Dijital kameraların neden pozlama süresine ihtiyacı var?

Dijital kameralardan anladığım kadarıyla, bunlar temel olarak bir lens artı iki boyutlu milyonlarca foto diyottan oluşan küçük bir dizi. Ve foto-diyotları anladığım kadarıyla, ışıktayken bir voltaj yaratırlar, daha yüksek yoğunluklu ışık hemen daha yüksek voltajlara neden olur.

Ancak, bunların hepsi doğru olsaydı, dijital kameralarda pozlamaya gerek kalmazdı: bireysel voltajlar okunabilir ve (voltaj okuyucumuzun yeterince hassas ve elektrik gürültüsü ihmal edilebilir olduğu varsayılarak) doğru bir görüntü elde ederiz neredeyse anında.

Ama olan bu değil. Peki benim anlayışım nerede yanlış? Ve olan bu şekilde çalışan herhangi bir dijital kameralar var?

^{Bu elektronik için daha uygunsa özür dilerim.SE - ama bu sorunun bu kitle için daha ilginç olacağını hissettim.}

Elektronik'ten ziyaret ediyorum, bu yüzden aldığınız cevaplara bir çift elektronik / yarı iletken fizik arka planı ekleyeceğim.

Sahip olduğunuzu düşündüğüm önemli yanlış anlama, bir fotodiyotun ışığa tepki olarak bir voltaj oluşturmaması, bir akım oluşturmasıdır. Fotodiyota çarpan her foton, cihazın içinde bir mobil elektron üretir (gerçekten bir "elektron deliği çifti", ancak bu ayrıntı seviyesini istiyorsanız, soruyu EE.SE'ye yönlendirmeniz daha iyi olur). Milyonlarca elektron birlikte ölçülebilir bir elektrik akımı oluşturur. Son olarak, bu akım bir kapasitörü şarj etmek için kullanıldığında, görüntünüzde bir piksel oluşturmak için algılanabilen veya kaydedilebilen ölçülebilir bir voltajınız vardır.

Bu yüzden, cmason'un dediği gibi, sensörün her bir "kovayı" doldurmak için biraz zamana ihtiyacı vardır ve mattdm'nin dediği gibi, bir akümülatörün bir görüntü oluşturmak için ölçülebileceği noktaya kadar doldurması zaman alır.

Dijital kameralar tam olarak bunu yapmaya çalışır, sadece yapmadıkları gürültü nedeniyle. Kamera gibi, keyfi olarak yüksek bir ISO'ya sahip olarak tanımlanabilir ve sonuç olarak, keyfi olarak kısa bir enstantane hızında doğru pozlama elde edilebilir.

Büyük fotoğraf diyotlarından düşük çözünürlüklü geniş bir format oluşturmak eğlenceli bir proje olabilir.

Ayrıca gelecekte 'çoklu pozlama' sistemlerinin sensörlere entegre edileceğini düşünüyorum - sensör değerlerini pozlama ortasında kaydedin ancak siyahlarda daha fazla ayrıntı elde etmek için deklanşörü açık tutun.

Aşağıdakiler, oda aydınlatmasına maruz kalma sırasında modern bir DSLR pikseli tarafından yakalanan enerjinin kabaca bir hesaplamasıdır:

Warren Mars'ın Foton Davranışı sitesi, 1 / 60. saniyelik pozlama için çeşitli aydınlatma koşullarında çeşitli boyutlardaki pikseller üzerinde meydana gelen fotonların sayısını içeren bir tablo sunar.

Chard'da listelenen en küçük piksel, 70µm² pikseldir, D7000'inkinden üç kat daha büyüktür; D7000 en görüntüleyici 4.78μm bir piksel boyutuna sahip

'Salon ışığı' altında, bu bir D7000'de piksel başına yaklaşık 110000 foton değeri verir.

Kırmızı bir foton yaklaşık 1.6 * 10E-19 J enerjiye sahiptir. Piksel başına enerjinin 10E-14 J civarında olduğu görülebilir. Gerçekten ölçmek için çok az miktarda enerji.

