Dlaczego aparaty cyfrowe w ogóle potrzebują czasu naświetlania?

Z tego, co rozumiem z cyfrowych aparatów fotograficznych, są one w zasadzie obiektywem i niewielkim dwuwymiarowym zestawem milionów fotodiod. Z tego, co rozumiem na temat fotodiod, wytwarzają one napięcie w świetle, przy czym światło o większej intensywności natychmiast powoduje wyższe napięcia.

Gdyby to wszystko było prawdą, nie byłoby potrzeby ekspozycji w aparatach cyfrowych: poszczególne napięcia mogłyby zostać odczytane i (zakładając, że nasz czytnik napięcia jest wystarczająco czuły, a szum elektryczny jest znikomy) uzyskalibyśmy tak dokładny obraz jak to możliwe prawie natychmiast.

Ale tak się nie dzieje. Więc gdzie moje zrozumienie jest nieprawidłowe? Czy są jakieś aparaty cyfrowe, które działają w ten sposób?

^{Przepraszam, jeśli to lepiej pasuje do elektroniki. SE - ale czułem, że to pytanie byłoby bardziej interesujące dla tej publiczności.}

Odwiedzam z elektroniki, więc dodam trochę wiedzy z zakresu elektroniki / półprzewodników do kilku odpowiedzi, które już otrzymałeś.

Kluczowym nieporozumieniem, które, jak sądzę, masz, jest to, że fotodioda nie wytwarza napięcia w odpowiedzi na światło, lecz wytwarza prąd. Każdy foton, który uderza w fotodiodę, generuje mobilny elektron wewnątrz urządzenia (tak naprawdę „para elektron-dziura”, ale jeśli chcesz tego poziomu szczegółowości, lepiej przejdź do EE.SE). Miliony elektronów razem tworzą mierzalny prąd elektryczny. Wreszcie, gdy prąd ten jest wykorzystywany do ładowania kondensatora, masz mierzalne napięcie, które można wykryć lub zarejestrować w celu utworzenia piksela na obrazie.

Dlatego, jak mówi cmason, czujnik potrzebuje trochę czasu, aby napełnić każde „wiadro”, a jak mówi mattdm, potrzeba czasu, aby akumulator napełnił się do punktu, w którym można zmierzyć, aby utworzyć obraz.

Aparaty cyfrowe próbują to zrobić, tylko dlatego, że nie robią tego szumy. Aparat taki można opisać jako mający dowolnie wysoką czułość ISO, w związku z czym prawidłowa ekspozycja zostałaby uzyskana przy dowolnie krótkim czasie otwarcia migawki.

Tworzenie dużego formatu o niskiej rozdzielczości z dużych diod fotograficznych może być świetnym projektem.

Uważam również, że w przyszłości systemy „wielokrotnej ekspozycji” zostaną zintegrowane z czujnikami - rejestruj wartości czujników w połowie ekspozycji, ale trzymaj otwartą migawkę, aby uzyskać więcej szczegółów w czerni.

Poniżej przedstawiono przybliżone obliczenie energii wychwyconej przez piksel nowoczesnej lustrzanki cyfrowej podczas ekspozycji w oświetleniu pokoju:

Witryna Warren Mars Photon Behavior zawiera tabelę liczby fotonów padających na piksele o różnych rozmiarach w różnych warunkach oświetleniowych dla ekspozycji 1/60 sekundy.

Najmniejszy piksel wymieniony na liście to piksel o wielkości 70µm², trzykrotnie większy niż w D7000; w Imager D7000 zawiera wielkości piksela 4.78μm

Pod „światłem salonu” daje to wartość około 110000 fotonów na piksel na D7000.

Czerwony foton ma około 1,6 * 10E-19 J energii. Można zauważyć, że energia na piksel jest rzędu 10E-14 J. Bardzo niewielka ilość energii do zmierzenia.

