Este artigo visa responder: como o tamanho do sensor da sua câmera digital influencia diferentes tipos de fotografia? Sua escolha de tamanho de sensor é análoga a escolher entre câmeras de filme 35 mm, médio formato e grande formato — com algumas diferenças notáveis únicas à tecnologia digital. Muita confusão surge neste tópico porque existem muitas opções de tamanho diferentes, e muitos trade-offs relativos a profundidade de campo, ruído de imagem, difração, custo e tamanho/peso.
Leitura de base sobre este tópico pode ser encontrada no tutorial sobre sensores de câmeras digitais.
Tamanhos de sensores atualmente têm muitas possibilidades, dependendo de uso, ponto de preço e portabilidade desejada. O tamanho relativo para muitos destes é mostrado abaixo:
Sensores full-frame das séries Canon 1Ds/5D e Nikon D3 são os mais comuns. Câmeras Canon como Rebel/60D/7D têm fator de corte 1.6X, enquanto DSLRs Nikon mainstream têm fator 1.5X. O gráfico acima exclui fator de corte 1.3X, usado nas câmeras série 1D da Canon.
Câmeras de telefone e outras compactas usam tamanhos de sensor na faixa de ~1/4" a 2/3". Olympus, Fuji e Kodak uniram-se para criar padrão sistema 4/3, que tem fator de corte 2X comparado a filme 35 mm. Sensores médio formato e maiores existem, porém são muito menos comuns e atualmente proibitivamente caros. Não serão abordados especificamente aqui, mas os mesmos princípios ainda se aplicam.
O fator de corte é o tamanho diagonal do sensor comparado a sensor full-frame 35 mm. É chamado assim porque ao usar lente 35 mm, tal sensor efetivamente corta esta quantidade da imagem em seu exterior (devido ao seu tamanho limitado).
35 mm Full Frame Ângulo de Visão
Pode-se pensar inicialmente que descartar informação de imagem nunca é ideal, porém isso tem vantagens. Quase todas as lentes são mais nítidas em seus centros, enquanto qualidade degrada progressivamente em direção às bordas. Isso significa que um sensor cortado efetivamente descarta as porções de menor qualidade da imagem, o que é bastante útil ao usar lentes de baixa qualidade (pois estas tipicamente têm pior qualidade nas bordas).
Foto Não Cortada
Corte Central
Corte de Canto
Por outro lado, isso também significa que você está carregando lente muito maior que o necessário — fator particularmente relevante para quem carrega câmera por longos períodos (veja seção abaixo). Idealmente, usaria quase toda luz transmitida da lente, e esta lente seria de qualidade suficiente que sua mudança de nitidez seria insignificante nas bordas.
Além disso, o desempenho óptico de lentes grande angular raramente é tão bom quanto distâncias focais maiores. Como sensor cortado é forçado a usar lente grande angular mais ampla para produzir mesmo ângulo de visão que sensor maior, isso pode degradar qualidade. Sensores menores também ampliam a região central da lente mais, então seu limite de resolução provavelmente será mais aparente para lentes de menor qualidade. Veja tutorial sobre qualidade de lente para mais sobre isso.
Similarmente, o multiplicador de distância focal relaciona a distância focal de lente usada em formato menor a lente 35 mm produzindo ângulo de visão equivalente, e é igual ao fator de corte. Isso significa que lente de 50 mm usada em sensor com fator de corte 1.6X produziria mesmo campo de visão que lente 1.6 x 50 = 80 mm em sensor full-frame 35 mm.
Atenção que ambos termos podem ser enganosos. A distância focal da lente não muda só porque lente é usada em sensor de tamanho diferente — apenas seu ângulo de visão. Uma lente 50 mm é sempre lente 50 mm, independente do tipo de sensor. Ao mesmo tempo, "fator de corte" pode não ser apropriado para descrever sensores muito pequenos porque imagem não é necessariamente cortada (ao usar lentes projetadas para aquele sensor).
