Haben beschnittene digitale Sensoren ihre Designgrenzen erreicht?

Sehr unwahrscheinlich

In der Sensortechnologie wird derzeit viel geforscht und entwickelt, selbst die Beispiele, die Sie geben, sind bestenfalls irreführend.

• Sie sprechen nur von Megapixeln, es gibt viele Verbesserungen, die vorgenommen werden können, ohne die Pixelanzahl zu erhöhen. Vergleichen Sie zum Beispiel einfach Bilder einer 8MP Handykamera von einem neuen Modell mit einem 4 Jahre alten Modell.

• APS-C-Sensoren haben in Bezug auf ihre Megapixelzahlen kein Plateau erreicht – Nikon hat kürzlich eine 24-Megapixel-APS-C-Kamera herausgebracht (die D7100).

• Der 7D 18MP-Sensor wurde nicht aktualisiert, weil die 7D nicht aktualisiert wurde.

• Andererseits wurde der 18MP-Sensor der Rebel-Serie (ich weiß nicht, ob dies derselbe Sensor wie der 7D ist oder nicht), der 2010 mit der 550D eingeführt wurde, 2012 mit einer On-Chip-Phasenerkennung für die 650D aktualisiert (wie ist das?). für einen 2-jährigen Upgrade-Zyklus?)

• Sony begann erst 2009 mit der Produktion von hintergrundbeleuchteten Sensoren zu Verbraucherpreisen

• Die Nikon D800 mit einem 36 MP Sensor wurde 2012 eingeführt

Die Sensorentwicklung hörte also nicht nur nicht auf, sie verlangsamte sich nicht einmal. Neue Sensorverbesserungen werden angesichts der erforderlichen Forschungs- und Herstellungskosten mit einer erstaunlich hohen Geschwindigkeit veröffentlicht.

Während sich die Megapixel nicht wesentlich ändern, bedeutet das nicht, dass sich die Sensoren nicht auf andere Weise verbessern. Aus physikalischen Gründen (Beugung) gewinnen Sie bei höheren Megapixel-Niveaus weniger an Bildqualität als bei anderen Verbesserungen. Je höher die Megapixel werden, desto weniger bemerkbar sind die Auflösungsverbesserungen sogar für ziemlich große Drucke. (Eine 24-Megapixel-Kamera kann bequem ein 16 x 20-Porträt bei 300 dpi erstellen.)

Dies hat zu einem leichten Rückgang des Strebens nach einer höheren Anzahl von Pixeln und zu einem stärkeren Schub in Richtung anderer Verbesserungsbereiche geführt. In letzter Zeit wurden große Fortschritte in Bezug auf Empfindlichkeit bei geringem Licht, Rauschunterdrückung, schnellere Abtastung und bessere Farbgenauigkeit erzielt. All diese Faktoren haben einen größeren Einfluss auf die visuelle Qualität eines Sensors als nur die Erhöhung der Pixelzahl. Wir sehen auch Dinge wie die direkte Integration des Phasenerkennungs-Autofokus in Bildsensoren, um zu versuchen, von der Notwendigkeit eines separaten dedizierten PDAF-Sensors und -Spiegels wegzukommen.

Kurz gesagt, nein, wir kommen nicht an eine Design-Spitzengrenze, nur die Prioritäten und Bereiche des Fortschritts verschieben sich. Sie werden sich wahrscheinlich weiter verändern, wenn sich die Technologie weiter verbessert und wir nach besseren Möglichkeiten suchen, Bilder aufzunehmen.

Wenn Entwicklungen an eine Grenze stoßen, verschieben sie die Grenze oder finden eine andere, zu der sie rennen können. Digitalkameras sind ziemlich neu, aber Sie erinnern sich vielleicht, dass dies regelmäßig über Computerkomponenten gesagt wurde.

Megapixel sind offensichtlich sehr wichtig für das Marketing, also machen sie weiter. Es gibt ultrakompakte Point-and-Shoot-Kameras mit 20 MP . Es gab auch mehrere Modelle mit 14 bis 16 MP, die auf 10 oder 12 MP aufgerüstet wurden , um eine bessere Bildqualität zu liefern. Das waren High-End-Kompaktangebote von Canon und Nikon, die sich gut verkauften, da sie auf ein Segment abzielten, in dem Megapixel nicht alles sind.

