디지털 카메라에 노출 시간이 필요한 이유는 무엇입니까?

제가 디지털 카메라에 대해 이해 한 바에 따르면 기본적으로 렌즈에 수백만 개의 포토 다이오드로 구성된 작은 2 차원 배열이 있습니다. 그리고 내가 포토 다이오드에 대해 이해 한 것에서, 그들은 빛에있을 때 전압을 생성합니다.

그러나 이것이 모두 사실이라면 디지털 카메라에서 노출이 필요하지 않습니다. 개별 전압을 읽을 수 있고 (전압 판독기가 충분히 민감하고 전기 노이즈는 무시할 수 있다고 가정) 정확한 이미지를 얻을 수 있습니다 거의 즉시.

그러나 이것은 일어나지 않습니다. 내 이해가 잘못된 곳은 어디입니까? 그리고 있는 이 방식으로 작동 모든 디지털 카메라가?

^{이것이 전자 제품에 더 적합한 경우 죄송합니다 .SE- 그러나이 질문은이 청중에게 더 흥미로울 것 같습니다.}

나는 Electronics에서 방문하고 있으므로 이미 얻은 몇 가지 답변에 약간의 전자 / 반도체 물리학 배경을 추가 할 것입니다.

내가 오해하는 핵심 오해는 포토 다이오드가 빛에 반응하여 전압을 생성하지 않고 전류를 생성한다는 것입니다. 광 다이오드에 부딪히는 각 광자는 장치 내부에 이동 전자를 생성합니다 (실제로는 "전자-정공 쌍"). 그런 수준의 디테일을 원한다면 EE.SE로 문의하십시오. 수백만 개의 전자가 함께 측정 가능한 전류를 구성합니다. 마지막으로이 전류를 사용하여 커패시터를 충전하면 이미지에 픽셀을 형성하기 위해 감지되거나 기록 될 수있는 측정 가능한 전압이 있습니다.

이것이 cmason에 따르면 센서가 각 "버킷"을 채우는 데 시간이 걸리고 mattdm이 말했듯이 어큐뮬레이터가 이미지를 형성하기 위해 측정 할 수있는 지점까지 채우는 데 시간이 걸립니다.

디지털 카메라는 정확히 그렇게하려고 시도하지만 소음이 적기 때문입니다. 카메라와 같은 것은 임의적으로 높은 ISO를 갖는 것으로 설명 될 수 있고, 결과적으로 임의의 짧은 셔터 속도로 정확한 노출이 얻어 질 것이다.

대형 포토 다이오드에서 저해상도 대형 포맷을 만드는 것은 재미있는 프로젝트가 될 수 있습니다.

또한 앞으로 '다중 노출'시스템이 센서에 통합 될 것입니다. 노출 중 센서 값을 기록하지만 셔터를 열어 두어 블랙으로 더 자세하게 표현할 수 있습니다.

다음은 실내 조명에 노출되는 동안 최신 DSLR의 픽셀로 캡처 한 에너지의 대략적인 계산입니다.

Warren Mars의 Photon Behavior 사이트는 다양한 조명 조건에서 1/60 초 노출 동안 다양한 크기의 픽셀에 입사하는 광자 수의 표를 제공합니다.

차드에 나열된 가장 작은 픽셀은 D7000보다 3 배 큰 70µm² 픽셀입니다. D7000의 화상 카메라는 4.78μm의 픽셀 크기를 가지고

'거실 조명'에서 이것은 D7000의 픽셀 당 약 110000 광자의 값을 제공합니다.

적색 광자는 약 1.6 * 10E-19 J의 에너지를 갖는다. 픽셀 당 에너지는 10E-14 J 정도임을 알 수 있습니다. 실제로 측정하기위한 매우 적은 양의 에너지.