Daha fazla bilgi (ve resmin kaynağı) için: http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Ayrıca, fotonların yüzeye çarpması için zaman tanımayacağından, temel olarak sıfır saniyelik bir pozlama kamerasının imkansız olduğuna dikkat edilmelidir. Bir foton sayma kamerası oluşturduğumuzu varsayalım; bu, her piksele çarpan fotonların% 100 doğru sıfır gürültü sayısını sağlayabilen kameradır. 10 bit görüntü elde etmek için en parlak pikseller 1024 foton gerektirir. Oda aydınlatmasında (D7000'den piksel aralığı kullanılarak) Saniyede her piksele 2 milyon foton vurulur. 2 milyon fotonu parlaklık seviyelerine (1024) bölerek teorik olarak maksimum 1950 kare kare hızı elde ederiz. 1/1950, oda aydınlatması altında 10 bitlik bir görüntü için mümkün olan minimum pozlama süresi olacaktır.

Daha parlak ışık hemen daha yüksek bir voltaja neden olur, ancak çok daha yüksek değildir. Bu çok önemli kısım. Gözün beklediği gibi görünen bir görüntüye sahip olmak istiyorsanız, sinyali yükseltmeniz (yüksek ve düşük arasındaki farkları arttırmanız, gürültü nedeniyle hem doğru hem de yanlış) veya daha uzun süre okumalısınız, gerçek örnek. İkincisi, dijital kameralarda kullanılan sensörlerin yaptığı şeydir.

Her fotosit sadece ışığa duyarlı bir fotodiyot değildir, aynı zamanda "kuyu" adı verilen bir akümülatör içerir. Fotodiyot voltaj üretmeye devam ettikçe (ışığa maruz kaldığı için), akümülatör dolar. Belirli bir bölgeye çarpan ışık parlaksa, bu çabucak dolar. Işık loşsa, yavaş dolar. Maruz kalma bittiğinde, kuyu seviyesi örneklenir ve dijital bir değere dönüştürülür.

Tabii ki, parlak ışıkta çok fazla veri var, bu yüzden kısa bir pozlama doğru bir resim çiziyorsa (cümlenin dönüşünü affederseniz). Ancak düşük ışıkta ölçülecek çok fazla enerji yoktur. Sadece hızlı bir örnekleme alırsanız, sensörü ve diğer kaçınılmaz gerçek dünya rasgeleliğini okuma gürültüsü, daha dolu ve daha boş fotositler arasındaki "meşru" fark kadar güçlü varyasyonu ortaya çıkarır ve hangisinin hangisi olduğunu söylemenin bir yolu yoktur.

Düşük pozlanmış bir görüntü çekip yazılımdaki amplifikasyonu artırmaya çalıştığınızda olan şey budur: gürültü, gürültü, gürültü ve belki de sadece karanlık. Ve herhangi bir anlık okuma (bir akümülatör kuyusu olmadan) yararlı olmak için yeterli veriye sahip olmayacaktır.

Gerçekten bu kadar basit. Modern sensörler üzerinden dönüşler vardır daha iyi bu kimyasal işlem filmden daha: Biz 25k ve üzeri görünüşte deli ISO değerlerine sahip olabilir neden bu kadar. Bunlar, gürültü çok fazla olmadan büyük miktarda amplifikasyon uygulanabileceği kadar ince bir ölçüm yapabilir. Temel olarak, büyülü anında okunan cihaza kıyasla hala aynı balodayız.

En basit cevap, ışığın fotonlardan oluşan parçacık bazlı olmasıdır. Dijital sensör tek bir foton tetikleyicisi değil, ölçülecek bir kovadır. İnanıyorum ki kafanız karıştı: Sensör ikili değil, tek bir fotona da duyarlı değiller: bir foton sensör fotoğraf sitesini 'açmaz'. Bunun yerine ölçülen, kepçenin ne kadar dolu olduğudur. Kepçeyi düzgün bir şekilde doldurmak için yeterli süre verilmelidir, aksi takdirde görüntü kaydedilmez.

Daha parlak sahneler daha fazla ve daha yüksek enerji fotonları yayar, böylece kovayı daha çabuk doldurur. Kepçeyi aşırı doldurmak görüntüyü fazla pozlar, detayı kaybeder veya görüntüyü 'temizler'. Bu yıkamayı önlemek için, fotonları toplama süresini kısaltmanız yeterlidir.