Warum benötigen Digitalkameras überhaupt eine Belichtungszeit?

Soweit ich Digitalkameras verstehe, handelt es sich im Grunde genommen um ein Objektiv und eine winzige zweidimensionale Anordnung von Millionen von Fotodioden. Und so wie ich es von Fotodioden verstehe, erzeugen sie im Licht eine Spannung, wobei Licht höherer Intensität sofort höhere Spannungen hervorruft.

Wenn dies alles wahr wäre, wäre eine Belichtung mit Digitalkameras nicht erforderlich: Die einzelnen Spannungen könnten gelesen werden, und (vorausgesetzt, unser Spannungsleser ist empfindlich genug und das elektrische Rauschen ist vernachlässigbar) wir würden ein so genaues Bild erhalten wie möglich fast sofort.

Dies ist jedoch nicht der Fall. Wo ist mein Verständnis falsch? Und gibt es Digitalkameras, die auf diese Weise funktionieren?

^{Es tut mir leid, wenn dies für die Elektronik besser geeignet ist.SE - aber ich dachte, diese Frage wäre für dieses Publikum interessanter.}

Ich komme aus der Elektronik, also werde ich ein bisschen Elektronik- / Halbleiterphysik-Hintergrund zu ein paar der Antworten hinzufügen, die Sie bereits erhalten haben.

Das wichtigste Missverständnis, das Sie meiner Meinung nach haben, ist, dass eine Fotodiode keine Spannung als Reaktion auf Licht erzeugt, sondern einen Strom. Jedes Photon, das auf die Photodiode trifft, erzeugt ein mobiles Elektron im Inneren des Geräts (eigentlich ein "Elektron-Loch-Paar"). Wenn Sie diese Detailgenauigkeit wünschen, sollten Sie die Frage lieber an EE.SE weiterleiten. Millionen von Elektronen bilden zusammen einen meßbaren elektrischen Strom. Wenn dieser Strom schließlich zum Laden eines Kondensators verwendet wird, haben Sie eine messbare Spannung, die erfasst oder aufgezeichnet werden kann, um ein Pixel in Ihrem Bild zu bilden.

Aus diesem Grund benötigt der Sensor, wie von cmason angegeben, einige Zeit, um jeden "Eimer" zu füllen, und wie von mattdm angegeben, dauert es einige Zeit, bis sich ein Akku bis zu dem Punkt füllt, an dem er gemessen werden kann, um ein Bild zu erstellen.

Digitalkameras versuchen genau das zu tun, aber nur wegen des Rauschens tun sie es nicht. Eine solche Kamera könnte mit einem willkürlich hohen ISO-Wert beschrieben werden, und demzufolge würde eine korrekte Belichtung mit einer willkürlich kurzen Verschlusszeit erhalten.

Das Zurücksetzen eines Großformats mit niedriger Auflösung aus großen Fotodioden könnte ein unterhaltsames Projekt sein.

Ich denke auch, dass in Zukunft "Mehrfachbelichtungssysteme" in Sensoren integriert werden. Erfassen Sie die Sensorwerte bei mittlerer Belichtung, aber lassen Sie den Verschluss offen, um mehr Details in Schwarz zu erhalten.

Das Folgende ist eine grobe Berechnung der Energie, die von einem Pixel einer modernen DSLR während einer Belichtung bei Raumbeleuchtung erfasst wird:

Die Photon Behaviour Site von Warren Mars bietet eine Tabelle mit der Anzahl der Photonen, die bei einer Belichtung von 1/60 Sekunde unter verschiedenen Lichtbedingungen auf die Pixel unterschiedlicher Größe auftreffen.

Das kleinste Pixel im Mangold ist ein 70µm² großes Pixel, dreimal so groß wie das des D7000. Der Imager des D7000 hat eine Pixelgröße von 4,78 µm

Unter "Wohnzimmerlicht" ergibt dies einen Wert von etwa 110000 Photonen pro Pixel auf einer D7000.

Ein rotes Photon hat ungefähr 1,6 · 10 & supmin; ¹ & sup9; J Energie. Es ist zu sehen, dass die Energie pro Pixel in der Größenordnung von 10E-14 J liegt. Eine sehr kleine Menge an Energie, die tatsächlich gemessen werden muss.

