Mengapa kamera digital sama sekali membutuhkan waktu pencahayaan?

17

Dari apa yang saya pahami tentang kamera digital, mereka pada dasarnya adalah sebuah lensa ditambah sejumlah kecil dua dimensi jutaan foto-dioda. Dan dari apa yang saya pahami tentang foto-dioda, mereka menciptakan voltase ketika berada dalam cahaya, dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi segera menyebabkan voltase yang lebih tinggi.

Namun, jika ini semua benar, tidak akan ada kebutuhan untuk eksposur di kamera digital: voltase individu dapat dibaca dan (dengan asumsi voltase-pembaca kami cukup sensitif dan kebisingan listrik dapat diabaikan) kami akan mendapatkan gambar yang akurat mungkin hampir secara instan.

Tapi, bukan itu yang terjadi. Jadi di mana pemahaman saya salah? Dan apakah ada kamera digital yang berfungsi seperti ini?

^{Maaf jika ini lebih cocok untuk elektronik. SE - tetapi saya merasa pertanyaan ini akan lebih menarik bagi audiens ini.}

exposure digital

— BlueRaja - Danny Pflughoeft
sumber

Kedengarannya sangat membosankan (gagasan tidak ada waktu bukaan, bukan cara Anda mengajukan pertanyaan): P

— dpollitt

1

"dengan asumsi pembaca tegangan kita cukup sensitif dan kebisingan listrik dapat diabaikan" Itu adalah asumsi yang cukup besar untuk memulai dengan ...

— CVn

16

Saya mengunjungi dari Elektronik, jadi saya akan menambahkan sedikit latar belakang fisika / elektronik semikonduktor ke beberapa jawaban yang sudah Anda dapatkan.

Kesalahpahaman utama yang saya pikir Anda miliki adalah bahwa fotodioda tidak menciptakan tegangan sebagai respons terhadap cahaya, itu menciptakan arus. Setiap foton yang mengenai fotodioda menghasilkan elektron seluler di dalam perangkat (benar-benar "pasangan lubang elektron", tetapi jika Anda menginginkan tingkat detail itu, Anda sebaiknya membawa pertanyaan itu ke EE.SE). Jutaan elektron bersama-sama membentuk arus listrik yang dapat diukur. Akhirnya ketika arus ini digunakan untuk mengisi kapasitor, maka Anda memiliki tegangan yang dapat diukur yang dapat dirasakan atau direkam untuk membentuk piksel dalam gambar Anda.

Inilah sebabnya, seperti kata cmason, sensor memerlukan waktu untuk mengisi setiap "ember", dan seperti yang dikatakan mattdm, perlu waktu bagi akumulator untuk mengisi titik yang dapat diukur untuk membentuk gambar.

— Foton
sumber

Saya senang jawaban ini ditulis, saya awalnya menulis jawaban seperti ini, mencoba menjelaskan fisika semikonduktor tetapi memutuskan bahwa saya mungkin tidak akan membuatnya cukup jelas.

— Phil

@ Phil, saya pikir para final jawaban Anda, di mana Anda fokus pada harus menunggu foton yang sebenarnya tiba, sebenarnya sampai pada batas mendasar mengapa kita membutuhkan waktu pemaparan yang tidak nol. Saya hanya mencoba untuk mencapai kesalahpahaman kunci yang saya lihat di tempat OP tentang pertanyaan itu.

— The Photon

Hanya untuk memastikan saya mengerti: itu hanya karena arus yang dibuat oleh foto-dioda sekecil itu terlalu kecil untuk secara akurat mengukur / bebas dari kebisingan, jadi kita harus menambahkan kapasitor sehingga kita dapat mengukur total muatan yang mengalir di atas periode waktu. Apakah ini benar?

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

1

@ BlueRaja-DannyPflughoeft, alasan mendasar adalah apa yang dikatakan Phil --- Anda harus menunggu cukup foton untuk tiba untuk membuat gambar dengan noise rendah. Ini pada dasarnya bermuara pada hal yang sama untuk elektron. Di sisi elektronik, juga benar bahwa metode kami untuk mengukur arus pada umumnya memerlukan konversi terlebih dahulu ke tegangan.

— The Photon

16

Kamera digital berusaha melakukan hal itu, hanya karena noise yang tidak mereka lakukan. Seperti kamera dapat digambarkan memiliki ISO tinggi sewenang-wenang, dan akibatnya eksposur yang benar akan diperoleh dengan kecepatan rana pendek sewenang-wenang.

Membuat format besar resolusi rendah kembali dari dioda foto besar bisa menjadi proyek yang menyenangkan.

Saya juga berpikir bahwa di masa depan sistem 'multi eksposur' akan diintegrasikan ke dalam sensor- merekam nilai sensor pertengahan paparan tetapi tetap membuka rana, untuk mendapatkan lebih banyak detail di kulit hitam.

