为什么更大的传感器具有更好的动态范围？

我已经了解了更大的传感器如何更好地控制景深和降低噪声的所有理论。但是我还没有找到可以解释为什么更大的传感器为您提供更大动态范围的地方？

传感器的大小无关紧要，它是像素的大小。话虽如此，较大的传感器（如全画幅相机）往往具有较大的像素。

您可以通过将传感器的尺寸除以像素数来估算像素的尺寸。由于大多数传感器在像素之间存在间隙，并且这些间隙的大小不同，因此此计算不准确。这就是为什么我要说“估计”。

现在，将传感器中的一个像素想像成一个盒子，将光子想象成一个球。盒子越大，它可以容纳的球越多。

假设我们有盒子A和盒子B。盒子A可以容纳256个球，盒子B可以容纳512个球。现在，让我们安排一个A型的盒子矩阵，然后向空中扔很多球。我们要收集球下落的一些统计数据。

中间的一个盒子包含256个球，边缘的盒子中包含〜20个球。我们不知道在中间只有256个球掉落或更多。我们的措施仅限于最大256个球。

现在让我们重复这个实验，但是现在使用B型盒子。现在我们可以看到，盒子中间有347个球，盒子的边缘有〜20个球。

我们的测量更加准确。这正是光子撞击传感器时发生的情况。更大的表面可以包含更多的光子，并且可以测量更大的动态范围。在我们的示例中，动态范围是较大框中的两倍。

如果像素充满光子，则转换为颜色将是完全饱和的颜色，但是像素表面较大时，将获得更好的结果，从而改善了动态范围。

这是一张可以证明我的解释的图片：

有关更深入的说明，您可能需要查看以下文章：

动态范围

考虑仅考虑光子噪声的理想传感器，则传感器越大，动态范围越大。动态范围是传感器饱和点与阴影中任何细节丢失的点之间的差。

较大的传感器将具有较大的像素或更多的像素。较大的像素意味着更大的存储电荷容量（所有其他条件都相同），每个像素捕获更多的光，因此阴影中的光更少，因此动态范围更大。更多的像素意味着每个像素的噪声相似，但是更多的像素需要平均以减少阴影噪声，从而增加动态范围。

实际上，还有其他噪声源，即读取噪声，其中光站点产生的模拟信号会在数字化之前拾取噪声。这对动态范围的影响远强于传感器尺寸的差异。来自图像暗区的低强度信号对读取噪声特别敏感，因此对DR的影响很大。

新技术（缩短从传感器到ADC的路径，发送信号两次并比较结果）几乎可以消除读取噪声，这使Sony Exmor等APS-C传感器的动态范围超出了佳能2.5倍的全画幅传感器的动态范围。差不多一个数量级！

还必须区分良好光线下的动态范围和不良光线下的动态范围。前者主要由读取噪声决定，因此，只要它具有较低的读取噪声和足够好的井深，便可以使用小型传感器。后者主要由光子噪声（在低光下提高ISO会放大光子噪声而不是读取噪声），因此，较大的传感器在此往往表现更好。同样，并非每个传感器都遵循趋势。

除了每个像素更大的表面积外，没有理由使更大的传感器具有更大的动态范围或更低的噪声，但是全画幅相机往往是高端设备，因此倾向于具有更好的传感器。

请注意，如果以与全帧传感器类似的质量进行制造，则没有理由认为分辨率较低，尺寸较小的传感器不会具有更好的噪声和动态范围性能。传感器表面每英寸的像素数和传感器的质量至关重要。

带框的示例非常正确，并解释了为什么较大的传感器具有较大的动态范围。像素越小，它可以存储的光电子就越少（可以存储的最大光电子数称为满阱容量）。通过缩小传感器，我们可以达到只能存储很少的电子从而导致黑白的情况图片（没有灰色阴影！（:)。

因此，毫无疑问，如果其他所有条件都相同，则更大的传感器具有更高的动态范围。

问题是，可以通过降低分辨率来增加动态范围吗？我知道可以用科学的CCD相机做到这一点（我亲自做到了）。但是，您可以对消费类相机和CMOS进行同样的处理吗？我假设是的，如果可以将2x2像素绑定为一个像素（有效地将分辨率降低4倍）。

根据我的研究，即使像素大小无关紧要，盒理论也适用于照明条件，因为较大的像素会收集更多的光，因此在弱光条件下（在常识中）肯定会有优势，但是传感器技术是动态范围的关键因素，因为动态范围是传感器保留高光和阴影零售的能力。例如，较新的传感器（小风扇或大风扇）的动态范围要优于较旧的全帧传感器的动态范围