デジタルカメラのセンサーサイズ
この記事の目的は、デジタル カメラのセンサー サイズがさまざまな種類の写真にどのように影響するかという質問に対処することです。センサー サイズの選択は、35 mm の中判フィルム カメラと大判フィルム カメラのどちらかを選択することに似ていますが、デジタル テクノロジーに固有の顕著な違いがいくつかあります。非常に多くの異なるサイズ オプションと、被写界深度、画像ノイズ、回折、コスト、およびサイズ/重量に関連する非常に多くのトレードオフの両方があるため、このトピックでは多くの混乱が生じることがよくあります。
このトピックに関する背景資料は、デジタル カメラ センサーのチュートリアルにあります。
センサーサイズの概要
現在、センサーのサイズには、用途、価格帯、および必要な携帯性に応じて、多くの可能性があります。これらの多くの相対的なサイズを以下に示します:
Canon の 1Ds/5D および Nikon D3 シリーズは、最も一般的なフル フレーム センサーです。 Rebel/60D/7D などの Canon カメラはすべて 1.6X のクロップ ファクターを持っていますが、主流の Nikon SLR カメラは 1.5X のクロップ ファクターを持っています。上記のチャートは、Canon の 1D シリーズ カメラで使用されている 1.3X クロップ ファクターを除外しています。
カメラ付き携帯電話やその他のコンパクト カメラは、1/4 インチから 2/3 インチの範囲のセンサー サイズを使用します。オリンパス、フジ、コダックのすべてが協力して、35 mm フィルムに比べて 2 倍のクロップ ファクターを持つ標準的な 4/3 システムを作成しました。中型および大型のセンサーは存在しますが、これらははるかに一般的ではなく、現在法外に高価です。したがって、これらはここでは具体的に扱われませんが、同じ原則が適用されます。
クロップファクターと焦点距離倍率
クロップ ファクターは、フルフレーム 35 mm センサーと比較したセンサーの対角サイズです .これは、35 mm レンズを使用する場合、このようなセンサーが (サイズが限られているため) 外側の画像を効果的にトリミングするためです。
35 mm フル フレーム画角 画像情報を捨てることは決して理想的ではないと最初は思うかもしれませんが、それには利点があります。ほぼすべてのレンズは中心部が最もシャープですが、端に行くほど品質が低下します。つまり、トリミングされたセンサーは、画像の最低品質の部分を効果的に破棄します。 、これは低品質のレンズを使用する場合に非常に便利です (これらは通常、エッジの品質が最悪であるため)。
トリミングされていない写真 
センタークロップ 
角刈り 一方で、これは、必要以上に大きなレンズを持ち歩いていることも意味します。これは、カメラを長時間持ち歩く人に特に関連する要因です (以下のセクションを参照)。理想的には、レンズから透過されたほぼすべての画像光を使用し、このレンズは十分に高品質であり、そのシャープネスの変化がその端に向かって無視できるものである.
さらに、広角レンズの光学性能が長い焦点距離ほど優れていることはめったにありません .トリミングされたセンサーは、より大きなセンサーと同じ画角を生成するために広角レンズを使用する必要があるため、品質が低下する可能性があります。センサーが小さいほど、レンズの中心領域が大きくなるため、解像度の限界は、低品質のレンズでより顕著になる可能性があります。詳細については、カメラ レンズの品質に関するチュートリアルを参照してください。
同様に、焦点距離乗数は、より小さいフォーマットで使用されるレンズの焦点距離を、同等の画角を生成する 35 mm レンズに関連付けます 、およびトリミング係数に等しいです。これは、1.6X クロップ ファクターのセンサーで使用される 50 mm レンズが、35 mm フル フレーム センサーで 1.6 x 50 =80 mm レンズと同じ視野を生成することを意味します。
これらの用語は両方とも誤解を招く可能性があることに注意してください。レンズが異なるサイズのセンサーで使用されているからといって、レンズの焦点距離が変わるわけではなく、画角が変わるだけです。 50 mm レンズは、センサーの種類に関係なく、常に 50 mm レンズです。同時に、(そのセンサー用に設計されたレンズを使用する場合) 画像が必ずしもトリミングされるとは限らないため、"クロップ ファクター" は非常に小さいセンサーを説明するのに適切ではない場合があります。
