De digitale sensor – deel 1
De sensor is het hart van een digitale camera, en mee bepalend voor een kwalitatief eindresultaat. De verschillen tussen allerlei types en formaten zijn echter niet altijd duidelijk. Laten we eerst kijken naar de meest opvallende eigenschap van een sensor: de afmetingen.
ANALOOG: van groot naar klein…
Om de oorsprong van de populaire aanduidingen van sensorformaten te begrijpen, moeten we even terug naar de hoogdagen van de analoge fotografie.
Het begrip ‘grootformaat’ verwijst naar vlakfilm, ooit geproduceerd in allerlei afmetingen maar vandaag meestal beperkt tot 4×5 inch en 8×10 inch versies. Deze soepele beelddragers (eerst van acetaat en later van polyester) verdrongen vanaf het begin van de 20ste eeuw de lichtgevoelige emulsies aangebracht op koperen, papieren of glazen substraten uit de pioniersjaren.
‘Middenformaat’ is de verzamelnaam voor een hele reeks beeldformaten (6×9 cm, 6×7 cm, 6×6 cm en 6×4,5 cm) vastgelegd op een rolfilm (met resp. 8, 10, 12 en 16 opnames). Deze 61 mm brede filmstrook werd al in 1901 geïntroduceerd voor de amateurmarkt. Klapcamera’s, meetzoekercamera’s, twee-oog en spiegelreflex modellen maakten rolfilm bijzonder populair bij zowel professionals als fotoliefhebbers. In 1965 werd het ‘120’ type aangevuld met een ‘220’ variant, met een tweemaal langere filmstrook (en dus goed voor een dubbel aantal opnames).
Een nog smaller ‘kleinbeeld’ filmformaat deed zijn intrede in 1925, samen met een compacte meetzoekercamera. Beelden van 24×36 mm werden vastgelegd op een 35 mm brede geperforeerde filmstrook (al eerder gebruikt voor bioscoopfilms), vanaf 1934 verpakt in een handige ‘135’ cassette. Met de komst van kleurenfilms en tal van cameratypes groeide kleinbeeldfilm uit tot dé standaard bij amateur- en reportagefotografen.
Rond 1960 verschenen compacte ‘halfkleinbeeld’ of ‘half frame’ fototoestellen, die op hetzelfde ‘135’ rolletje beelden van 24×18 mm registreerden: net de helft van het originele ‘full frame’ formaat, vandaar de benaming. Later volgden nog het APS of Advanced Photo System (met een 24mm brede film dat in de ‘C’ of ‘Classic’ modus 25,1×16,7 mm als beeldformaat gebruikte) en de 110 cassettes (13×17 mm beelden op een 16 mm brede film).
De meest gebruikte filmformaten op een rijtje
…en DIGITAAL: van klein naar groot.
Bij de digitale sensors verliep de evolutie van de afmetingen in de omgekeerde richting: het bleef lange tijd onmogelijk om grotere chips op een reproduceerbare en betaalbare wijze te fabriceren.
De allervroegste digitale fototoestellen gebruiken erg kleine CCD-sensors met zeer beperkte resolutie (minder dan 2 Mpx). Ze hadden vaak geen of enkel een optische doorkijkzoeker.
APS-C sensors met een resolutie rond 3 Mpx deden hun intrede met de eerste digitale reflexcamera’s (DSLR’s) rond 2000. Die benaming kwam er omdat de 23,5×15,6 mm sensorafmeting (3:2 verhouding) erg gelijkt op het APS-C filmformaat. Een volgende, meer betaalbare generatie camera’s voorzien van 6 Mpx sensors begin 2004 betekende de doorbraak naar de markt van de hobbyfotografie. Elke fabrikant ontwikkelde ook compacte lenzen aangepast aan dit formaat.
Camera’s met ‘full-frame’ sensors, die hetzelfde ca. 24 x 36 mm beeldformaat gebruiken als kleinbeeldfilm, verschenen eerst in 2002 voor professionals, en vanaf 2005 stilaan ook voor amateurfotografen. Velen wilden maar al te graag de lenzen van hun analoge 35 mm reflexcamera’s ook digitaal gebruiken. Daarnaast evolueerden de APS-C camera’s verder, als compactere en minder dure alternatieven.
In 2008 doken de eerste ‘spiegelloze’ camera’s op met micro four thirds (MFT of M43) sensoren, die een beeldgrootte hebben van 13,0 x 17,3 mm (4:3 verhouding), ongeveer zoals de 110 cassettefilm. Elektronische beeldzoekers (EVF) waren immers voldoende geëvolueerd om het tegen de optische reflexzoeker op te nemen, en zo het dure en delicate klapspiegelsysteem te vermijden.