In einem Interview von 2009 erklärte Olympus, dass 12 MP sogar für ihre DSLRs ausreichten. Die PENs müssen eindeutig auf etwas anderem laufen ;)

Es gibt eine physikalische Grenze, bei der Sie Pixel aufgrund von Beugung nicht kleiner machen können. Aus diesem Grund sehen wir bereits beugungsbegrenzte Kameras bei F/5.6 und viele Modelle mit kleinem Sensor haben keine physikalische Blende mehr, schießen also immer weit offen. Weit offen am Ende eines 24-1200-mm-Zooms ist jedoch F/6,9 oder so ähnlich! Ein ND-Filter wird eingesetzt, um das Licht zu reduzieren, das den Sensor erreicht, ohne Beugung zu verursachen.

Die Beugungsgrenze ist relativ zum Lichtsammelbereich, daher arbeiten die Hersteller daran, größere Bereiche herzustellen. BSI-Sensoren sind bereits Mainstream und arbeiten auch an besseren Mikrolinsen.

Es gibt weitaus mehr Bereiche für Verbesserungen, ohne die Anzahl der Megapixel zu beeinträchtigen. Meiner Meinung nach ist der Dynamikbereich der wichtigste. Dann gibt es Farb- und Lichtempfindlichkeit. Alle großen Hersteller haben Patente auf diesem Gebiet, die noch genutzt werden müssen. Fuji scheint einen mutigeren Ansatz gewählt zu haben als die anderen, erwartet aber Fortschritte von allen Herstellern.

Wenn jemand die Antwort darauf wüsste, würde er die Patente beantragen. Vielleicht sind sie es, wir sind uns dessen nur nicht bewusst. Die verschiedenen Teile Ihrer Frage betreffen verschiedene Probleme.

• Bei Kamerahandys scheint die Größe des Sensors derzeit der limitierende Faktor in Megapixeln zu sein. Sie können nur so viele Pixel auf so kleinem Raum unterbringen.

• Gleiches gilt in geringerem Maße für Compacts/Point und Shoots. Die aktuelle Auflösung der Sensoren übersteigt in der Regel die Fähigkeit der vorgeschalteten Objektive. Die größten Verbesserungsmöglichkeiten liegen eher im Bereich der Low-Light-Performance als bei den Megapixeln.

• Die neuesten DSLR-Angebote von Canon in allen außer dem Einstiegssegment waren Vollformatkameras. Abgesehen von Rebel-Updates, die alle denselben Sensor verwenden, war das letzte von Canon eingeführte APS-C-Modell die 60D im Jahr 2010 (und sie plus die Rebels verwenden alle denselben Sensor wie die 2009 eingeführte 7D). Seitdem haben sie Vollbildmodelle in 1D X, 5D mkIII und 6D zusammen mit dem APS-H 1D MkIV eingeführt – jedes mit seinem eigenen neuen Sensor. Die Gerüchte um einen neuen APS-C-Sensor für Canon kursieren schon länger. Sobald es produktionsreif ist, denke ich, dass wir ziemlich schnell einen 7D- und 60D-Ersatz sehen werden.¹ Der neueste Rebel, der T5i, hätte eigentlich der T4iN werden sollen. Es gibt so wenig Unterschied, dass viele Bewertungsseiten ihn nicht einmal bewerten.

• Es gibt einige interessante Neuentwicklungen wie die neue Farbmaske, die bei Fuji-Sensoren verwendet wird, mit einem 6x6-Muster aus 20 grünen, 8 roten und 8 blauen Pixeln anstelle einer 2x2-Bayer-Maske.