Weitere Informationen (und Bildquelle): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Es sollte auch beachtet werden, dass eine Null-Sekunden-Belichtungskamera grundsätzlich unmöglich ist, da es keine Zeit für Photonen geben würde, auf die Oberfläche zu treffen. Angenommen, wir erstellen eine Photonenzählungskamera, die eine 100% genaue Null-Rausch-Zählung der Photonen liefert, die auf jedes Pixel treffen. Um ein 10-Bit-Bild zu erhalten, benötigen die hellsten Pixel 1024 Photonen. Bei Raumbeleuchtung (unter Verwendung des Pixelabstands vom D7000) treffen 2 Millionen Photonen pro Sekunde auf jedes Pixel. Durch Teilen der 2 Millionen Photonen durch die Anzahl der Helligkeitsstufen (1024) erhalten wir eine theoretische maximale Bildrate von 1950 Bildern pro Sekunde. 1/1950 wäre die minimal mögliche Belichtungszeit für ein 10-Bit-Bild bei Raumbeleuchtung.

Das hellere Licht verursacht sofort eine höhere Spannung, aber nicht sehr viel höher. Das ist der entscheidende Teil. Wenn Sie ein Bild haben möchten, das so aussieht, wie es das Auge erwartet, müssen Sie entweder das Signal verstärken (wobei die Unterschiede zwischen hoch und niedrig aufgrund von Rauschen sowohl richtig als auch falsch erhöht werden ) oder Sie müssen länger lesen und die Werte erhöhen tatsächliche Probe. Letzteres tun die in Digitalkameras verwendeten Sensoren.

Jede Photosite ist nicht nur eine lichtempfindliche Photodiode, sondern enthält auch einen Akkumulator, der als "Wanne" bezeichnet wird. Wenn die Fotodiode weiterhin Spannung erzeugt (wenn sie Licht ausgesetzt ist), füllt sich der Akku. Wenn das Licht, das auf eine bestimmte Stelle trifft, hell ist, füllt sich dieser Brunnen schnell. Wenn das Licht schwach ist, füllt es sich langsam. Wenn die Belichtung beendet ist, wird der Füllstand des Bohrlochs abgetastet und in einen digitalen Wert umgewandelt.

Natürlich gibt es bei hellem Licht viele Daten, so dass eine kurze Belichtung ein genaues Bild ergibt (wenn Sie die Wendung verzeihen). Bei schlechten Lichtverhältnissen ist jedoch nicht viel Energie zu messen. Wenn Sie nur eine schnelle Abtastung vornehmen, führt das Rauschen beim Lesen des Sensors und andere unvermeidbare Zufälligkeiten in der realen Welt zu Abweichungen, die so stark sind wie der "legitime" Unterschied zwischen den volleren und leereren Fotoseiten, und es gibt keine Möglichkeit, zu sagen, welche welche sind.

Dies passiert, wenn Sie ein unterbelichtetes Bild aufnehmen und versuchen, die Verstärkung in der Software zu erhöhen: Rauschen, Rauschen, Rauschen und möglicherweise nur Schwärze. Und ein sofortiger Lesevorgang (ohne Akkufach) hätte nicht genug Daten, um nützlich zu sein.

So einfach ist das wirklich. Stellt sich heraus , dass moderne Sensoren sind an das besser als chemisch-Prozess Film: es ist , warum wir scheinbar verrückt ISO - Werte von 25k und oben haben. Diese können fein genug messen, dass eine große Menge an Verstärkung angewendet werden kann, ohne dass das Rauschen überwältigt wird. Grundsätzlich sind wir jedoch im Vergleich zum magischen Instant-Read-Gerät immer noch im gleichen Umfeld.

Die einfachste Antwort ist, dass Licht partikelbasiert ist und aus Photonen besteht. Ein digitaler Sensor ist kein einzelner Photonentrigger, sondern ein zu messender Eimer. Ich glaube, das ist der Punkt, an dem Sie verwirrt sind: Ein Sensor ist weder binär noch empfindlich für ein einzelnes Photon. Ein Photon schaltet die Sensorfoto-Site nicht ein. Stattdessen wird gemessen, wie voll der Eimer ist. Es muss genügend Zeit eingeräumt werden, um den Eimer ordnungsgemäß zu füllen. Andernfalls wird kein Bild aufgezeichnet.

Hellere Szenen emittieren immer mehr Photonen mit höherer Energie und füllen so den Eimer schneller. Durch Überfüllen des Eimers wird das Bild überbelichtet, es gehen Details verloren oder das Bild wird „ausgewaschen“. Um dieses Auswaschen zu verhindern, verkürzen Sie einfach die Zeit, in der Sie Photonen sammeln.