De crop-factor (uitsnede factor)

Omdat full-frame camera's vrij duur zijn is men ook camera's met kleinere sensors gaan fabriceren die kleiner, minder zwaar en goedkoper zijn. Maar het gebruik van een kleinere sensor heeft gevolgen. Omdat een camera met APS-C-sensor heel populair is gaan we deze als voorbeeld nemen om eens na te gaan wat de toepassing daarvan met zich meebrengt.

Wat is de crop-factor en hoe wordt die bepaald?

In onderstaand voorbeeld stelt de bovenste camera een full-frame voor (met sensor van 36 x 24 mm) en de onderste een APS-C (Canon-sensor van 22,3 x 14,9 mm). Op beide camera's staat hetzelfde objectief gemonteerd met een brandpuntsafstand van 100 mm en beide camera's staan op precies dezelfde afstand van het onderwerp (de libelle).
In beide gevallen werpt dit objectief een even groot cirkelvormig beeld op de sensors.

Het blauwe vierkant rechts in de afbeelding geeft het beeld weer dat op de full-frame-sensor terecht komt, het rode vierkant het beeld dat op de kleinere APS-C-sensor terecht komt.
Het op de kleinere APS-C-sensor geregistreerde beeld is dus een crop (uitsnede) van het full-frame beeld.

De crop-factor zoals men die aangeeft wordt bepaald door de verhouding van het diagonaal van het full-frame 36 x 24 mm referentieformaat (diagonaal = 43,27 mm) en de diagonaal van de kleinere sensor (in dit voorbeeld de diagonaal van Canon APS-C = 26,82 mm).

Crop-factor voor Canon APS-C is 43,27/26,82 = 1.6

Het equivalent

Willen we van de libelle met een APS-C-camera een even grote afbeelding bekomen als met de full-frame dan moeten we achteruit met de APS-C om meer van de libelle in beeld te kunnen brengen, de onderwerpafstand wordt groter.

Om de libelle precies even groot weer te geven moet het 100 mm objectief op de APS-C het equivalent zijn van een 160 mm (100 mm x 1,6 crop-factor). in de volksmond zegt men dat het 100 mm objectief op een Canon APS-C een 160 mm wordt.

Wat houdt dit in wat scherptediepte betreft?

Als in de bovenste afbeelding 1 hetzelfde objectief, diafragma en onderwerpafstand worden gebruikt is de scherptediepte in beide beelden precies hetzelfde (het APS-C beeld is wel kleiner maar de scherptediepte is hetzelfde).
Maar als we de onderwerpafstand vergroten om met hetzelfde objectief en diafragma een even groot beeld te bekomen als met de full-frame zoals in afbeelding 2 dan neemt de scherptediepte toe want de scherptediepte is recht evenredig met het kwadraat van de onderwerpafstand.

Een kleinere sensor creëert hier een grotere scherptediepte en hoe kleiner de sensor hoe verder we achteruit moeten om de libelle even groot in beeld te krijgen en hoe groter dan de scherptediepte wordt. Compact camera's hebben door hun kleine sensor een heel grote scherptediepte.

Wat houdt dit in wat beeldhoek betreft?

Aangezien het objectief op de full-frame en APS-C camera identiek is zal ook de beeldhoek hetzelfde zijn.

Maar omdat we met de APS-C-camera achteruit moesten gaan om een even grote afbeelsing te bekomen als met de full-frame zullen we met de APS-C-camera meer van de achtergrond in beeld krijgen en dat kan een nadeel zijn als het om een storende achtergrond gaat.

Wat houdt dit in wat objectieven betreft.

Voor camera's met kleinere sensors kan men kleinere (en goedkopere) objectieven maken.
Een objectief werpt een cirkelvormig beeld op de sensor en deze beeldcirkel moet uiteraard de volledige sensordiagonaal omvatten (vandaar de berekening van de crop-factor door middel van de diagonalen van de sensors)
In de afbeelding rechts staat de blauwe beeldcirkel voor full-frame en de rode voor APS-C. Hoe kleiner de sensor, hoe kleiner de beeldcirkel en hoe kleiner en lichter men het objectief kan maken.
Bij Canon zijn de EF-S objectieven ontworpen voor hun APS-C's. Deze objectieven kunnen niet op full-frame camera's worden gebruikt.
Bij Nikon zijn de DX objectieven ontworpen voor hun APS-C's. Opletten dus als je van een APS-C formaat overstapt naar full-frame.
Objectieven voor full-frame (EF bij Canon en FX bij Nikon) kan je meestal ook op APS-C camera's gebruiken (raadpleeg de handleiding).

Microlensjes en fotodioden

Een sensor van een digitale camera is een complexe constructie. Heel simpel uitgelegd is die opgebouwd uit miljoenen miniscule kleine microlensjes die het licht opvangen en naar een fotodiode geleiden. Iedere fotodiode vormt uiteindelijk één pixel.
De fotodiode zet het licht om in een electrisch signaaltje dat op de gepaste manier wordt versterkt en uiteindelijk tot een digitaal beeld kan worden omgevormd.