자세한 내용 및 이미지 출처 : http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

또한 기본적으로 0 초 노출 카메라는 불가능합니다. 왜냐하면 광자가 표면에 닿는 시간을 허용하지 않기 때문입니다. 각 픽셀에 부딪 치는 광자의 100 % 정확한 제로 노이즈 카운트를 제공 할 수있는 광자 카운팅 카메라를 생성한다고 가정 해 봅시다. 10 비트 이미지를 얻으려면 가장 밝은 픽셀에 1024 광자가 필요합니다. 실내 조명 (D7000의 픽셀 피치 사용)에서 2 백만 광자가 매 픽셀마다 맞습니다. 2 백만 광자를 밝기 레벨 (1024)의 수로 나누면 초당 최대 1950 프레임의 이론상 최대 프레임 속도를 얻을 수 있습니다. 실내 조명에서 10 비트 이미지의 경우 최소 노출 시간은 1/1950입니다.

더 밝은 빛은 즉시 더 높은 전압을 유발하지만 크게는 아닙니다. 그것이 중요한 부분입니다. 눈이 기대하는 것처럼 보이는 이미지를 원한다면 신호를 증폭 하거나 ( 노이즈로 인해 높음과 낮음의 차이를 증가 시키거나, 정확하고 부정확 한 차이를 증가 시키 거나 ) 더 길게 읽을 필요가 있습니다. 실제 샘플. 후자는 디지털 카메라에 사용되는 센서의 기능입니다.

각 포토 사이트는 감광성 포토 다이오드 일뿐만 아니라 "웰"이라는 축 압기를 포함합니다. 광 다이오드가 계속 전압을 생성함에 따라 (광에 노출 될 때) 어큐뮬레이터가 채워집니다. 특정 부위를 비추는 빛이 밝 으면 빠르게 채워집니다. 조명이 어두우면 천천히 채워집니다. 노출이 끝나면 우물 수준이 샘플링되어 디지털 값으로 변환됩니다.

물론 밝은 빛에는 많은 데이터가 있으므로 짧은 노출은 정확한 그림을 그립니다 (구절을 용서한다면). 저조도에서는 측정 할 에너지가 많지 않습니다. 빠른 샘플링을 수행하면 센서를 읽을 때 발생하는 노이즈와 피할 수없는 다른 실제 임의성으로 인해 더 가득 찬 사진과 빈 사진 사이의 "합법적 인"차이만큼 강렬한 변화가 생길 수 있습니다.

노출 부족 이미지를 촬영하여 소프트웨어에서 노이즈, 노이즈, 노이즈 및 어두움과 같은 증폭 증폭을 시도 할 때 발생하는 현상입니다. 그리고 누산기가없는 순간 읽기는 유용한 데이터가 충분하지 않습니다.

정말 간단합니다. 현대식 센서 가 화학 공정 필름 보다이 점 에서 더 낫다 는 것이 밝혀졌습니다 . 이것이 우리가 25k 이상의 ISO 값을 미친 것처럼 보일 수있는 이유입니다. 노이즈를 압도하지 않고 많은 양의 증폭을 적용 할 수있을 정도로 미세하게 측정 할 수 있습니다. 그러나 근본적으로 마법의 순간 읽기 장치와 비교할 때 우리는 여전히 같은 구장에 있습니다.

가장 간단한 대답은 빛이 입자 기반이며 광자로 구성되어 있다는 것입니다. 디지털 센서는 단일 광자 트리거가 아니라 측정 할 버킷입니다. 센서가 바이너리가 아니며 단일 광자에 민감하지도 않습니다. 광자가 센서 사진 사이트를 '켜지'않습니다. 대신 측정되는 것은 버킷이 얼마나 가득 찼는 지입니다. 버킷을 제대로 채우려면 충분한 시간이 주어져야합니다. 그렇지 않으면 이미지가 기록되지 않습니다.

밝은 장면은 더 많은 에너지 광자를 방출하여 버킷을 더 빠르게 채 웁니다. 버킷을 너무 많이 채우면 이미지가 과다 노출되어 세부 정보가 손실되거나 이미지가 '세척'됩니다. 이러한 세척을 방지하기 위해 광자를 수집하는 시간을 단축하기 만하면됩니다.