Berikut ini adalah perhitungan kasar energi yang ditangkap oleh piksel DSLR modern selama pencahayaan ruangan:

Situs Photon Behavior Warren Mars menyediakan tabel jumlah kejadian foton pada piksel berbagai ukuran dalam berbagai kondisi pencahayaan untuk pencahayaan 1/60 detik.

Pixel terkecil yang tercantum dalam chard adalah 70μm² pixel, tiga kali lebih besar dari D7000; yang imager D7000 memiliki ukuran piksel 4.78μm

Di bawah 'lampu ruang tamu' ini memberikan nilai sekitar 110000 foton per piksel pada D7000.

Foton merah memiliki energi sekitar 1,6 * 10E-19 J. Dapat dilihat bahwa energi per piksel berada pada urutan 10E-14 J. Jumlah energi yang sangat kecil untuk diukur.

Piksel pada Sensor

Untuk informasi lebih lanjut (dan sumber gambar): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Perlu juga dicatat bahwa pada dasarnya, kamera dengan eksposur nol detik tidak mungkin, karena tidak akan ada waktu bagi foton untuk menabrak permukaan. Misalkan kita membuat kamera penghitung foton - yaitu kamera yang dapat memberikan hitungan kebisingan nol 100% akurat dari foton yang mengenai setiap piksel. Untuk mendapatkan gambar 10 bit, piksel paling terang membutuhkan 1024 foton. Dalam pencahayaan ruangan (Menggunakan pitch pixel dari D7000) 2 juta foton mengenai setiap pixel setiap detik. Membagi 2 juta foton dengan jumlah tingkat kecerahan (1024) kita mendapatkan tingkat bingkai maksimum teoritis 1950 bingkai per detik. 1/1950 akan menjadi waktu paparan minimum yang dimungkinkan untuk gambar 10bit di bawah pencahayaan kamar.

— Phil
sumber

3

Menariknya, pada bit terakhir: pada aperture f / 1.4 dan kecepatan rana ¹⁄₁₉₅₀, ISO 6400 secara teoritis seharusnya membuat Anda mendapatkan pencahayaan yang benar pada pencahayaan ruangan. Mungkin tidak ada 10 bit rentang dinamis nyata di sana, dan itu akan sangat bising, tapi saya pikir kamera dunia nyata saat ini berada di batas maksimum maksimum teoretis Anda.

— mattdm

Digital cameras attempt to do exactly that, it is only because of noise that they do not.- erm, ini tidak bisa benar. Jika ya, setiap level cahaya yang menyebabkan voltase tidak dekat level kebisingan dapat dibaca secara instan; dan tegangan apa pun di sekitar atau di bawah tingkat kebisingan tidak dapat dibaca sama sekali. "Mengekspos" dioda untuk waktu yang singkat untuk rata-rata nilainya dapat membantu ketika kita sedikit di atas tingkat kebisingan, tetapi dalam setiap kasus lainnya, tidak perlu ada paparan sama sekali.

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

Juga paragraf terakhir Anda salah; jika foto-dioda mengukur amplitudo cahaya sesaat (yang saya yakin memang demikian) , Anda tidak perlu membiarkan gambar "terbuka" untuk jangka waktu berapa pun - nilainya dapat langsung dibaca secara instan. Saya pikir Anda membingungkan ini untuk "mengekspos dioda ke cahaya selama 0 kali," yang mencampur cara kamera digital bekerja dengan cara kerja kamera analog.

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

Ada banyak lagi sensor kamera digital yang saya tidak masuki di sini. Apa yang saya maksudkan adalah bahwa sebagian besar kamera digital berusaha untuk mengambil foto dengan meteran yang benar dengan waktu bukaan sesedikit mungkin - sehingga meningkatkan ketahanan terhadap guncangan kamera dan subjek yang bergerak. Saya menganalisis situasi cahaya rendah untuk membuatnya jelas bahwa waktu pencahayaan nol detik tidak masuk akal secara fisik.

— Phil

2

Saya mendapat waktu setelah siang ini dan memutuskan untuk meneliti topik ini lebih lanjut. Saya menemukan bahwa ada beberapa ketidakakuratan dalam teori dan matematika saya. Saya tidak punya waktu sekarang untuk memperbaikinya, dan tidak berpikir itu memengaruhi kemampuan jawaban saya untuk menjawab pertanyaan. Tolong jangan mengambil angka yang disajikan sebagai fakta berulang saat ini. Saya tidak ingin menyebarkan informasi yang salah.