レンズのサイズと重量に関する考慮事項
小型センサーには軽量レンズが必要 (同等の画角、ズーム範囲、ビルド品質、絞り範囲)。この違いは、野生動物、ハイキング、旅行の写真撮影にとって重要な場合があります。これらはすべて、より重いレンズを使用したり、長時間機器を運ぶ必要があることが多いためです。以下のチャートは、スポーツや野生動物の写真で一般的なキヤノンの望遠レンズの選択に関するこの傾向を示しています。
これが意味することは、被写体が 35 mm カメラの画像の同じ割合を占める必要がある場合、1.5X クロップ ファクターのカメラで 200 mm f/2.8 レンズを使用する場合 (300 mm f/2.8 が必要)レンズ)、3.5 倍の重量を運ぶ必要があります!これはまた、2 つのサイズの違いを無視します。これは、人前で注目を集めたくない場合に重要になる可能性があります。さらに、重いレンズは通常、はるかに高価です。
一眼レフカメラの場合、センサーサイズが大きいほど、ファインダーの画像が大きく鮮明になり、マニュアルフォーカス時に特に役立ちます。ただし、これらのレンズは、レンズからビューファインダーに光を透過させて目に向けるためにより大きなプリズム/ペンタミラーが必要になるため、重くなり、コストも高くなります。
被写界深度の要件
センサーのサイズが大きくなるにつれて、特定の絞りに対する被写界深度は減少します (同じサイズと距離の被写体でフレームを満たす場合)。これは、センサーが大きいほど、被写体に近づくか、フレームを埋めるために長い焦点距離を使用する必要があるためです。 その主題で。これは、より大きなセンサーで同じ被写界深度を維持するために、徐々に小さな開口サイズを使用する必要があることを意味します。次の計算機は、同じ被写界深度を達成するために必要な絞りと焦点距離を予測します (遠近感を維持しながら)。
*同じ視点が必要な場合。
計算例として、1.6X クロップ ファクターのカメラで f/11 の 10 mm レンズを使用して得られるものと同じ視点と被写界深度をフル フレーム センサーで再現したい場合、次の値を使用する必要があります。レンズは16mm、絞りはおおよそf/18。あるいは、フル フレーム センサーで 50 mm f/1.4 レンズを使用すると、被写界深度が非常に浅くなり、クロップ ファクター 1.6X のカメラでは 0.9 の絞りが必要になります。消費者向けレンズでは不可能です!
ポートレート (浅い被写界深度)
風景 (大DoF)
背景のぼやけを改善するため、ポートレートには浅い被写界深度が望ましい場合がありますが、風景写真には深い被写界深度が望ましいです。これが、コンパクト カメラがポートレートで大きな背景のぼかしを生成するのに苦労しているのに対し、大型フォーマット カメラが風景で適切な被写界深度を生成するのに苦労している理由です。
上記の計算では、元のセンサー (#1) と同じ画角を再現できる新しいセンサー (#2) にレンズがあることを前提としています。代わりに同じレンズを使用する場合、絞りの要件は同じままです (ただし、被写体に近づく必要があります)。ただし、このオプションは視点も変更します。
回折の影響
センサー サイズが大きいほど、回折エアリー ディスクが錯乱円よりも大きくなる前に、より小さいアパーチャを使用できます (プリント サイズとシャープネス基準によって決定されます)。これは主に、同じ印刷サイズを実現するために、より大きなセンサーを大きくする必要がないためです。例:理論的には 8x10 インチの大きさのデジタル センサーを使用できるため、8x10 インチのプリントでは画像を拡大する必要はまったくありませんが、35 mm センサーではかなりの拡大が必要になります。
次の計算機を使用して、回折によってシャープネスが低下し始める時期を推定します。これは、画面上で 100% で表示したときに回折が見える場合のみを示していることに注意してください。これが最終的な印刷で明らかになるかどうかは、表示距離と印刷サイズにも依存します。これも計算するには、回折限界と写真にアクセスしてください。
回折の開始は緩やかであるため、上記の回折限界よりわずかに大きいまたは小さい開口部が、それぞれ突然良くなったり悪くなったりするわけではないことに注意してください。さらに、上記は理論上の限界にすぎません。実際の結果は、レンズの特性にも依存します。次の図は、ピクセル サイズを表すグリッドに対する 2 つの開口部のエアリー ディスクのサイズ (理論上の最大解像能力) を示しています。
