Okej. Jag har funderat lite. Jag är varken optiker eller halvledarkonstruktör, eller ens duktig fotograf. Det är alltså möjligt att jag har fel på flera punkter. Men här följer iallafall mitt resonemang i den här frågan.
1. Anta att det finns ett objektiv som utan skärpeförluster kan avbilda ett motiv som har detaljer av en hundradels millimeters storlek. Dvs, som har en, hmmm... upplösningsförmåga om 100 lpm (linjer per millimeter), eller kortfattat MTF 1,0 vid 100 lpm.
2. En svenskättling vid namn Nyqvist upptäckte en för den digitala tekniken viktig grundregel, det så kallade Nyqvistkriteriet, eller Nyqvists samplingsteorem. Nyqvists samplingsteorem konstaterar att en signal måste samplas med en frekvens dubbelt så hög som den högsta frekvenskomponenten i signalen för att information inte skall förloras. En annan herre, Shannon, konstaterar också att det endast är möjligt att rekonstruera en signal med ett frekvensinnehåll lägre än Nyqvistfrekvensen.
Konsekvensen av ovanstående torra resonemang är att: har man ett objektiv som klarar av att avbilda ett motiv med en upplösning på 100 lpm behöver man en sensor som har 200 pixlar per millimeter för att optimalt motsvara objektivets kapacitet, eller 40000 pixlar per kvadratmillimeter.
Fler pixlar per kvadratmillimeter är alltså, i detta exempel, onödigt. Det är som att kasta pärlor för svin. Att översampla är poänglöst eftersom det ändå inte är möjligt att återskapa mindre detaljer än vad objektivet kan återge. Och objektiv med bättre återgivningsförmåga än MTF 1,0 vid 100 lpm är väl ganska sällsynta?
Storleken på sensorn, sen, avgör hur många pixlar vi fångar per exponering. Ju fler, desto större bild. Stora sensorer är, kanske, bra, eftersom vi på ett givet avstånd kan avbilda en större del av motivet. Men oavsett hur stor sensorn är är det antalet pixlar per kvadratmillimeter som avgör om den kan matcha objektivets upplösningsförmåga.
Men. Storleken på sensorn har en avgörande betydelse för en annan parameter. Nämligen priset.
När man tillverkar chips börjar man med en millimetertunn, rund, skiva av kisel. En sk wafer, som typiskt är 200 mm eller 300 mm i diameter. Kretsen (i vårt fall en sensor) överförs till denna wafer genom komplicerade processer (maskning, etsning, etc). Sedan sågar man ut kretsarna ur kiselskivan (nä, inte med en fogsvans). Man gör naturligtvis så många kretsar man får plats med på varje wafer.
Enkelt. Så för att göra stora sensorer gör man bara större kretsar. Men med tillräckligt många pixlar per kvadratmillimeter för att uppnå den upplösning man vill ha?
Nä. Det finns två problem.
1. Kostnaden per wafer är ganska fixerad. Den har varit och kommer att fortsätta vara hyfsat konstant. Konsekvensen blir alltså att ju fler kretsar man får ur varje wafer desto lägre blir tillverkningskostnaden per krets. Eller omvänt, en större krets (sensor) blir dyr eftersom den tar mer plats.
2. Det finns orenheter i eller på kiselskivan. Exempelvis dammpartiklar eller oregelbundenheter/föroreningar i kiselkristallen. Detta gör att en viss del av kretsarna måste kasseras. Andelen kretsar som måste kasseras kallas vanligen för yield loss. Det visar sig att yield loss stiger exponentiellt när arean på kretsarna ökar.
Dessa två faktorer sammantaget gör att tillverkningskostnaden ökar dramatiskt med storleken på kretsarna. Och så kommer det att förbli eftersom kostnaden per wafer är ganska konstant.
Detta är en av huvudanledningarna till att man i halvledarindustrin hela tiden försöker packa in fler och fler transistorer på en och samma yta. Två andra anledningar är att man genom att packa transisorerna närmare får lägre fördröjningar (högre prestanda) samt att man inte använder lika många elektroner (sänkt effektförbrukning och lägre värmeutveckling).
Processen för tillverkning av integrerade kretsar gör det alltså mer effektivt (lönsamt) att packa transistorerna tätare på mindre area än att göra kretsarna större. Objektivets upplösningsförmåga sätter också en gräns för när det inte längre är effektivt att packa fler pixlar på varje kvadratmillimeter. Utgå ifrån att industrin snart kommer till den optimala lösningen ur ett effektivitets och lönsamhetsperspektiv. Möjligen är den lösningen inte att tillverka sensorer som mäter 24*36 mm.
/engan