— Phil

7

Cahaya yang lebih terang segera menyebabkan tegangan yang lebih tinggi, tetapi tidak terlalu tinggi. Itu bagian yang krusial. Jika Anda ingin memiliki gambar yang kelihatannya diinginkan oleh mata, Anda perlu memperkuat sinyal (meningkatkan perbedaan antara tinggi dan rendah, baik benar maupun salah karena noise) atau Anda perlu membaca lebih lama, menambah sampel aktual. Yang terakhir adalah apa yang digunakan sensor dalam kamera digital.

Setiap photosite bukan hanya fotodioda yang peka terhadap cahaya, tetapi juga mengandung akumulator yang disebut "sumur". Ketika fotodioda terus menghasilkan tegangan (karena terkena cahaya), akumulator mengisi. Jika cahaya yang mengenai situs tertentu terang, sumur itu terisi dengan cepat. Jika cahaya redup, itu mengisi perlahan. Ketika eksposur selesai, tingkat sumur diambil sampelnya dan dikonversi ke nilai digital.

Tentu saja, dalam cahaya yang terang, ada banyak data, jadi eksposur singkat menggambarkan gambar yang akurat (jika Anda akan memaafkan pergantian frase). Namun, dalam cahaya rendah, tidak banyak energi untuk diukur. Jika Anda hanya mengambil sampel cepat, derau dari membaca sensor dan keacakan dunia nyata lainnya yang tidak dapat dihindari akan menginduksi variasi sekuat perbedaan "sah" antara photosites yang lebih penuh dan lebih kosong, dan tidak ada cara untuk mengetahui mana yang mana.

Inilah yang terjadi ketika Anda mengambil gambar yang kurang terang dan mencoba untuk memperbesar amplifikasi dalam perangkat lunak: noise, noise, noise, dan mungkin hanya kegelapan. Dan setiap bacaan instan (tanpa akumulator dengan baik) tidak akan memiliki cukup data untuk berguna.

Sesederhana itu, sungguh. Ternyata bahwa sensor yang modern yang ini lebih baik daripada film kimia-proses: itu mengapa kita bisa memiliki nilai ISO yang tampaknya gila 25K dan di atas. Mereka mampu mengukur cukup halus sehingga sejumlah besar amplifikasi dapat diterapkan tanpa kebisingan menjadi luar biasa. Namun, pada dasarnya, dibandingkan dengan perangkat baca instan yang ajaib, kita masih berada di stadion baseball yang sama.

— mattdm
sumber

Saya tidak percaya ini benar, silakan lihat komentar pertama saya di atas.

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

Bagian mana yang menurut Anda tidak benar? (Saya bahkan tidak yakin apa yang Anda maksud dengan "di atas", karena jawaban dapat dilihat dalam urutan yang berbeda.)

— mattdm

6

Jawaban paling sederhana adalah bahwa cahaya berbasis partikel, terdiri dari foton. Sensor digital bukan pemicu foton tunggal, tetapi ember yang akan diukur. Saya percaya ini adalah di mana Anda bingung: sensor bukan biner, atau sensitif terhadap satu foton: foton tidak 'menghidupkan' situs foto sensor. Sebaliknya, yang diukur adalah seberapa penuh ember itu. Cukup waktu harus diberikan untuk mengisi ember dengan benar, atau tidak ada gambar yang akan direkam.

Adegan yang lebih terang memancarkan foton energi yang lebih banyak dan lebih tinggi, sehingga mengisi ember lebih cepat. Mengisi ember secara berlebihan mengekspos gambar, kehilangan detail, atau 'mencuci' gambar. Untuk mencegah pencucian ini, Anda cukup mempersingkat waktu Anda mengumpulkan foton.

— cmason
sumber

Seperti yang saya pahami, foto-dioda tidak berfungsi seperti yang Anda gambarkan. Sebagai gantinya, mereka mengukur amplitudo cahaya (atau, jika Anda lebih suka penjelasan partikel, laju masuknya foton) secara instan. Jika versi bucket Anda benar, itu akan menjelaskan perlunya paparan; tapi sayangnya, saya tidak percaya itu.

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

Saya mencoba menguraikan ini dengan lebih jelas dalam jawaban saya; photosite bukan hanya fotodioda.

— mattdm

3

@ BlueRaja-DannyPflughoeft - Percaya atau tidak (sesuai keinginan Anda); Keyakinan tidak ada hubungannya dengan itu. Tidak ada "tekanan cahaya", hanya tingkat foton. (Ada juga energi foton , tapi itu ditentukan oleh panjang gelombang, bukan intensitas.) Laju itu probabilistik, jadi kasing minimum (mengukur waktu antara dua interaksi foton berturut-turut di suatu lokasi) bukanlah pengukuran rata - rata yang valid secara statistik dari laju rata - rata emisi foton. Pengukuran tidak langsung (energi listrik potensial yang disebabkan oleh interaksi foton dengan sensor) bergantung pada akumulasi.