_{¹ Die 70D und 7D Mark II kamen und gingen mit nur sehr geringfügigen sensorbasierten Verbesserungen. Erst mit der Einführung der 80D im Jahr 2016 führte Canon endlich einen APS-C-Sensor mit erheblichen Verbesserungen gegenüber dem 18-Megapixel-APS-C-Sensor ein, der 2009 mit der ursprünglichen 7D eingeführt wurde.}

Das ist die Art von Antwort, die die Downvoter lieben. Glücklicherweise ist es nicht sehr aussagekräftig, "Rep" gleichmäßig zu erhöhen, also lass es bleiben ... :-)

So

Frage : Haben beschnittene digitale Sensoren ihre Designgrenzen erreicht?

Antwort : Nein.

Auf die Gefahr von Hybris und Leidensturm zu Babel-itis hin ist es vernünftig zu schlussfolgern, dass es immer möglich sein wird, die Dinge gleichzeitig besser und billiger zu machen. Die Hauptfrage ist normalerweise, wie lange es dauern wird, herauszufinden, wie das geht.

F:
Wie werden diese Änderungen erreicht?
Welche Form werden sie annehmen?
Welche bestehenden „relevanten und einschränkenden „Gesetze der Physik“ werden sie umgehen (nie „brechen“), um dies zu tun?

A:
Ich weiß es nicht.
Und niemand sonst tut dies mit Sicherheit für mehr als ein oder zwei Jahre in die Zukunft.
Das „nächste große Ding“ ist bereits patentiert, getestet & evaluiert und wird derzeit von den Ingenieuren optimiert. Ich weiß nicht, was es ist.

Auf dem Weg dorthin gibt es ausnahmslos schwierige Stellen, da z. B. einige Gesetze der Physik das dazwischenlegen, was als natürliche harte Grenze angesehen wird. In einigen Fällen kann die harte Grenze hart genug sein, dass es Jahrhunderte dauert, die "wirkliche Regel der Physik" zu finden, an die die alte angenähert war. Es besteht die Möglichkeit, dass die Gesetze, die die Beugungsbegrenzung regeln, für Jahrhunderte und möglicherweise Jahrtausende sicher sind.
Es besteht die Möglichkeit, dass im Jahr 2525 , wenn der Mensch noch lebt , die Beugungsbegrenzung in kleinen Sensorkameras und ähnlichem kein sinnvolles Konzept sein wird.

Reine körperliche Einschränkungen werden gerne umgangen. Heutzutage machen sich nur sehr wenige Menschen Gedanken über die erreichbare Korngröße von Bildern auf Silberbasis oder die Entflammbarkeit und Langlebigkeit von Nitrozellulose.
Oder ob 2,62 Megapixel für „gute“ Hochzeitsfotos wirklich ausreichen

Wow!!!

Nikon D1
2,62 Mp.
"Gegangen, so weit sie gehen können ..."

Größere Version :-}

Die Sensorforschung ist immer noch in vollem Gange, und es ist äußerst unwahrscheinlich, dass die Sensoren, die wir heute kaufen, die besten sind, die es je geben kann.

Es ist durchaus möglich, dass sich das Megapixel-Rennen für eine Weile verlangsamt; die kleinsten Sensoren (Handygröße) sind schon an der Beugungsgrenze.
Größere Sensoren, DX und FX, könnten ihre Megapixelzahl verdoppeln oder vervierfachen, bevor die Beugungsgrenze zu einem Problem wird, aber die tatsächlichen Vorteile einer weiteren Erhöhung der Sensorauflösung scheinen durch die Objektive begrenzt zu sein.

Aber es gibt viele andere Möglichkeiten, die Bildqualität zu verbessern, von iterativen Verbesserungen bei der Reduzierung von Rauschen und der Erhöhung der Quanteneffizienz (der Prozentsatz des auf den Sensor treffenden Lichts, das in Elektrizität umgewandelt wird, damit es aufgezeichnet werden kann) bis hin zu völlig neuen Sensordesigns.

