Зачем цифровым камерам вообще нужно время экспозиции?

Из того, что я понимаю о цифровых камерах, они в основном представляют собой объектив плюс крошечный двумерный массив миллионов фотодиодов. И из того, что я понимаю о фотодиодах, они создают напряжение, когда на свете, с более интенсивным светом, немедленно вызывающим более высокие напряжения.

Однако, если бы все это было правдой, не было бы необходимости в экспозиции в цифровых камерах: можно было бы считывать отдельные напряжения и (если предположить, что наш считыватель напряжения достаточно чувствителен, а электрические помехи незначительны), мы получили бы настолько точное изображение как можно почти мгновенно.

Но это не то, что происходит. Так где же мое понимание неверно? И есть ли какие - либо цифровые камеры , которые работают таким образом?

^{Извините, если это лучше подходит для электроники. SE - но я чувствовал, что этот вопрос будет более интересным для этой аудитории.}

Я посещаю Электронику, поэтому я добавлю немного фона физики электроники / полупроводника к паре ответов, которые вы уже получили.

Основное недоразумение, которое, я думаю, у вас есть, заключается в том, что фотодиод не создает напряжение в ответ на свет, а создает ток. Каждый фотон, попадающий на фотодиод, генерирует подвижный электрон внутри устройства (на самом деле это «пара электрон-дырка», но если вам нужен такой уровень детализации, вам лучше перенести вопрос на EE.SE). Миллионы электронов вместе составляют измеримый электрический ток. Наконец, когда этот ток используется для зарядки конденсатора, у вас есть измеримое напряжение, которое можно определить или записать, чтобы сформировать пиксель на вашем изображении.

Вот почему, как говорит cmason, сенсору требуется некоторое время, чтобы заполнить каждое «ведро», и, как говорит mattdm, аккумулятору требуется время для заполнения до точки, которую можно измерить для формирования изображения.

Цифровые камеры пытаются сделать именно это, но только из-за шума они этого не делают. Например, камера может быть описана как имеющая произвольно высокий ISO, и, следовательно, правильная экспозиция будет получена с произвольно короткой выдержкой.

Создание большого формата с низким разрешением из больших фотодиодов может быть интересным проектом.

Я также думаю, что в будущем системы «мультиэкспозиции» будут интегрированы в датчики - записывайте значения датчиков в середине экспозиции, но держите затвор открытым, чтобы получить больше деталей в черном.

Ниже приведен примерный расчет энергии, захваченной пикселем современной цифровой зеркальной фотокамеры во время экспозиции при освещении помещения:

Сайт Уоррена Марса по фотонному поведению предоставляет таблицу количества фотонов, падающих на пиксели разного размера при различных условиях освещения за 1/60 секунды воздействия.

Самый маленький пиксель, указанный в чарде, это пиксель 70 мкм², в три раза больше, чем у D7000; в тепловизор D7000 имеет размер пикселя 4.78μm

При «освещении в гостиной» это дает значение около 110000 фотонов на пиксель на D7000.

Красный фотон имеет около 1,6 * 10E-19 Дж энергии. Видно, что энергия на пиксель порядка 10E-14 Дж. Очень небольшое количество энергии для измерения.

Для получения дополнительной информации (и источника изображения): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Следует также отметить, что в принципе камера с нулевой секундной экспозицией невозможна, поскольку она не даст времени фотонам попасть на поверхность. Предположим, мы создали камеру для подсчета фотонов, которая может обеспечить 100% точный отсчет нулевого шума фотонов, попадающих в каждый пиксель. Чтобы получить 10-битное изображение, самые яркие пиксели требуют 1024 фотонов. При освещении комнаты (используя шаг пикселя от D7000) 2 миллиона фотонов попадают в каждый пиксель каждую секунду. Разделив 2 миллиона фотонов на количество уровней яркости (1024), мы получим теоретическую максимальную частоту кадров 1950 кадров в секунду. 1/1950 будет минимально возможным временем экспозиции для 10-битного изображения при освещении комнаты.

Более яркий свет немедленно вызывает более высокое напряжение, но не намного выше. Это важная часть. Если вы хотите, чтобы изображение выглядело так, как его ожидает глаз, вам нужно либо усилить сигнал (увеличивая разницу между высоким и низким, корректным и неправильным из-за шума), либо читать дольше, увеличивая фактический образец. Последнее - то, что делают датчики, используемые в цифровых камерах.

Каждый фотосайт - это не просто светочувствительный фотодиод, но также содержит аккумулятор, который называется «колодец». Поскольку фотодиод продолжает создавать напряжение (поскольку он подвергается воздействию света), аккумулятор заполняется. Если свет, попадающий на конкретный участок, яркий, он быстро заполняется. Если свет тусклый, он заполняется медленно. Когда экспозиция закончена, уровень скважины отбирается и преобразуется в цифровое значение.

Конечно, при ярком свете данных много, поэтому короткая выдержка дает точную картину (если вы извините за поворот фразы). Однако при слабом освещении измеряемой энергии не так много. Если вы просто сделаете быструю выборку, шум от чтения датчика и другие неизбежные случайные случайности будут вызывать столь же сильные вариации, как и «законное» различие между более полными и более пустыми фотосайтами, и невозможно будет определить, что есть что.

Это то, что происходит, когда вы берете недоэкспонированное изображение и пытаетесь усилить программное обеспечение для усиления: шум, шум, шум и, возможно, просто чернота. И любое мгновенное чтение (без хорошего аккумулятора) не будет иметь достаточного количества данных, чтобы быть полезным.

Просто так, правда. Оказывается, что современные датчики являются лучше в этом , чем химико-технологической пленки: именно поэтому мы можем иметь , казалось бы , безумные значения ISO от 25k и выше. Они способны достаточно точно измерить, чтобы можно было применить большое усиление без чрезмерного шума. Однако, по сути, по сравнению с волшебным устройством мгновенного чтения, мы все еще находимся на том же уровне.

Самый простой ответ заключается в том, что свет основан на частицах и состоит из фотонов. Цифровой датчик - это не одиночный фотонный триггер, а поле, которое нужно измерить. Я полагаю, что именно здесь вы запутались: сенсор не является двоичным и не чувствителен к одному фотону: фотон не «включает» сенсорный сайт с фотографиями. Вместо этого измеряется, насколько полно ведро. Необходимо уделить достаточно времени для правильного заполнения ведра, иначе изображение не будет записано.

Более яркие сцены испускают больше и больше энергии фотонов, тем самым заполняя ведро быстрее. Переполнение ведра приводит к переэкспонированию изображения, потере деталей или «размыванию» изображения. Чтобы предотвратить это размывание, вы просто сокращаете время сбора фотонов.