Tại sao máy ảnh kỹ thuật số cần một thời gian phơi sáng?


17

Từ những gì tôi hiểu về máy ảnh kỹ thuật số, về cơ bản chúng là một ống kính cộng với một mảng hai chiều nhỏ của hàng triệu điốt ảnh. Và từ những gì tôi hiểu về điốt quang ảnh, chúng tạo ra một điện áp khi ở trong ánh sáng, với ánh sáng cường độ cao hơn ngay lập tức gây ra điện áp cao hơn.

Tuy nhiên, nếu điều này hoàn toàn đúng, sẽ không cần phải phơi sáng trong máy ảnh kỹ thuật số: các điện áp riêng lẻ có thể được đọc và (giả sử đầu đọc điện áp của chúng tôi đủ nhạy và nhiễu điện không đáng kể) chúng tôi sẽ có được hình ảnh chính xác càng tốt gần như ngay lập tức.

Nhưng, đây không phải là những gì xảy ra. Vậy đâu là sự hiểu biết của tôi không đúng? Và rất có bất kỳ máy ảnh kỹ thuật hoạt động theo cách này?

Xin lỗi nếu điều này phù hợp hơn với thiết bị điện tử.SE - nhưng tôi cảm thấy câu hỏi này sẽ thú vị hơn với khán giả này.


Âm thanh thực sự nhàm chán (ý tưởng không có thời gian tiếp xúc, không phải cách bạn đặt câu hỏi): P
dpollitt

1
"Giả sử đầu đọc điện áp của chúng tôi đủ nhạy và nhiễu điện là không đáng kể" Đó là những giả định khá lớn để bắt đầu với ...
một CVn

Câu trả lời:


16

Tôi đang truy cập từ Điện tử, vì vậy tôi sẽ thêm một chút nền tảng vật lý điện tử / bán dẫn vào một vài câu trả lời mà bạn đã nhận được.

Sự hiểu lầm chính mà tôi nghĩ rằng bạn có là một photodiode không tạo ra điện áp để phản ứng với ánh sáng, nó tạo ra một dòng điện. Mỗi photon chạm vào photodiode sẽ tạo ra một electron di động bên trong thiết bị (thực sự là một "cặp lỗ electron", nhưng nếu bạn muốn mức độ chi tiết đó, bạn nên đặt câu hỏi cho EE.SE). Hàng triệu electron cùng nhau tạo thành một dòng điện có thể đo được. Cuối cùng, khi dòng điện này được sử dụng để sạc một tụ điện, thì bạn có một điện áp có thể đo được có thể được cảm nhận hoặc ghi lại để tạo thành một pixel trong hình ảnh của bạn.

Đây là lý do tại sao, như cmason nói, cảm biến cần một chút thời gian để lấp đầy từng "thùng", và như mattdm nói, cần có thời gian để một bộ tích lũy lấp đầy đến điểm có thể đo được để tạo thành hình ảnh.


Tôi rất vui vì câu trả lời này đã được viết, ban đầu tôi đã viết một câu trả lời như thế này, cố gắng giải thích vật lý bán dẫn nhưng quyết định rằng tôi có thể sẽ không làm cho nó đủ rõ ràng.
Phil

@Phil, tôi nghĩ rằng câu trả lời cuối cùng của bạn, trong đó bạn tập trung vào việc phải chờ các photon thực sự đến, thực sự đã đến giới hạn cơ bản của lý do tại sao chúng ta cần thời gian phơi sáng khác không. Tôi chỉ cố gắng đánh vào sự hiểu lầm chính mà tôi thấy trong các cơ sở của OP về câu hỏi.
Photon

Để chắc chắn rằng tôi hiểu: đơn giản là vì dòng điện được tạo ra bởi các điốt ảnh nhỏ như vậy quá nhỏ để có thể đo tức thời chính xác / không có nhiễu, vì vậy chúng tôi phải thêm một tụ điện để có thể đo tổng điện tích chảy qua khoảng thời gian. Điều này có đúng không?
BlueRaja - Daniel Pflughoeft