Zwei Beispiele für unterschiedliche Sensordesigns, eines bereits auf dem Markt und eines in der frühen Forschungsphase:

• Sigmas Foveon-Sensor : Erfasst alle Farben bei jedem Pixel (anstelle des typischen Bayer-Sensors, der nur eine Farbe pro Pixel erfasst). Das Ergebnis ist eine höhere Auflösung bei gleicher Pixelanzahl . Ein aktueller Nachteil ist die sehr schlechte Leistung bei hohen ISO-Werten, aber es könnte Möglichkeiten geben, dies zu verbessern.
• Früher Panasonic - Prototyp : Überspringt die Bayer-Farbfilter (die 2/3 des einfallenden Lichts blockieren, bevor es auf den Sensor trifft) und ersetzt sie durch "Farbteiler". Der Effekt sollte 2-3x mehr Licht sein, das den Sensor erreicht, oder 1-1,5 Stufen Verbesserung der Leistung bei hohen ISO- Werten .

Wie es ausgeht, wird die Zeit zeigen. Aber ich habe keinen Zweifel, dass sich die Sensoren weiter verbessern werden, obwohl Verbesserungen möglicherweise nicht in Form von mehr Megapixeln erfolgen.

Beugungsgrenzen: Wie viele Mpx braucht es, um beugungsbegrenzt zu sein?

• FX-Sensor: 96 Mpx @ f/5.6; 394 Mpx @ f/2.8
• DX-Sensor: 43 Mpx @ f/5.6; 175 Mpx @ f/2.8
• 1"-Sensor: 13 Mpx @ f/5.6; 53 Mpx @ f/2.8
• 1/3,2" (iPhone) Sensor: 7,1 Mpx @ f/2.8; 13 Mpx @ f/2

Handys:

• Das iPhone 5 (8 Mpx) hat ein 1:2,4-Objektiv und ist bei 1:2,8 beugungsbegrenzt.
• Das Samsung Galaxy S4 (13 Mpx) hat ein 1:2,2-Objektiv und ist bei 1:2 beugungsbegrenzt.

Handysensoren stoßen also bereits an die Beugungsgrenze.

(Das Nokia 808 Pureview stopfte 41 Mpx in ein Mobiltelefon, aber es war ein viel größerer Sensor - 1/1,2", 5-6x größer als der iPhone/Samsung-Sensor und nicht viel kleiner als der 1" des Nikon 1-Systems - und af/2.4-Objektiv, also war es nahe an der Beugungsgrenze, hat sie aber nicht überschritten.)

1" Sensoren:

• Die Sony RX 100 (20 Mpx) hat ein 1:1,8-4,9-Objektiv und ist bei 1:4 beugungsbegrenzt.
• Nikon 1 V2 (13 Mpx) hat Objektive zwischen f/1.8 und f/5.6 und ist bei f/5.6 beugungsbegrenzt.

Diese liegen auch nahe der Beugungsgrenze für ihre jeweiligen Linsen. Aber das ist wohl genauso eine Frage der Verfügbarkeit von Objektiven. Wenn Nikon beispielsweise seine f/3.5-5.6-Zooms durch f/2.8-Versionen ersetzen würde, könnte ein Nikon-1-Sensor 53 Mpx nutzen, bevor er die f/2.8-Beugungsgrenze erreicht.

DX- und FX-Sensoren:

Diese haben viel Headroom, bevor sie ihre Beugungsgrenzen erreichen. Selbst bei einer relativ bescheidenen Blende von 1:5,6 könnten wir die Megapixelzahlen, die wir heute haben, verdoppeln oder verdreifachen.

Die praktischen Grenzen scheinen hauptsächlich auf Objektive zurückzuführen zu sein: Nikons 36-Mpx-Sensor (D800) in Kombination mit ihren besten Objektiven ergibt laut DxOMark-Tests eine Auflösung von 22 Mpx . Der 23-Mpx-Sensor von Canon (5D MkIII) in Kombination mit den besten Objektiven liefert laut denselben Tests ebenfalls eine Auflösung von 22 Mpx.

Wir müssen also möglicherweise auf Verbesserungen in der Optik warten, bevor wir durch das Hinzufügen von mehr Megapixeln viel gewinnen, und es kann für Sensorhersteller sinnvoll sein, ihre Bemühungen auf andere Bereiche zu konzentrieren.

Berechnungen basieren auf dem Durchmesser der Airy-Scheibe von hier aus und unter der Annahme einer Beugungsgrenze, wenn der Durchmesser der Airy-Scheibe 2,5 Pixel beträgt.