ピクセル密度による解像度の制限 (浅い DOF 要件)
エアリー ディスク制限の解決 (深い DOF 要件)
上記の結果の重要な意味は、センサーが大きいほど回折限界のピクセル サイズが大きくなることです。 (被写界深度の要件が変わらない場合)。このピクセル サイズは、ピクセル密度ではなく、エアリー ディスク サイズが総解像度の制限要因になる時期を指します。さらに、回折限界の被写界深度は、すべてのセンサーサイズで一定です。この要因は、目的の用途に合わせて新しいカメラを決定する際に重要になる場合があります。これは、より多くのピクセルが必ずしもより高い解像度を提供するとは限らないためです (被写界深度の要件に対して)。実際、ピクセル数が増えると、ノイズが増えてダイナミック レンジが減少するため、画質が損なわれることさえあります (次のセクション)。
ピクセル サイズ:ノイズ レベルとダイナミック レンジ
一般に、大型のセンサーはピクセルも大きく (常にそうとは限りませんが)、画像ノイズが低くなり、ダイナミック レンジが広くなる可能性があります。ダイナミック レンジは、ピクセルが完全に白くなったときにセンサーがキャプチャできるトーンの範囲を表しますが、テクスチャがバックグラウンド ノイズ (黒に近い) から識別できない場合はそれ以上になります。ピクセルが大きいほど体積が大きくなり、フォトン容量の範囲が広くなるため、一般にダイナミック レンジが大きくなります。
注:カラー フィルターなしで表示されている空洞
さらに、ピクセルが大きいほど、特定の露出時間 (同じ f ストップで) 中に受け取る光子束が多くなるため、光信号がはるかに強くなります。一定量のバックグラウンド ノイズに対して、これにより信号対ノイズ比が高くなり、より滑らかな外観の写真が生成されます。
大きなピクセル (より大きなセンサーを使用)
小さいピクセル (センサーが小さい場合)
ただし、バックグラウンド ノイズの量は、センサーの製造プロセスと、カメラが各ピクセルからどの程度効率的に階調情報を抽出するか (追加のノイズを導入することなく) にも依存するため、常にそうとは限りません。ただし、一般的には、上記の傾向が当てはまります。考慮すべきもう 1 つの側面は、100% で表示したときに 2 つのセンサーの明らかなノイズが同じであっても、ピクセル数の多いセンサーの方がよりきれいに見える最終プリントを生成することです。 .これは、(特定の印刷サイズに対して) ピクセル数の多いセンサーほどノイズの拡大が少なくなるためです。したがって、このノイズの周波数が高くなり、粒子が細かく表示されます。
デジタル センサーの製造コスト
デジタル センサーのコストは、面積が大きくなるにつれて劇的に上昇します。これは、面積が 2 倍のセンサーは 2 倍以上の費用がかかることを意味します。そのため、より大きなサイズに移行すると、事実上、単位あたりの「センサーの不動産」により多くの費用がかかります。
シリコンウェーハ(小さなセンサーに分割)
シリコンウェーハ(大型センサーに分割)
これは、メーカーがデジタル センサーをどのように製造しているかを見れば理解できます。各センサーは、ウエハーと呼ばれるシリコン素材の大きなシートから切り出されており、ウエハーには何千もの個別のチップが含まれている場合があります。各ウェーハは非常に高価 (数千ドル) であるため、ウェーハあたりのチップ数が少ないと、チップあたりのコストがはるかに高くなります。さらに、修復不能な欠陥 (ホット ピクセルが多すぎるなど) が特定のセンサーに発生する可能性は、センサーの面積とともに増加するため、使用可能なセンサーの割合は、センサーの面積 (ウエハーあたりの歩留まり) が増加するにつれて低下します。これらの要因 (ウエハーあたりのチップ数と歩留まり) が最も重要であると仮定すると、コストはセンサー面積の 2 乗に比例して増加します (センサーが 2 倍大きくなると、4 倍のコストがかかります)。実際の製造では、サイズとコストの関係がより複雑になりますが、これにより、コストが急上昇することがわかります。
これは、特定のサイズのセンサーが常に法外に高価になると言っているわけではありません。それらの価格は最終的に下がる可能性がありますが、より大きなセンサーの相対的なコストは、より小さなサイズと比較すると、(単位面積あたり) はるかに高価なままである可能性があります.
