センサーが大きいほどダイナミックレンジが広くなるのはなぜですか？

センサーが大きいほど被写界深度の制御が向上し、ノイズが低くなるという背景にある理論はすべて理解しています。しかし、センサーが大きいほどダイナミックレンジが大きくなる理由を説明できる場所をまだ見つけていませんか？

センサーのサイズは問題ではなく、ピクセルのサイズです。そうは言っても、フルフレームカメラのような大きなセンサーは大きなピクセルを持つ傾向があります。

センサーのサイズを取得し、ピクセル数で割ることにより、ピクセルのサイズを推定できます。ほとんどのセンサーはピクセル間にギャップがあり、これらのギャップのサイズが異なるため、この計算は正確ではありません。それが私が「推定」と言っている理由です。

ここで、センサー内のピクセルをボックス、フォトンをボールと考えてください。箱が大きいほど、より多くのボールを入れることができます。

ボックスAとBがあるとします。ボックスAには256個のボールを含めることができ、ボックスBには512個のボールを含めることができます。次に、Aタイプのボックスマトリックスを配置して、空中にたくさんのボールを投げます。ボールが落ちた場所の統計を収集したいです。

真ん中のボックスには256個のボールが含まれ、端にはボックスに〜20個のボールが含まれています。真ん中にたった256個以上のボールが落ちたかどうかはわかりません。私たちの測定は、256個のボールに対して最大に制限されています。

ここで、この実験を繰り返しますが、タイプBのボックスを使用します。今度は、ボックスの中央に347個のボールが含まれ、エッジに〜20個のボールが含まれていることがわかります。

私たちの測定ははるかに正確です。それが、センサーに衝突する光子で起こることです。より大きな表面はより多くの光子を含むことができ、より広いダイナミックレンジを測定できます。この例では、大きなボックスのダイナミックレンジは2倍です。

ピクセルが光子でいっぱいの場合、色への変換は完全に飽和した色になりますが、ピクセルサーフェスが大きいほど、より良い結果が得られ、ダイナミックレンジが改善されます。

ここに私の説明を示すことができる写真があります：

より詳細な説明については、この記事を確認してください。

ダイナミックレンジ

光子ノイズが唯一の懸念事項である理想的なセンサーを考慮すると、センサーが大きいほどダイナミックレンジが大きくなります。ダイナミックレンジとは、センサーが飽和するポイントと、影のノイズによって細部が失われるポイントとの差です。

センサーが大きいほど、ピクセルが大きくなるか、ピクセルが増えます。ピクセルが大きくなると、電荷を保存する容量が大きくなり（他の条件はすべて同じ）、ピクセルごとに多くの光がキャプチャされるため、シャドウの光が少なくなり、ダイナミックレンジが大きくなります。ピクセル数が多いということは、ピクセルあたりのノイズが似ていることを意味しますが、シャドウノイズを減らすために平均化するピクセルが多いため、ダイナミックレンジが広がります。

実際には、ノイズの別の原因、つまり読み取りノイズがあります。ここでは、フォトサイトによって生成されたアナログ信号がデジタル化される前にノイズを拾います。これは、センサーサイズの違いよりもはるかに強いダイナミックレンジに影響を与える可能性があります。画像の暗い領域からの低強度信号は、読み取りノイズに特に敏感であるため、DRに大きな影響を与えます。

新技術（センサーからADCへのパスを短くし、信号を2回送信し、結果を比較する）により、読み取りノイズを実質的に排除できるため、Sony ExmorなどのAPS-Cセンサーは、キヤノンの2.5倍のフルフレームセンサーのダイナミックレンジを超えることができますほぼ一桁！

また、良好な光のダイナミックレンジと弱い光のダイナミックレンジを区別する必要があります。前者は主に読み取りノイズによって決定されるため、読み取りノイズが低く、十分な深さがある小さなセンサーであれば優れています。後者は、フォトンノイズが支配的です（低照度でISOを上げると、フォトンノイズが増幅されますが、読み取りノイズは増幅されません）。繰り返しになりますが、すべてのセンサーがトレンドに従うわけではありません。

センサーのサイズが大きいほど、ピクセルあたりの表面積が大きくなる以外に、ダイナミックレンジが大きくなったりノイズが低くなったりする理由はありませんが、フルフレームカメラはより高いエンドユニットになる傾向があるため、より良いセンサーを持つ傾向があります。

フルフレームセンサーと同等の品質で作成した場合、解像度が低く、センサーが小さいほど、ノイズとダイナミックレンジのパフォーマンスが向上しない理由はないことに注意してください。センサー表面の1インチあたりのピクセル数とセンサーの品質が重要です。

ボックス付きの例は非常に真実であり、より大きなセンサーのダイナミックレンジが大きい理由を説明しています。ピクセルが小さいほど、保存できる光電子の量は少なくなります（保存できる光電子の最大数はフルウェル容量と呼ばれます）センサーを縮小することにより、電子がわずかしか保存できない状況になり、白黒になります画像（グレーの濃淡なし！（:)。

したがって、他のすべてが同じであれば、より大きなセンサーがより高いダイナミックレンジを持っていることは間違いありません。

問題は、解像度を下げることでダイナミックレンジを広げることができますか？科学的なCCDカメラでそれができることを知っています（私は個人的にそれをしました）。しかし、民生用カメラとCMOSで同じことができますか？2x2ピクセルを1つにバインドできる場合（解像度を4倍に効果的に削減できる場合）を想定しています。

私の研究によれば、ピクセルサイズは重要ではありませんが、ボックス理論は、大きなピクセルがより多くの光を収集するため、照明条件に適用できます。確かに低光（常識）にエッジがありますが、センサー技術はダイナミックレンジの重要な要素です、ダイナミックレンジとは、センサーが小売店をハイライトやシャドウで保持する能力のことです。たとえば、新しいセンサーの小さなファンまたは大きなファンのダイナミックレンジは、古いフルフレームセンサーのダイナミックレンジよりも優れています。