Perché le fotocamere digitali hanno bisogno di un tempo di esposizione?

Da quello che ho capito delle fotocamere digitali, sono fondamentalmente un obiettivo più un piccolo array bidimensionale di milioni di fotodiodi. E da quello che capisco dei fotodiodi, creano una tensione quando sono nella luce, con una luce ad alta intensità che provoca immediatamente tensioni più elevate.

Tuttavia, se tutto ciò fosse vero, non ci sarebbe bisogno di un'esposizione nelle fotocamere digitali: le singole tensioni potrebbero essere lette e (supponendo che il nostro lettore di tensione sia abbastanza sensibile e che il rumore elettrico sia trascurabile) otterremmo un'immagine altrettanto accurata il più possibile quasi all'istante.

Ma questo non è ciò che accade. Quindi dov'è la mia comprensione errata? E ci sono delle fotocamere digitali che funzionano in questo modo?

^{Scusate se questa è una soluzione migliore per electronics.SE - ma ho pensato che questa domanda sarebbe stata più interessante per questo pubblico.}

Sto visitando Electronics, quindi aggiungerò un po 'di background di elettronica / fisica dei semiconduttori a un paio di risposte che hai già ottenuto.

Il principale fraintendimento che penso tu abbia è che un fotodiodo non crea una tensione in risposta alla luce, ma crea una corrente. Ogni fotone che colpisce il fotodiodo genera un elettrone mobile all'interno del dispositivo (in realtà una "coppia elettrone-buco", ma se si desidera quel livello di dettaglio, è meglio che si rivolga a EE.SE). Milioni di elettroni insieme costituiscono una corrente elettrica misurabile. Infine, quando questa corrente viene utilizzata per caricare un condensatore, si ha una tensione misurabile che può essere rilevata o registrata per formare un pixel nell'immagine.

Questo è il motivo per cui, come dice cmason, il sensore ha bisogno di un po 'di tempo per riempire ogni "secchio", e come dice mattdm, ci vuole tempo perché un accumulatore si riempia al punto in cui può essere misurato per formare un'immagine.

Le fotocamere digitali cercano di fare esattamente questo, è solo a causa del rumore che non lo fanno. Ad esempio, la fotocamera potrebbe essere descritta con un ISO arbitrariamente alto e di conseguenza un'esposizione corretta si otterrebbe con una velocità dell'otturatore arbitrariamente breve.

Fare un grande formato a bassa risoluzione di nuovo da diodi fotografici di grandi dimensioni potrebbe essere un progetto divertente.

Penso anche che in futuro i sistemi di "multiposizione" saranno integrati nei sensori, registrando i valori dei sensori a metà esposizione ma tenendo aperto l'otturatore, per ottenere maggiori dettagli nei neri.

Di seguito è riportato un calcolo approssimativo dell'energia catturata da un pixel di una moderna DSLR durante un'esposizione nell'illuminazione della stanza:

Il sito di Photon Behavior di Warren Mars fornisce una tabella del numero di fotoni incidenti sui pixel di varie dimensioni in varie condizioni di illuminazione per un'esposizione di 1/60 di secondo.

Il pixel più piccolo elencato nella bietola è un pixel di 70µm², tre volte più grande di quelli del D7000; l' imager della D7000 ha una dimensione in pixel di 4,78 µm

Sotto la "luce del soggiorno" questo dà un valore di circa 110000 fotoni per pixel su un D7000.

Un fotone rosso ha circa 1,6 * 10E-19 J di energia. Si può vedere che l'energia per pixel è dell'ordine di 10E-14 J. Una quantità molto piccola di energia da misurare davvero.

Per ulteriori informazioni (e fonte di immagine): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Va anche notato che fondamentalmente una fotocamera con esposizione a zero secondi è impossibile, dal momento che non consentirebbe ai fotoni di colpire la superficie. Supponiamo di creare una fotocamera per il conteggio dei fotoni, in grado di fornire un conteggio del rumore zero accurato al 100% dei fotoni che colpiscono ciascun pixel. Per ottenere un'immagine a 10 bit, i pixel più luminosi richiedono 1024 fotoni. Nell'illuminazione della stanza (utilizzando il pixel pitch del D7000) 2 milioni di fotoni colpiscono ogni pixel ogni secondo. Dividendo i 2 milioni di fotoni per il numero di livelli di luminosità (1024) otteniamo un frame rate massimo teorico di 1950 frame al secondo. 1/1950 sarebbe il tempo minimo di esposizione possibile per un'immagine a 10 bit sotto l'illuminazione della stanza.

La luce più luminosa provoca immediatamente una tensione più elevata, ma non molto più elevata. Questa è la parte cruciale. Se vuoi avere un'immagine che sembra che l'occhio si aspetti, devi o amplificare il segnale (aumentando le differenze tra alto e basso, sia corretto che errato a causa del rumore) oppure devi leggere più a lungo, aumentando il campione reale. Quest'ultimo è ciò che fanno i sensori utilizzati nelle fotocamere digitali.

Ogni fotosite non è solo un fotodiodo sensibile alla luce, ma contiene anche un accumulatore chiamato "pozzo". Mentre il fotodiodo continua a produrre tensione (poiché è esposto alla luce), l'accumulatore si riempie. Se la luce che colpisce un determinato sito è luminosa, si riempie rapidamente. Se la luce è fioca, si riempie lentamente. Al termine dell'esposizione, il livello del pozzo viene campionato e convertito in un valore digitale.

Naturalmente, in piena luce, ci sono molti dati, quindi una breve esposizione dipinge un'immagine accurata (se perdonerai il turno di frase). In condizioni di scarsa luminosità, tuttavia, non c'è molta energia da misurare. Se fai solo un rapido campionamento, il rumore proveniente dalla lettura del sensore e altra inevitabile casualità nel mondo reale produrranno variazioni forti quanto la differenza "legittima" tra i fotositi più pieni e vuoti, e non c'è modo di dire quale sia.

Questo è ciò che accade quando scatti un'immagine sottoesposta e provi ad aumentare l'amplificazione nel software: rumore, rumore, rumore e forse solo oscurità. E qualsiasi lettura istantanea (senza un accumulatore) non avrebbe abbastanza dati per essere utile.

Semplice come quello, davvero. Si scopre che i sensori moderni sono migliori in questo rispetto ai film di processo chimico: è per questo che possiamo avere valori ISO apparentemente folli di 25k e oltre. Quelli sono in grado di misurare abbastanza finemente da poter applicare una grande quantità di amplificazione senza che il rumore diventi travolgente. Fondamentalmente, tuttavia, rispetto al magico dispositivo di lettura istantanea, siamo ancora nello stesso campo di baseball.

La risposta più semplice è che la luce è basata sulle particelle, costituita da fotoni. Un sensore digitale non è un singolo trigger di fotone, ma un secchio da misurare. Credo che sia qui che sei confuso: un sensore non è binario, né sono sensibili a un singolo fotone: un fotone non "accende" il sito della foto del sensore. Invece, ciò che viene misurato è quanto è pieno il secchio. Deve essere concesso abbastanza tempo per riempire correttamente il secchio, altrimenti non verrà registrata alcuna immagine.

Le scene più luminose emettono fotoni di energia sempre più elevata, riempiendo così il secchio più rapidamente. Riempire eccessivamente il secchio sovraesposta l'immagine, perdendo dettagli o "lavando" l'immagine. Per evitare questo dilavamento, accorcia semplicemente il tempo di raccolta dei fotoni.