Nog recenter kwamen ‘groot formaat’ sensors erbij, met afmetingen groter dan de full-frame referentie. Oorspronkelijk werden die ingebouwd in ‘digital camera backs’, te gebruiken met bestaande groot formaat camerasystemen. In 2016 verschenen de eerste spiegelloze camera’s met een 50 Mpx sensor van 32,9 x 43,8 mm (4:3 verhouding), gevolgd in 2019 door even grote 102 Mpx sensors. De resolutie en beeldkwaliteit ervan evenaren of overtreffen die van de vroegere middenformaat film.
Vier veelgebruikte sensorformaten
Sensorformaat en ‘cropfactor’
Als we een onderwerp fotograferen met camera’s die verschillende sensorformaten gebruiken, telkens met dezelfde lens en vanop dezelfde afstand, dan lijkt het beeld vastgelegd met een kleinere sensor meer uitvergroot dan het resultaat met een grotere sensor. Dat komt omdat verschillende sensorgroottes een verschillende beeldhoek opleveren:
Een kleinere sensor leidt tot een kleinere beelduitsnede
De foto gemaakt met de kleinere sensor lijkt net een uitsnede (in het Engels: een ‘crop’) uit de opname met een grotere sensor.
De cropfactor wordt gedefinieerd als de verhouding van de diagonale afmeting van een bepaalde sensor tot de diagonaal van het referentieformaat (24 x 36 mm kleinbeeldfilm of full-frame sensor). Het is een manier om aan te geven hoe de beelduitsnede varieert met de grootte van de sensor.
Door de diagonale afmeting te nemen kunnen we rekening houden met verschillende beeldverhoudingen (3:2, 4:3…) tussen de sensors. Noteer verder dat de oppervlaktes van de sensoren zich verhouden als het kwadraat van de cropfactor.
Nemen we als voorbeeld een lens met 50 mm brandpuntsafstand, ontworpen voor gebruik met een full-frame sensor. De lens projecteert een ronde beeldcirkel, ruim genoeg om het full-frame beeldformaat scherp te kunnen vullen.
Die full-frame sensor registreert als het ware een rechthoekige uitsnede uit de beeldcirkel van de lens. De rode kader geeft aan wat er uiteindelijk op de foto te zien zal zijn.
Een APS-C sensor is ca. 1,5x kleiner dan een full-frame exemplaar. De beelduitsnede wordt daardoor 1.5x kleiner. Bij het APS-C formaat geldt dus een cropfactor van 1,5x.
Voor lenzen specifiek ontworpen voor gebruik op APS-C camera’s volstaat een kleinere beeldcirkel. Daardoor kunnen ze compacter, lichter en goedkoper worden.
Om precies dezelfde opname te maken met een full-frame sensor, zouden we een (full-frame) lens met een 1.5x langere brandpuntsafstand moeten gebruiken. We zeggen daarom dat een 50 mm lens op een APS-C camera equivalent is aan een 75 mm (50 x 1,5) lens op full-frame.
Een micro four thirds (MFT) sensor is ca. 2x kleiner dan een full-frame exemplaar, dus wordt ook de beelduitsnede 2x kleiner. Bij het MFT-formaat geldt daarom een cropfactor van 2x. Om net dezelfde opname te maken met een full-frame camera moeten we daarop een 100 mm (50 x 2) lens gebruiken.
Gebruiken we onze full-frame 50 mm lens op een camera met een groot formaat sensor, dan blijkt de beelduitsnede daarvan groter dan de full-frame beeldcirkel toelaat. Langs de randen en in de hoeken van het beeld krijgen we dan verduistering (vignettering), onscherpte en/of andere vervormingen.
Een 50 mm lens specifiek ontworpen voor gebruik met groot formaat camera’s heeft wel een voldoende ruime beeldcirkel. De diagonaal van de groot formaat sensor is ca. 1,25x groter dan die van onze full-frame referentie. Bij groot formaat geldt daarom een cropfactor van 0,8x (1/1,25).
Om datzelfde ruimere beeldveld met een full-camera vast te leggen, moeten we een (full-frame) lens met 1,25x kleinere brandpuntsafstand gebruiken. Daarom noemen we een 40 mm lens op een groot formaat camera equivalent aan een 50 mm lens op full-frame.
Welk sensorformaat gebruiken Fujifilm camera’s?
Alle X-Series camera’s (zoals de links afgebeelde X-T4) hebben een APS-C formaat sensor van 23,5 x 15,7 mm. De cropfactor ervan bedraagt 1,52x. Deze toestellen bieden een best-in-class beeldkwaliteit in een compact cameraformaat. Alle XF- en XC-lenzen zijn speciaal voor dit beeldformaat ontworpen en geoptimaliseerd.
De vier modellen uit de GFX lijn (zoals de GFX100S, hierboven rechts ) hebben een groot formaat sensor die 43,8 x 32,9 mm meet, zowat tweemaal hoger en breder dan een APS-C sensor. De cropfactor bedraagt hier 0,79x. De ‘more than full-frame’ GFX-camera’s koppelen een uitzonderlijke beeldkwaliteit aan hoge prestaties en groot gebruiksgemak. De bijhorende lenzen uit de GF-reeks sluiten perfect aan bij het ruimere sensorformaat.