Sensores menores requerem lentes mais leves (para ângulo de visão equivalente, faixa de zoom, qualidade de construção e faixa de abertura). Esta diferença pode ser crítica para vida selvagem, trilhas e fotografia de viagem porque todas frequentemente utilizam lentes mais pesadas ou requerem carregar equipamento por longos períodos. O gráfico abaixo ilustra esta tendência para seleção de lentes teleobjetivas Canon típicas em fotografia esportiva e de vida selvagem:
Uma implicação disto é que se alguém requer que assunto ocupe mesma fração da imagem em câmera 35 mm como usando lente 200 mm f/2.8 em câmera com fator de corte 1.5X (requerendo lente 300 mm f/2.8), teria que carregar 3.5X mais peso! Isso também ignora diferença de tamanho entre as duas, que pode ser importante se não quiser chamar atenção em público. Além disso, lentes mais pesadas tipicamente custam muito mais.
Para câmeras SLR, tamanhos de sensor maiores resultam em imagens de visor maiores e mais claras, o que pode ser especialmente útil no foco manual. Porém, estas também serão mais pesadas e custarão mais porque requerem prisma/pentaprisma maior para transmitir luz da lente ao visor e aos seus olhos.
À medida que tamanho do sensor aumenta, a profundidade de campo diminui para uma dada abertura (quando preenchendo quadro com assunto do mesmo tamanho e distância). Isso ocorre porque sensores maiores requerem que você se aproxime do assunto, ou use maior distância focal para preencher o quadro com aquele assunto. Isso significa que deve-se usar aberturas progressivamente menores para manter mesma profundidade de campo em sensores maiores. A calculadora a seguir prevê abertura e distância focal requeridas para atingir mesma profundidade de campo (mantendo perspectiva).
*Se mesma perspectiva for desejada.
Como exemplo de cálculo, se quisesse reproduzir mesma perspectiva e profundidade de campo em sensor full-frame como aquela atingida usando lente 10 mm a f/11 em câmera com fator de corte 1.6X, precisaria usar lente 16 mm e abertura de aproximadamente f/18. Alternativamente, se usasse lente 50 mm f/1.4 em sensor full-frame, isso produziria profundidade de campo tão rasa que requereria abertura de 0.9 em câmera com fator de corte 1.6X — não possível com lentes de consumo!
Retrato
PaisagemProfundidade de campo mais rasa pode ser desejável para retratos pois melhora desfoque de fundo, enquanto maior profundidade de campo é desejável para fotografia de paisagem. É por isso que câmeras compactas lutam para produzir desfoque de fundo significativo em retratos, enquanto câmeras grande formato lutam para produzir profundidade de campo adequada em paisagens.
Note que a calculadora acima assume que você tem lente no novo sensor (#2) que pode reproduzir mesmo ângulo de visão que no sensor original (#1). Se em vez disso usar a mesma lente, requisitos de abertura permanecem os mesmos (mas terá que se aproximar do assunto). Esta opção, porém, também muda perspectiva.
Tamanhos de sensor maiores podem usar aberturas menores antes que o disco de Airy da difração se torne maior que o círculo de confusão (determinado por tamanho de impressão e critérios de nitidez). Isso é principalmente porque sensores maiores não precisam ser ampliados tanto para atingir mesmo tamanho de impressão. Como exemplo: poderia-se teoricamente usar sensor digital tão grande quanto 8x10 polegadas, e sua imagem não precisaria ser ampliada para impressão 8x10, enquanto sensor 35 mm requereria ampliação significativa.
Use a calculadora a seguir para estimar quando difração começa a reduzir nitidez. Note que isso só mostra quando difração será visível visualizada na tela a 100% — se será aparente na impressão final também depende de distância de visualização e tamanho de impressão. Para calcular isso também, visite: limites de difração e fotografia.
