ทำไมกล้องดิจิตอลถึงต้องใช้เวลาในการเปิดรับแสงเลย?

จากสิ่งที่ฉันเข้าใจในกล้องดิจิตอลโดยทั่วไปแล้วพวกเขาก็เป็นเลนส์บวกกับอาร์เรย์ไดโอดสองมิติเล็ก ๆ นับล้าน และจากสิ่งที่ฉันเข้าใจเกี่ยวกับโฟโตไดโอดพวกมันสร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่ออยู่ในแสงด้วยแสงความเข้มสูงกว่าทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าทันที

อย่างไรก็ตามหากทั้งหมดนี้เป็นจริงก็ไม่จำเป็นต้องมีการเปิดรับในกล้องดิจิตอล: แรงดันไฟฟ้าแต่ละตัวสามารถอ่านได้และ(สมมติว่าตัวอ่านแรงดันไฟฟ้าของเรามีความไวพอและเสียงไฟฟ้าไม่สำคัญ)เราจะได้ภาพที่ถูกต้อง เป็นไปได้เกือบจะในทันที

แต่นี่ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้น ดังนั้นความเข้าใจของฉันจึงไม่ถูกต้อง และมีมีกล้องดิจิตอลใด ๆ ที่ทำงานในลักษณะนี้หรือไม่?

^{ขออภัยถ้านี่เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ SE - แต่ฉันรู้สึกว่าคำถามนี้น่าสนใจสำหรับผู้ชมนี้}

ฉันไปจากอิเล็กทรอนิคส์ดังนั้นฉันจะเพิ่มพื้นหลังวิชาฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ / เซมิคอนดักเตอร์เล็กน้อยให้กับคำตอบสองสามข้อที่คุณได้รับไปแล้ว

ความเข้าใจผิดที่สำคัญที่ฉันคิดว่าคุณมีคือโฟโตไดโอดไม่สร้างแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อแสงมันสร้างกระแสไฟฟ้า โฟตอนแต่ละอันที่โดนโฟโตไดโอดจะสร้างอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ภายในอุปกรณ์ (จริงๆแล้วเป็น "อิเล็กตรอนรูคู่อิเล็กตรอน" แต่ถ้าคุณต้องการรายละเอียดในระดับนั้นคุณควรนำคำถามมาที่ EE.SE) อิเล็กตรอนหลายล้านตัวรวมกันเป็นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ ในที่สุดเมื่อกระแสนี้ถูกใช้เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุคุณจะมีแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ซึ่งสามารถรับรู้หรือบันทึกเป็นพิกเซลในภาพของคุณ

นี่คือสาเหตุที่ cmason บอกว่าเซ็นเซอร์ต้องการเวลาในการเติม "bucket" แต่ละอันและอย่างที่ mattdm บอกว่าต้องใช้เวลาก่อนที่ตัวสะสมจะเติมจนถึงจุดที่สามารถวัดได้เพื่อสร้างภาพ

กล้องดิจิตอลพยายามที่จะทำอย่างนั้นมันเป็นเพียงเพราะเสียงที่พวกเขาทำไม่ได้ เช่นกล้องสามารถอธิบายว่ามี ISO สูงตามอำเภอใจและดังนั้นการเปิดรับแสงที่ถูกต้องจะได้รับด้วยความเร็วชัตเตอร์สั้นโดยพลการ

การทำรูปแบบขนาดใหญ่ที่มีความละเอียดต่ำกลับมาจากไดโอดภาพถ่ายขนาดใหญ่อาจเป็นโครงการที่สนุกสนาน

ฉันยังคิดว่าในอนาคตระบบ 'การเปิดรับแสงหลายจุด' จะถูกรวมเข้ากับเซ็นเซอร์ - บันทึกค่าเซ็นเซอร์กลางการรับแสง แต่เปิดชัตเตอร์ค้างไว้เพื่อรับรายละเอียดเพิ่มเติมในสีดำ

ต่อไปนี้เป็นการคำนวณคร่าวๆของพลังงานที่จับโดยพิกเซลของกล้อง DSLR รุ่นใหม่ในระหว่างการเปิดรับแสงของห้อง:

ไซต์โฟตอนพฤติกรรมของ Warren Marsให้ตารางจำนวนโฟตอนของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับพิกเซลที่มีขนาดต่าง ๆ ภายใต้สภาพแสงที่หลากหลายสำหรับการเปิดรับ 1/60 วินาที

พิกเซลที่เล็กที่สุดที่ระบุไว้ในกราฟคือ 70 am²พิกเซลใหญ่กว่า D7000 สามเท่า; อิมเมจ D7000 มีขนาดของพิกเซล4.78μm

ภายใต้ 'ไฟในห้องนั่งเล่น' นี่จะให้ค่าประมาณ 110000 โฟตอนต่อพิกเซลใน D7000

โฟตอนสีแดงมีพลังงานประมาณ 1.6 * 10E-19 J จะเห็นได้ว่าพลังงานต่อพิกเซลอยู่ในลำดับของ 10E-14 J พลังงานในการวัดที่น้อยมาก

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม (และแหล่งที่มาของภาพ): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