Więcej informacji (i źródło obrazu): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Należy również zauważyć, że zasadniczo zerowa sekundowa kamera ekspozycyjna jest niemożliwa, ponieważ nie pozwoliłaby fotonom uderzyć w powierzchnię. Załóżmy, że tworzymy kamerę zliczającą fotony - która może zapewnić 100% dokładną zerową liczbę szumów fotonów, które uderzają w każdy piksel. Aby uzyskać 10-bitowy obraz, najjaśniejsze piksele wymagają 1024 fotonów. W oświetleniu pokojowym (używając odstępu między pikselami z D7000) 2 miliony fotonów trafia na każdy piksel co sekundę. Dzieląc 2 miliony fotonów przez liczbę poziomów jasności (1024) otrzymujemy teoretyczną maksymalną liczbę klatek wynoszącą 1950 klatek na sekundę. 1/1950 byłby minimalnym możliwym czasem ekspozycji dla 10-bitowego obrazu w oświetleniu pokojowym.

Jaśniejsze światło natychmiast powoduje wyższe napięcie, ale nie jest znacznie wyższe. To kluczowa część. Jeśli chcesz mieć obraz, który wygląda tak, jak oczekuje tego oko, albo musisz wzmocnić sygnał (zwiększając różnice między wysokim a niskim, zarówno poprawnym, jak i niepoprawnym z powodu szumu), lub musisz czytać dłużej, zwiększając rzeczywista próbka. To drugie robią czujniki stosowane w aparatach cyfrowych.

Każda strona jest nie tylko światłoczułą fotodiodą, ale także zawiera akumulator zwany „studnią”. Gdy fotodioda nadal wytwarza napięcie (pod wpływem światła), akumulator się napełnia. Jeśli światło padające na określone miejsce jest jasne, dobrze się zapełnia. Jeśli światło jest przyćmione, wypełnia się powoli. Po zakończeniu ekspozycji poziom studzienki jest próbkowany i konwertowany na wartość cyfrową.

Oczywiście w jasnym świetle jest wiele danych, więc krótka ekspozycja zapewnia dokładny obraz (jeśli wybaczysz zwrot frazy). Jednak w słabym świetle po prostu nie ma zbyt wiele energii do zmierzenia. Jeśli po prostu pobierzesz szybkie próbkowanie, szum pochodzący z odczytu czujnika i inna nieunikniona przypadkowość w świecie rzeczywistym wywoła zmienność tak silną, jak „uzasadniona” różnica między pełniejszymi i bardziej pustymi stronami zdjęć, i nie ma sposobu, aby stwierdzić, która jest która.

Tak się dzieje, gdy robisz niedoświetlony obraz i próbujesz wzmocnić wzmocnienie oprogramowania: szum, szum, szum, a może po prostu czerń. A jakikolwiek natychmiastowy odczyt (bez studni akumulatora) nie miałby wystarczającej ilości danych, aby był użyteczny.

To naprawdę proste. Okazuje się, że nowoczesne czujniki są w tym lepsze niż film z procesu chemicznego: dlatego możemy mieć pozornie szalone wartości ISO 25k i więcej. Są one w stanie zmierzyć na tyle dokładnie, że można zastosować dużą amplifikację bez nadmiernego hałasu. Zasadniczo jednak, w porównaniu z magicznym urządzeniem do natychmiastowego odczytu, wciąż jesteśmy w tym samym parku.

Najprostsza odpowiedź jest taka, że ​​światło jest oparte na cząsteczkach i składa się z fotonów. Czujnik cyfrowy nie jest pojedynczym wyzwalaczem fotonowym, ale kubełkiem do zmierzenia. Sądzę, że tutaj jesteś zdezorientowany: czujnik nie jest binarny, ani nie są wrażliwe na pojedynczy foton: foton nie „włącza” strony zdjęcia czujnika. Zamiast tego mierzy się, jak pełne jest wiadro. Należy odpowiednio długo napełnić wiadro, w przeciwnym razie obraz nie zostanie zapisany.

Jaśniejsze sceny emitują coraz więcej fotonów energii, tym samym szybciej wypełniając wiadro. Przepełnienie wiadra powoduje prześwietlenie obrazu, utratę szczegółów lub „wymycie” obrazu. Aby temu zapobiec, po prostu skracasz czas zbierania fotonów.