1
@ BlueRaja-DannyPflughoeft, lý do cơ bản là những gì Phil nói --- bạn phải đợi đủ photon đến để tạo ra hình ảnh có độ nhiễu thấp. Về cơ bản, nó đi xuống cùng một thứ cho các điện tử. Về mặt điện tử, cũng đúng là các phương pháp đo dòng điện của chúng ta thường yêu cầu chuyển đổi chúng thành điện áp trước tiên.
Photon

16

Máy ảnh kỹ thuật số cố gắng thực hiện chính xác điều đó, chỉ vì tiếng ồn mà chúng không làm được. Chẳng hạn như máy ảnh có thể được mô tả là có ISO cao tùy ý và do đó phơi sáng chính xác sẽ đạt được với tốc độ màn trập ngắn tùy ý.

Làm cho một định dạng lớn độ phân giải thấp trở lại từ các điốt ảnh lớn có thể là một dự án thú vị.

Tôi cũng nghĩ rằng trong tương lai, các hệ thống 'đa phơi sáng' sẽ được tích hợp vào các cảm biến - ghi lại các giá trị cảm biến giữa phơi sáng nhưng giữ cho màn trập mở, để có thêm chi tiết về màu đen.

Sau đây là tính toán sơ bộ về năng lượng được chụp bởi pixel của máy ảnh DSLR hiện đại khi phơi sáng trong phòng:

Trang web Hành vi Photon của Warren Mars cung cấp một bảng về số lượng photon xảy ra trên các pixel có kích thước khác nhau trong các điều kiện ánh sáng khác nhau để phơi sáng 1/60 giây.

Điểm ảnh nhỏ nhất được liệt kê trong phần đó là 70 pixelm², lớn hơn ba lần so với D7000; các hinh của D7000 có kích thước điểm ảnh của 4.78μm

Trong 'ánh sáng phòng khách', giá trị này khoảng 110000 photon trên mỗi pixel trên D7000.

Một photon đỏ có năng lượng khoảng 1,6 * 10E-19 J. Có thể thấy rằng năng lượng trên mỗi pixel nằm ở mức 10E-14 J. Một lượng năng lượng rất nhỏ để đo thực sự.

Pixel trên cảm biến

Để biết thêm thông tin (và nguồn hình ảnh): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htmlm

Cũng cần lưu ý rằng về cơ bản, máy ảnh phơi sáng 0 giây là không thể, vì nó sẽ không cho phép thời gian để các photon chạm vào bề mặt. Giả sử chúng ta tạo ra một máy ảnh đếm photon - đó là một máy ảnh có thể cung cấp số nhiễu không chính xác 100% của các photon chạm vào từng pixel. Để có được hình ảnh 10 bit, các pixel sáng nhất đòi hỏi 1024 photon. Trong ánh sáng phòng (Sử dụng cường độ điểm ảnh từ D7000), 2 triệu photon đạt được mỗi pixel mỗi giây. Chia 2 triệu photon cho số mức độ sáng (1024), chúng ta có được tốc độ khung hình tối đa theo lý thuyết là 1950 khung hình mỗi giây. 1/1950 sẽ là thời gian phơi sáng tối thiểu có thể cho hình ảnh 10 bit dưới ánh sáng phòng.


3
Thật thú vị, trên bit cuối cùng đó: ở khẩu độ f / 1.4 và tốc độ màn trập là, theo lý thuyết, ISO 6400 sẽ giúp bạn phơi sáng chính xác khi chiếu sáng trong phòng. Có thể không có 10 bit của dải động thực sự trong đó và nó sẽ khá ồn ào, nhưng tôi nghĩ rằng các máy ảnh trong thế giới thực ngày nay nằm trong sân bóng tối đa theo lý thuyết của bạn.
mattdm