ควรสังเกตว่ากล้องเปิดรับแสงเป็นศูนย์วินาทีเป็นไปไม่ได้เนื่องจากไม่มีโฟตอนที่จะชนกับพื้นผิว สมมติว่าเราสร้างกล้องนับโฟตอน - เป็นกล้องที่สามารถให้เสียงนับจำนวนศูนย์ที่ถูกต้อง 100% ของโฟตอนที่กระทบกับแต่ละพิกเซล ในการรับภาพขนาด 10 บิตพิกเซลที่สว่างที่สุดนั้นต้องการ 1024 โฟตอน แสงในห้อง (ใช้ระยะห่างระหว่างพิกเซลจาก D7000) 2 ล้านโฟตอนกดแต่ละพิกเซลทุกวินาที หาร 2 ล้านโฟตอนตามจำนวนระดับความสว่าง (1024) เราได้รับอัตราเฟรมสูงสุดทางทฤษฎีที่ 1950 เฟรมต่อวินาที 1/1950 จะเป็นเวลาแสงต่ำสุดที่เป็นไปได้สำหรับภาพ 10 บิตภายใต้แสงไฟในห้อง

แสงที่สว่างขึ้นทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นในทันที แต่ไม่สูงขึ้นอย่างมาก นั่นคือส่วนที่สำคัญ หากคุณต้องการมีภาพที่ดูเหมือนว่าตาคาดหวังคุณจะต้องขยายสัญญาณ (เพิ่มความแตกต่างระหว่างสูงและต่ำทั้งถูกและผิดเนื่องจากเสียงรบกวน) หรือคุณต้องอ่านนานขึ้นเพิ่ม ตัวอย่างจริง สิ่งหลังคือสิ่งที่เซ็นเซอร์ที่ใช้ในกล้องดิจิตอลทำ

แต่ละ photosite ไม่ได้เป็นเพียงโฟโตไดโอดที่ไวต่อแสง แต่ยังมีตัวสะสมที่เรียกว่า "ดี" เมื่อโฟโตไดโอดยังคงผลิตแรงดันไฟฟ้า (เมื่อสัมผัสกับแสง) สะสมจะเติมเต็ม หากแสงกระทบบริเวณใดบริเวณหนึ่งสว่างขึ้น หากแสงสลัวก็จะเต็มไปอย่างช้าๆ เมื่อเปิดรับแสงเสร็จระดับของหลุมจะถูกสุ่มตัวอย่างและแปลงเป็นค่าดิจิตอล

แน่นอนว่าในแสงไฟสว่างจ้ามีข้อมูลจำนวนมากดังนั้นการเปิดรับแสงสั้น ๆ จะให้ภาพที่ถูกต้อง (หากคุณยกเลิกวลี) ในที่ที่มีแสงน้อยมีเพียงพลังงานที่ไม่สามารถวัดได้ หากคุณทำการสุ่มตัวอย่างอย่างรวดเร็วเสียงจากการอ่านเซ็นเซอร์และการสุ่มตัวอย่างที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้จริง ๆ จะทำให้เกิดความแปรปรวนที่รุนแรงเช่นเดียวกับความแตกต่างที่ "ถูกต้องตามกฎหมาย" ระหว่างภาพถ่ายที่ว่างเปล่าและว่างเปล่ามากขึ้น

นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณถ่ายภาพที่มีแสงน้อยเกินไปและพยายามที่จะขยายเสียงในซอฟต์แวร์: เสียง, เสียง, เสียงรบกวนและอาจเป็นเพียงความมืด และการอ่านทันที (โดยไม่มีตัวสะสมอย่างดี) จะไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะเป็นประโยชน์

ง่ายเหมือนที่จริง ปรากฎว่าเซ็นเซอร์ที่ทันสมัยมีดีกว่าที่กว่านี้ภาพยนตร์เรื่องสารเคมีกระบวนการ: มันเป็นเหตุผลที่เราสามารถมีค่า ISO บ้าดูเหมือน 25k และเหนือ สิ่งเหล่านี้สามารถวัดได้อย่างละเอียดพอที่จะสามารถขยายเสียงจำนวนมากได้โดยไม่มีเสียงดังรบกวน อย่างไรก็ตามโดยพื้นฐานแล้วเมื่อเทียบกับอุปกรณ์อ่านทันทีที่มีมนต์ขลังเรายังคงอยู่ในสวนเบสบอลเดียวกัน

คำตอบที่ง่ายที่สุดคือแสงเป็นอนุภาคซึ่งประกอบด้วยโฟตอน เซ็นเซอร์ดิจิตอลไม่ได้เป็นเพียงโฟตอนทริกเกอร์ แต่จะวัดที่เก็บข้อมูล ฉันเชื่อว่านี่เป็นที่ที่คุณสับสน: เซ็นเซอร์ไม่ได้เป็นแบบไบนารีและไม่ไวต่อโฟตอนเดียว: โฟตอนไม่ได้ 'เปิดใช้' ในไซต์ภาพถ่ายเซ็นเซอร์ สิ่งที่วัดได้ก็คือถังเต็ม ต้องให้เวลาเพียงพอในการเติมถังอย่างถูกต้องมิฉะนั้นจะไม่มีการบันทึกภาพ

ฉากที่สว่างกว่าจะปล่อยโฟตอนพลังงานออกมามากขึ้นเรื่อย ๆ การเติมถังมากเกินไปจะทำให้ภาพสว่างเกินไปทำให้สูญเสียรายละเอียดหรือ 'ล้างภาพ' เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการชะล้างคุณเพียงแค่ลดเวลาในการรวบรวมโฟตอน