Lembre-se que início de difração é gradual, então aberturas ligeiramente maiores ou menores que o limite de difração acima não ficarão repentinamente melhores ou piores, respectivamente. Além disso, o acima é apenas limite teórico; resultados reais também dependem de características da lente. Os diagramas a seguir mostram tamanho do disco de Airy (habilidade teórica máxima de resolução) para duas aberturas contra grade representando tamanho de pixel:
Densidade de Pixel Limita Resolução
Disco de Airy Limita ResoluçãoUma implicação importante dos resultados acima é que o tamanho de pixel limitado por difração aumenta para sensores maiores (se requisitos de profundidade de campo permanecem os mesmos). Este tamanho de pixel refere-se a quando tamanho do disco de Airy torna-se fator limitante na resolução total — não densidade de pixel. Além disso, a profundidade de campo limitada por difração é constante para todos os tamanhos de sensor. Este fator pode ser crítico ao decidir nova câmera para seu uso pretendido, porque mais pixels podem não necessariamente fornecer mais resolução (para seus requisitos de profundidade de campo). Na verdade, mais pixels poderiam até prejudicar qualidade de imagem aumentando ruído e reduzindo faixa dinâmica (próxima seção).
Sensores maiores geralmente também têm pixels maiores (embora nem sempre), o que lhes dá potencial para produzir menor ruído de imagem e ter maior faixa dinâmica. Faixa dinâmica descreve a faixa de tons que um sensor pode capturar abaixo quando pixel fica completamente branco, mas ainda acima quando textura é indiscernível de ruído de fundo (perto do preto). Como pixels maiores têm maior volume — e assim maior faixa de capacidade de fótons — estes geralmente têm maior faixa dinâmica.
Nota: cavidades mostradas sem filtros de cor presentes
Além disso, pixels maiores recebem maior fluxo de fótons durante dado tempo de exposição (no mesmo f-stop), então seu sinal de luz é muito mais forte. Para dada quantidade de ruído de fundo, isso produz maior relação sinal-ruído — e assim foto com aparência mais suave.
Pixels Maiores
Pixels MenoresNem sempre é o caso, porém, porque quantidade de ruído de fundo também depende do processo de fabricação do sensor e quão eficientemente a câmera extrai informação tonal de cada pixel (sem introduzir ruído adicional). Em geral, porém, a tendência acima se mantém. Outro aspecto a considerar é que mesmo se dois sensores têm ruído aparente igual quando vistos a 100%, o sensor com maior contagem de pixels produzirá impressão final com aparência mais limpa. Isso porque o ruído é ampliado menos para sensor de maior contagem de pixels (para dado tamanho de impressão), portanto este ruído tem frequência mais alta e assim aparenta grão mais fino.
O custo de um sensor digital aumenta dramaticamente conforme sua área aumenta. Isso significa que sensor com o dobro da área custará mais que o dobro, então você está efetivamente pagando mais por unidade de "imóvel de sensor" conforme move para tamanhos maiores.
Wafer de Silício
Wafer de SilícioPode-se entender isso olhando como fabricantes fazem seus sensores digitais. Cada sensor é cortado de uma folha maior de material de silício chamada wafer, que pode conter milhares de chips individuais. Cada wafer é extremamente caro (milhares de dólares), portanto menos chips por wafer resultam em custo muito maior por chip. Além disso, chance de defeito irreparável (muitos pixels quentes ou outro) acabando em dado sensor aumenta com área do sensor, portanto porcentagem de sensores utilizáveis cai com aumento da área do sensor (rendimento por wafer). Assumindo estes fatores (chips por wafer e rendimento) são mais importantes, custos aumentam proporcional ao quadrado da área do sensor (sensor 2X maior custa 4X mais). Fabricação real tem relação tamanho vs custo mais complicada, mas isso dá ideia dos custos disparando.
Isso não quer dizer que certos sensores sempre serão proibitivamente caros; seu preço pode eventualmente cair, mas custo relativo de sensor maior provavelmente permanecerá significativamente mais caro (por unidade de área) quando comparado a algum tamanho menor.