Digital cameras attempt to do exactly that, it is only because of noise that they do not.- erm, điều này không thể đúng mặc dù. Nếu đúng như vậy, bất kỳ mức ánh sáng nào gây ra điện áp không gần mức nhiễu đều có thể được đọc ngay lập tức; và bất kỳ điện áp nào xung quanh hoặc dưới mức nhiễu đều không thể đọc được. "Phơi sáng" các điốt trong một thời gian ngắn để lấy trung bình các giá trị có thể giúp ích khi chúng ta hơi cao hơn mức nhiễu, nhưng trong mọi trường hợp khác, sẽ không cần phải phơi sáng.
BlueRaja - Daniel Pflughoeft

Ngoài ra đoạn cuối của bạn là không chính xác; nếu điốt quang ảnh đo biên độ tức thời của ánh sáng (mà tôi tin là chúng làm) , bạn sẽ không cần phải để hình ảnh "phơi sáng" trong bất kỳ khoảng thời gian nào - các giá trị có thể được đọc ngay lập tức. Tôi nghĩ rằng bạn đang nhầm lẫn điều này vì "phơi các điốt ra ánh sáng trong thời gian 0", điều này đang trộn lẫn cách thức hoạt động của máy ảnh kỹ thuật số với cách thức hoạt động của máy ảnh tương tự.
BlueRaja - Daniel Pflughoeft

Có rất nhiều cảm biến máy ảnh kỹ thuật số mà tôi đã không đi vào đây. Điều tôi nhận được là hầu hết các máy ảnh kỹ thuật số đều cố gắng chụp ảnh có đồng hồ đo chính xác với thời gian phơi sáng càng ít càng tốt - do đó tăng khả năng chống rung máy và các đối tượng chuyển động. Tôi đã phân tích một tình huống ánh sáng yếu để làm rõ rằng thời gian phơi sáng bằng 0 giây không có ý nghĩa vật lý.
Phil

2
Tôi đã có một thời gian này sau buổi trưa và quyết định nghiên cứu chủ đề này nhiều hơn. Tôi phát hiện ra rằng có một số điểm không chính xác trong lý thuyết và toán học của tôi. Tôi không có thời gian để sửa chúng và không nghĩ rằng chúng ảnh hưởng đến khả năng trả lời câu hỏi của tôi. Xin vui lòng không lấy bất kỳ số nào được trình bày là thực tế lặp lại tại thời điểm này. Tôi không muốn lan truyền bất kỳ thông tin sai lệch.
Phil

7

Ánh sáng mạnh hơn ngay lập tức gây ra điện áp cao hơn, nhưng không quá cao. Đó là phần quan trọng. Nếu bạn muốn có một hình ảnh trông giống như mắt mong đợi, bạn cần phải khuếch đại tín hiệu (tăng sự khác biệt giữa cao và thấp, cả chính xác và không chính xác do nhiễu) hoặc bạn cần đọc lâu hơn, tăng mẫu thực tế. Thứ hai là những gì các cảm biến được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số làm.

Mỗi photosite không chỉ là một photodiode nhạy sáng, mà còn chứa một bộ tích lũy gọi là "giếng". Khi photodiode tiếp tục tạo ra điện áp (khi nó tiếp xúc với ánh sáng), bộ tích lũy sẽ lấp đầy. Nếu ánh sáng chiếu vào một trang web cụ thể là sáng, điều đó sẽ lấp đầy nhanh chóng. Nếu ánh sáng mờ, nó lấp đầy từ từ. Khi tiếp xúc kết thúc, mức độ của giếng được lấy mẫu và chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số.

Tất nhiên, trong ánh sáng mạnh, có rất nhiều dữ liệu, do đó, phơi sáng ngắn sẽ vẽ ra một bức tranh chính xác (nếu bạn tha thứ cho cụm từ). Tuy nhiên, trong điều kiện ánh sáng yếu, không có nhiều năng lượng để đo. Nếu bạn chỉ lấy mẫu nhanh, tiếng ồn từ việc đọc cảm biến và sự ngẫu nhiên trong thế giới thực không thể tránh khỏi khác sẽ tạo ra sự biến đổi mạnh mẽ như sự khác biệt "hợp pháp" giữa các bức ảnh đầy đủ hơn và trống rỗng hơn, và không có cách nào để biết đó là cái gì.