その他の考慮事項
一部のレンズは、特定のセンサー サイズでしか利用できません （または、意図したとおりに機能しない可能性があります）。これは、これらが写真のスタイルに役立つ場合にも考慮される可能性があります.注目すべきタイプの 1 つはティルト/シフト レンズで、ティルト機能を使用して見かけの被写界深度を増やす (または減らす) ことができます。チルト/シフト レンズは、シフトを使用して遠近感を制御し、カメラを水平線の上または下に向けることによって発生する収束する垂直線を減らす (または排除する) こともできます (建築写真に役立ちます)。さらに、高速超広角レンズ (f/2.8 以上) はトリミングされたセンサーでは一般的ではありません。これは、スポーツやフォトジャーナリズムで必要な場合の決定要因になる可能性があります。
結論:全体的な画像の詳細と競合する要因
被写界深度は、より大きなフォーマットのセンサーでははるかに浅くなりますが、回折限界に達する前に (選択したプリント サイズとシャープネスの基準に対して) より小さい開口を使用することもできます。では、どのオプションが最も詳細な写真を作成できる可能性があるでしょうか?被写界深度を犠牲にする余裕があれば、より大きなセンサー (およびそれに対応するより高いピクセル数) は間違いなくより多くの詳細を生成します。一方、同じ被写界深度を維持したい場合、センサー サイズが大きいほど解像度が有利になるとは限りません .さらに、回折限界の被写界深度はすべてのセンサー サイズで同じ .言い換えると、回折が顕著になる前に最小の開口を使用した場合、回折限界の開口が異なっていても、すべてのセンサー サイズで同じ被写界深度が生成されます。
テクニカル ノート :この結果は、ピクセル サイズが問題の各センサーの回折限界エアリー ディスクのサイズに匹敵し、各レンズが同等の品質であることを前提としています。さらに、チルト レンズ機能は、より大きなフォーマットのカメラではるかに一般的です。焦点面の角度を変更して、見た目を向上させることができます。 DoF. 
もう 1 つの重要な結果は、被写界深度が制限要因である場合、必要な露出時間は、同じ感度のセンサー サイズに応じて増加することです。 この要因は、おそらくマクロおよび夜景写真に最も関連しています。写真を手持ちで小さいフォーマットで撮影できる場合でも、同じ写真が必ずしも大きいフォーマットで手持ちで撮影できるとは限りません。
一方、露出時間は、最初に想定したほど必ずしも増加するとは限りません。これは、より大きなセンサーは一般にノイズが少ないためです (したがって、同様の知覚ノイズを維持しながら、より高い感度の ISO 設定を使用する余裕があります)。
デジタル カメラ センサーが大きいほど (ピクセル サイズに関係なく)、知覚されるノイズ レベル (所定の印刷サイズで) は一般に低下するのが理想的です。 .
ピクセルサイズに関係なく、センサーが大きいほど集光領域が大きくなることは避けられません。理論的には、ピクセルが小さい大型のセンサーは、ピクセルが大きい小型のセンサーよりも見かけのノイズが低くなります (その結果、総ピクセル数がはるかに少なくなります)。これは、コンピューターの画面では 100% でノイズが大きく見える場合でも、解像度の高いカメラではノイズが拡大されにくくなるためです。あるいは、より少ないピクセル数のセンサーの解像度を達成しながら、より多くのピクセル数のセンサーで隣接するピクセルを平均化することができます（それによりランダムノイズが減少します）。これが、Web 用に縮小された画像や小さな印刷物が非常にノイズのないように見える理由です。
テクニカル ノート :これはすべて、マイクロレンズの有効性とピクセル間隔の違いが無視できることを前提としています。ピクセル間隔を一定に保つ必要がある場合 (チップ上の読み出しやその他の回路により)、マイクロレンズがこの損失を補償できない限り、ピクセル密度が高くなると集光領域が少なくなります。さらに、これは固定パターンまたは暗電流ノイズの影響を無視します。これは、カメラのモデルと読み出し回路によって大きく異なる可能性があります。全体:一般的に、センサーが大きいほど、制御性が向上し、芸術的な柔軟性が向上しますが、レンズが大きくなり、機器が高価になります .この柔軟性により、(必要に応じて) 小型センサーを使用した場合よりも被写界深度を浅くすることができますが、ISO 速度を上げて絞りを小さくすることで (または三脚を使用する場合)、小型センサーに匹敵する被写界深度を実現できます。 ).