Algumas lentes só estão disponíveis para certos tamanhos de sensor (ou podem não funcionar como pretendido caso contrário), o que também pode ser consideração se ajudam seu estilo de fotografia. Tipo notável é lentes tilt/shift, que permitem aumentar (ou diminuir) profundidade de campo aparente usando recurso tilt. Lentes tilt/shift também podem usar shift para controlar perspectiva e reduzir (ou eliminar) linhas verticais convergentes causadas por apontar câmera acima ou abaixo do horizonte (útil em fotografia arquitetônica). Além disso, lentes ultra grande angular rápidas (f/2.8 ou maior) não são tão comuns para sensores cortados, o que pode ser fator decisivo se necessário em esportes ou fotojornalismo.
Profundidade de campo é muito mais rasa para sensores de formato maior, porém também se pode usar abertura menor antes de atingir limite de difração (para seu tamanho de impressão e critérios de nitidez escolhidos). Qual opção tem potencial para produzir foto mais detalhada? Sensores maiores (e correspondentemente maiores contagens de pixels) indubitavelmente produzem mais detalhe se você puder sacrificar profundidade de campo. Por outro lado, se deseja manter mesma profundidade de campo, tamanhos de sensor maiores não necessariamente têm vantagem de resolução. Além disso, a profundidade de campo limitada por difração é a mesma para todos os tamanhos de sensor. Em outras palavras, se usasse a menor abertura antes da difração tornar-se significativa, todos os tamanhos de sensor produziriam mesma profundidade de campo — mesmo que abertura limitada por difração seja diferente.
Notas Técnicas: Este resultado assume que seu tamanho de pixel é comparável ao tamanho do disco de Airy limitado por difração para cada sensor em questão, e que cada lente é de qualidade comparável. Além disso, recurso de lente tilt é muito mais comum em câmeras grande formato — permitindo mudar ângulo do plano focal e portanto aumentar PdC aparente.
Outro resultado importante é que se profundidade de campo é fator limitante, o tempo de exposição requerido aumenta com tamanho do sensor para mesma sensibilidade. Este fator é provavelmente mais relevante para macro e fotografia noturna. Note que mesmo se fotos podem ser tiradas na mão em formato menor, essas mesmas fotos podem não necessariamente ser tiradas na mão no formato maior.
Por outro lado, tempos de exposição podem não necessariamente aumentar tanto quanto se assume inicialmente, porque sensores maiores geralmente têm menos ruído (e assim podem usar configuração ISO mais alta mantendo ruído percebido similar).
Idealmente, níveis de ruído percebidos (em dado tamanho de impressão) geralmente diminuem com sensores de câmera digital maiores (independentemente do tamanho do pixel).
Não importa o tamanho do pixel, sensores maiores inevitavelmente têm mais área de captação de luz. Teoricamente, sensor maior com pixels menores ainda terá ruído aparente menor (para dado tamanho de impressão) que sensor menor com pixels maiores (e resultante contagem total de pixels muito menor). Isso porque ruído na câmera de maior resolução é ampliado menos, mesmo que possa parecer mais ruidoso a 100% na tela do computador. Alternativamente, poderia-se concebivelmente fazer média de pixels adjacentes no sensor de maior contagem de pixels (reduzindo ruído aleatório) enquanto ainda atinge resolução do sensor de menor contagem. É por isso que imagens redimensionadas para web e pequenas impressões parecem tão livres de ruído.
Notas Técnicas: Tudo isso assume que diferenças em eficácia de microlentes e espaçamento de pixels são insignificantes. Se espaçamento de pixels tem que permanecer constante (devido a circuitos de leitura e outros no chip), densidades de pixel maiores resultarão em menor área de captação de luz a menos que microlentes compensem esta perda. Além disso, ignora impacto de ruído de padrão fixo ou corrente escura, que pode variar significativamente dependendo do modelo da câmera e circuitos de leitura.
No geral: sensores maiores geralmente fornecem mais controle e maior flexibilidade artística, mas ao custo de requerer lentes maiores e equipamento mais caro. Esta flexibilidade permite criar profundidade de campo mais rasa que possível com sensor menor (se desejado), mas ainda atingir profundidade de campo comparável a sensor menor usando ISO mais alto e abertura menor (ou quando usando tripé).
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