Đây là những gì xảy ra khi bạn chụp ảnh thiếu sáng và cố gắng tăng cường khuếch đại trong phần mềm: nhiễu, nhiễu, nhiễu và có thể chỉ là màu đen. Và bất kỳ việc đọc tức thời nào (không có bộ tích lũy tốt) sẽ không có đủ dữ liệu hữu ích.

Đơn giản như vậy, thật đấy. Lần lượt ra rằng cảm biến hiện đại tốt hơn lúc này hơn phim hóa chất xử lý: đó là lý do tại sao chúng ta có thể có giá trị ISO có vẻ điên rồ của 25k trở lên. Những người có thể đo đủ mịn để có thể áp dụng một lượng lớn khuếch đại mà không bị nhiễu. Về cơ bản, mặc dù, so với thiết bị đọc tức thì kỳ diệu, chúng ta vẫn ở trong cùng một sân bóng.


Tôi không tin điều này là chính xác, vui lòng xem bình luận đầu tiên của tôi ở trên.
BlueRaja - Daniel Pflughoeft

Phần nào bạn không tin là chính xác? (Tôi thậm chí không chắc ý của bạn là "ở trên", vì các câu trả lời có thể được xem theo thứ tự khác nhau.)
mattdm

6

Câu trả lời đơn giản nhất là ánh sáng dựa trên hạt, bao gồm các photon. Một cảm biến kỹ thuật số không phải là một bộ kích hoạt photon đơn lẻ, mà là một cái xô cần đo. Tôi tin rằng đây là nơi bạn bối rối: một cảm biến không phải là nhị phân, chúng cũng không nhạy cảm với một photon duy nhất: một photon không 'bật' trang web ảnh cảm biến. Thay vào đó, những gì được đo là mức độ đầy đủ của xô. Phải có đủ thời gian để đổ đầy xô, hoặc không có hình ảnh nào được ghi lại.

Những cảnh sáng hơn phát ra nhiều photon năng lượng cao hơn, do đó làm đầy xô nhanh hơn. Làm đầy xô quá mức hình ảnh, mất chi tiết hoặc 'rửa sạch' hình ảnh. Để ngăn chặn việc rửa trôi này, bạn chỉ cần rút ngắn thời gian thu thập photon.


Theo tôi hiểu, điốt ảnh không hoạt động như bạn mô tả. Thay vào đó, họ đo biên độ của ánh sáng (hoặc, nếu bạn thích giải thích hạt, tốc độ mà các photon đang đi vào) ngay lập tức. Nếu phiên bản xô của bạn là chính xác, điều đó sẽ giải thích sự cần thiết phải tiếp xúc; nhưng thật không may, tôi không tin nó là.
BlueRaja - Daniel Pflughoeft

Tôi đã cố gắng đánh vần điều này rõ ràng hơn trong câu trả lời của tôi; một photosite không chỉ là một photodiode.
mattdm

3
@ BlueRaja-DannyPflughoeft - Tin hay không (như bạn mong muốn); niềm tin có rất ít để làm với nó. Không có "áp suất ánh sáng", chỉ có tốc độ photon. (Ngoài ra còn có một photon năng lượng , nhưng đó là quyết định bởi bước sóng, không cường độ.) Tỷ lệ Đó là xác suất, vì vậy các trường hợp tối thiểu (đo thời gian giữa hai tương tác photon liên tiếp tại một trang web) không phải là một phép đo có giá trị về mặt thống kê của trung bình tỷ lệ phát xạ photon. Đo lường gián tiếp (năng lượng điện tiềm tàng gây ra bởi sự tương tác của các photon với cảm biến) phụ thuộc vào sự tích lũy.
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.