Что именно ограничивает современные датчики цифровых камер в захвате интенсивности света выше определенной точки?
С точки зрения физических свойств самого датчика:
Количество фотонных ударов и число свободных электронов, возникающих в результате таких фотонных ударов до тех пор, пока не останется свободных электронов с потенциалом для освобождения в каждом фотосайте (a / k / a sensel, пиксельная яма и т. Д.) Определяют его полная вместимость скважины. Это мало чем отличается от пленки, в которой полное насыщение достигается, когда в эмульсии не осталось кристаллов галогенида серебра, которые еще не имеют достаточных «пятен чувствительности», чтобы проявитель мог преобразовать их в атомарное серебро . Основным отличием является форма кривых отклика, когда каждая технология приближается к полной мощности. Цифровые результаты приводят к высвобождению одинакового количества электронов на фотон до тех пор, пока не будет достигнута полная лунка. Поскольку пленка приближается к полному насыщению, все больше и больше энергии света (или времени проявления) необходимо для воздействия на оставшиеся соли серебра.
С точки зрения записи аналоговых напряжений в виде цифровых данных:
Когда аналоговое напряжение с каждого фотосайта (a / k / a 'sensel', 'pixel well' и т. Д.) Считывается с датчика, к сигналу применяется усиление. Настройка ISO камеры определяет степень усиления. Для каждой ступени увеличения ISO применяется увеличение в два раза. Если используется «базовая» чувствительность камеры (для простоты, давайте назовем ISO 100 усилением 1,00X, при котором входное напряжение равно выходному напряжению), тогда для фотоэлементов, которые достигли полной емкости лунки, должно получиться максимальное показание напряжения после усиления аналоговая схема питания АЦП. Если используется ISO 200 (усиление 2.0X), напряжение от любого датчика, который достиг половины (1/2) полной емкости лунки или более, усиливается до максимального напряжения, допустимого в цепи последующего усиления. ISO 400 (усиление 4X) приводит к тому, что любой датчик, который достиг четверти (1/4) полной емкости лунки или более, регистрируется при максимальном значении и т. Д.
При любом усилении, превышающем 1,0X, будет применен «потолок», меньший, чем полная емкость каждого фотосайта. Когда используется высокое усиление, сигналы слабее, чем полная емкость лунки, также достигают максимальной емкости напряжения цепей после усилителя. Любой уровень предварительно усиленного сигнала, достаточно сильный, чтобы «привязать измеритель» после усиления, неотличим от любого другого уровня предварительно усиленного сигнала, который также будет «привязывать измеритель».
Когда эти усиленные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые данные с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), сигналам с максимальной емкостью напряжения схемы присваивается максимальное значение, допустимое глубиной в битах аналогово-цифрового сигнала. цифровое преобразование. При преобразовании в 8-битные значения напряжениям присваивается двоичное значение в диапазоне 0-255. Максимальный сигнал, разрешенный аналоговой цепью, питающей АЦП, будет записан как 255. Если 14-разрядному, напряжения присваиваются значения от 0 до 16 383, с максимальным значением назначается двоичное значение 16 383, и так далее.
Вывод информации о том, когда вы на самом деле фотографируете:
Вы получите наибольшую разницу и наименьшее количество градаций между самыми яркими и самыми темными элементами в сцене, которую вы фотографируете, когда усиление соответствует "базовой" чувствительности камеры, а время затвора и апертура объединяются, чтобы получить ярких элементов сцены достаточно, чтобы выдержка была почти или почти полной насыщенности. Использование более высокого значения ISO полезно, если невозможно экспонировать так долго или с достаточно широкой диафрагмой, чтобы приблизиться к полному насыщению ярких участков в сцене для изображения, которое вы хотите сделать. Но использование более высокого ISO имеет свою цену. Общий динамический диапазон уменьшается за счет более высокого усиления электрических сигналов, поступающих от датчика.
Так почему же мы не всегда снимаем при ISO 100 или какой-либо базовой ISO камеры, а затем увеличиваем экспозицию позже? Потому что при таком способе усиливается «шум» на изображении даже больше, чем при съемке с более высокими значениями ISO. Сколько еще зависит от того, сколько и где делается шумоподавление для сигнала. Но снижение влияния шума путем применения шумоподавления к аналоговым напряжениям, выходящим из датчика, также имеет свою цену - очень слабые точечные источники света часто отфильтровываются как «шум». Вот почему некоторые камеры с очень хорошими характеристиками в условиях низкой освещенности / высокой чувствительности ISO, с точки зрения снижения шума, также известны астрофотографам как "звездоеды".
¹ Существует небольшое изменение энергии, содержащейся в фотоне, в зависимости от частоты, с которой он колеблется. Фотоны, колеблющиеся на более низких частотах, выделяют немного меньше энергии при попадании на сенсор, чем фотоны, колеблющиеся на более высоких частотах. Но для фотонов, колеблющихся на определенной частоте / длине волны, количество энергии, выделяющейся при попадании на дно пиксельной лунки, остается одинаковым до тех пор, пока не будет достигнута полная лунка.
² Мы называем разницу между самыми темными и самыми яркими элементами, которые могут быть записаны датчиком (или пленкой) динамическим диапазоном носителя записи. Для каждой остановки увеличения чувствительности (ISO) с цифровой камерой линейная разность напряжений между «нулем» и «полным насыщением» уменьшается вдвое. При преобразовании в логарифмические шкалы, такие как «Ev», удвоение чувствительности приводит к уменьшению на одну «остановку» динамического диапазона (при прочих равных условиях, что редко бывает).