Чому цифровим фотоапаратам взагалі потрібен час експозиції?

З того, що я розумію під цифровими камерами, вони в основному є об'єктивом плюс крихітний двовимірний масив мільйонів фотодіодів. І з того, що я розумію з фотодіодів, вони створюють напругу, коли знаходяться на світлі, при цьому світло більш високої інтенсивності одразу викликає більш високі напруги.

Однак якби це все було правдою, не було б потреби в експозиції цифрових камер: окремі напруги можна було прочитати і (якщо припустити, що наш зчитувач напруги є досить чутливим, а електричний шум незначним), ми отримаємо максимально точне зображення як можна майже миттєво.

Але це не те, що відбувається. Тож де моє розуміння неправильне? А чи є цифрові камери, які працюють таким чином?

^{Вибачте, якщо це краще підходить для електроніки.SE - але я відчував, що це питання буде цікавіше цій аудиторії.}

Я відвідую програму Electronics, тому я додам трохи тла електроніки / напівпровідникової фізики до пари відповідей, які ви вже отримали.

Основне непорозуміння, яке я думаю, у вас є, що фотодіод не створює напруги у відповідь на світло, він створює струм. Кожен фотон, який потрапив у фотодіод, генерує мобільний електрон всередині пристрою (справді "електронно-дірява пара", але якщо ви хочете такого рівня деталізації, краще перенесіть питання до EE.SE). Мільйони електронів разом становлять вимірюваний електричний струм. Нарешті, коли цей струм використовується для зарядки конденсатора, ви маєте вимірювану напругу, яку можна відчути або записати, щоб утворити піксель на вашому зображенні.

Ось чому, як каже cmason, датчику потрібен певний час, щоб заповнити кожне «відро», і як каже mattdm, для акумулятора потрібно час, щоб його можна було виміряти, щоб сформувати зображення.

Цифрові камери намагаються зробити саме це, це не є причиною шуму. Такі, як камера, можна охарактеризувати як довільно високий ISO, і, отже, буде отримано правильне опромінення з довільно короткою швидкістю затвора.

Повернення великого формату низької роздільної здатності із великих фотодіодів може бути цікавим проектом.

Я також думаю, що в майбутньому системи з «багатозахисним впливом» будуть інтегровані в датчики - записують значення сенсорів середньої експозиції, але триматимуть затвор відкритим, щоб отримати більше деталей у чорних.

Далі наведено приблизний підрахунок енергії, яку отримує піксель сучасного DSLR під час експозиції при освітленні приміщення:

Сайт фотонного поведінки Уоррена Марса надає таблицю кількості фотонів, що потрапляють на пікселі різного розміру при різних умовах освітлення під час експозиції на 1/60 секунди.

Найменший піксель, зазначений у графіці, - це 70 мкм² пікселів, утричі більший, ніж у D7000; зображення D7000 має розмір пікселя 4,78 мкм

Під «світлом вітальні» це дає значення приблизно 110000 фотонів на піксель на D7000.

Червоний фотон має близько 1,6 * 10E-19 Дж енергії. Видно, що енергія на один піксель знаходиться в порядку 10E-14 Дж. Дуже невелика кількість енергії, щоб дійсно виміряти.

Для отримання додаткової інформації (та джерела зображення): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Слід також зазначити, що принципово фотокамера експозиції з нульовою секундою неможлива, оскільки це не дасть часу фотонам потрапляти на поверхню. Припустимо, ми створимо фотографічну камеру для підрахунку фотонів, яка може забезпечити 100% точний нульовий підрахунок фотонів, що вражає кожен піксель. Для отримання 10-бітного зображення найяскравішим пікселям потрібно 1024 фотона. При освітленні приміщення (використовуючи піксельну висоту від D7000) 2 мільйони фотонів потрапляють на кожен піксель щосекунди. Розділивши 2 мільйони фотонів на кількість рівнів яскравості (1024), ми отримаємо теоретичну максимальну частоту кадрів 1950 кадрів в секунду. 1/1950 буде мінімально можливим часом експозиції для 10-бітового зображення при освітленні приміщення.

Яскравіше світло відразу спричиняє більш високу напругу, але не дуже високу. Це важлива частина. Якщо ви хочете створити зображення, яке виглядає так, як очікує око, вам потрібно або посилити сигнал (збільшуючи різниці між високим і низьким, і правильним, і неправильним через шум), або вам потрібно читати довше, збільшуючи значення фактичний зразок. Останнє - це те, що роблять датчики, використовувані в цифрових камерах.

Кожен фотосайт - це не лише світлодіодний фотодіод, але також містить акумулятор, який називається «колодязь». Оскільки фотодіод продовжує видавати напругу (у міру впливу світла), акумулятор наповнюється. Якщо світло, що потрапляє на певний сайт, яскраве, воно добре заповнюється швидко. Якщо світло тьмяне, воно заповнюється повільно. Після закінчення опромінення рівень свердловини відбирають пробу та перетворюють на цифрове значення.

Звичайно, при яскравому світлі є багато даних, тому коротка експозиція малює точну картину (якщо ви помилуєте чергу фрази). Однак при слабкому освітленні енергії для вимірювання просто небагато. Якщо ви просто зробите швидкий вибірки, шум від зчитування датчика та інших неминучих випадкових випадків у реальному світі спричинить різницю настільки ж сильну, як і «законне» відмінність між більш повними та порожніми фотосесіями, і немає способу сказати, що це таке.

Це те, що відбувається, коли ви робите недоекспонований знімок і намагаєтеся підкрутити посилення в програмному забезпеченні: шум, шум, шум і, можливо, просто чорнота. І будь-яке миттєве читання (без свердловини акумулятора) не матиме достатньо даних, щоб бути корисним.

Просто, насправді. Виявляється, що сучасні датчики є краще в цьому , ніж хіміко-технологічної плівки: саме тому ми можемо мати , здавалося б , божевільні значення ISO від 25k і вище. Вони здатні виміряти досить тонко, щоб можна було застосувати велику кількість підсилення, не перетворившись на шум. Принципово, однак, порівняно з магічним пристроєм миттєвого зчитування, ми все ще перебуваємо в тому ж самому центрі.

Найпростіша відповідь - світло на основі частинок, що складається з фотонів. Цифровий датчик - це не один фотонний тригер, а відро для вимірювання. Я вважаю, що саме тут вас плутає: датчик не є бінарним, ні вони не чутливі до одного фотона: фотон не «вмикає» сайт фотографії датчика. Натомість вимірюється те, наскільки повна відра. Необхідно виділити достатньо часу для належного заповнення відра, інакше зображення не буде записано.

Яскравіші сцени випромінюють більше і більше енергії фотонів, тим самим швидше заповнюючи відро. Переповнення відра перенапружує зображення, втрачає деталі або «вимиває» зображення. Щоб запобігти цьому вимиванню, ви просто скоротите час збору фотонів.