 MP vous achète juste un facteur de 2 en focale lors du recadrage au même nombre de pixels.

La qualité d' image du capteur plus grand est bien meilleure, mais cela ne vous rapporte pas beaucoup lorsque la taille de l'image est celle d'un tampon.