(Fotodioden herkennen geen kleur en registreren alleen de hoeveelheid licht die op sensor valt. Om toch een kleur aan een pixel te kunnen toewijzen wordt er boven de microlensjes een kleurenfilter (Bayer Matrix) geplaatst. Daarboven zitten ook nog enkele andere filters. Bij de Foveon-sensor liggen de individuele kleuren rood, groen en blauw boven elkaar.

Ruis

Hoe meer pixels men op een sensor wil proppen hoe kleiner men de microlensjes zal moeten maken.
Veronderstel dat in de onderstaande afbeelding de 3 sensors allemaal 10 Mpx hebben (10 miljoen pixels) dan geeft het onderste cijfer de pixeldichtheid, het aantal pixels per mm² weer.

Op de 10 Mpx APS-C sensor moet men bijna 3 keer zoveel pixels per mm² plaatsen dan bij de 10 Mpx full-frame (30.395 tegenover 11.574).
Op de kleine 1/2.5 inch sensor voor de 10 Mpx compact camera heb je 34,5 keer meer pixels per mm² nodig dan op de full-frame en 13 keer meer dan op de APS-C. Deze sensors hebben dus heel kleine pixeltjes.

Het is nogal logisch dat een kleine pixel minder licht kan opvangen dan een grote waardoor er bij een kleine pixel meer 'versterking' nodig is voor een goede beeldvorming, maar meer 'versterking' veroorzaakt meer ruis.
Ter info:
hogere ISO-gevoeligheidsinstellingen en een hogere sensortemperatuur geven ook meer ruis.
Jaar na jaar heeft men de technieken om de ruis onder controle te houden weten te verbeteren (microlensjes, fotodioden, elektronika) en er is uiteraard ook nog software om zichtbare ruis in een afbeelding weg te werken of te verminderen.

Het aantal pixels op de sensor van een hedendaagse full-frame camera ligt tegenwoordig meestal tussen 12 tot 24 Mpx. Op een APS-C 10 tot 18 Mpx.

Dynamisch bereik

Het dynamisch bereik duidt de hoeveelheid helderheidsniveau's aan die de sensor kan weergeven tussen zwart en wit.

Bij heel kleine pixels is het aantal helderheidsniveau's beperkter en kleurnuances in heel donkere of lichte beeldpartijen zijn dan niet meer van elkaar te onderscheiden.
Met grotere sensorpixels kan men een groter dynamisch bereik bekomen.

Heel kleine pixels stellen ook meer eisen aan het objectief. Om een miniscule pixel te belichten moet het licht door een miniscuul klein deeltje van het objectief worden 'geperst' en dus zullen alle lenzen in het objectief van goede kwaliteit moeten zijn. Op een sensor met heel veel (kleine) pixels gebruik je best goede objectieven.

Diffractielimiet

Een volledige technische uiteenzetting over de diffractielimiet gaat hier te ver leiden. Ik doe een poging om het kort en simpel uit te leggen.
Wanneer lichtstralen doorheen een grote opening vallen zijn er weinig problemen (linkse afbeelding).
Wanneer ze zich door een heel kleine opening moeten wringen (rechtse afbeelding) beginnen de lichtstralen af te buigen (zich te verspreiden) en te interfereren met elkaar.
Bij piepkleine pixels zijn de microlensjes (die het licht bundelen en concentreren op de fotodiode) ook kleiner en kan het licht zodanig geconcentreerd worden dat ook hierbij diffractie optreedt.

Ook bij objectieven treedt dit verschijnsel op bij zeer kleine diafragma openingen.
Een voorbeeld met afbeeldingen kan je zien op Luminous Landscape.
Bij de huidige Canon EOS 5D ligt de diffractielimiet op diafragmawaarde f 13.8 (hoogste waarde van alle Canon camera's).
Bij de Canon EOS 7D ligt de diffractielimiet op diafragmawaarde f 6.8 (laagste waarde van alle APS-C camera's).
Dit wil niet zeggen dat men dan geen kleinere diafragopeningen kan gebruiken maar wanneer men het diafragma verder sluit dan de door diffractie gelimiteerde diafragmaopening zal de scherpte geleidelijk afnemen.
Zie ook The Digital Picture (scroll naar beneden tot aan de tabel, de uiterste rechtse kolom geeft de DLA (Diffraction Limited Aperture)

8 Canon APS-C camera's in 10 jaar! Van D30 naar 7D en van 3,1 Mpx naar 18 Mpx

Terwijl we 10 jaar geleden met een sensor van 2 à 3 megapixels tevreden moesten zijn kan men heden over toestellen met 24 Mpx beschikken. Zelfs bij de spiegelreflexen met APS-C sensor was er een enorme toename in Mpx.
Hieronder de ontwikkelingen voor Canon camera's met APS-C sensor.