Pourquoi les appareils photo numériques ont-ils besoin d'un temps d'exposition?

D'après ce que je comprends des appareils photo numériques, il s'agit essentiellement d'un objectif et d'un minuscule réseau bidimensionnel de millions de photodiodes. Et d'après ce que je comprends des photodiodes, elles créent une tension dans la lumière, une lumière de plus forte intensité provoquant immédiatement une tension plus élevée.

Cependant, si tout cela était vrai, il n'y aurait pas besoin d'une exposition dans les appareils photo numériques: les tensions individuelles pourraient être lues et (en supposant que notre lecteur de tension est suffisamment sensible et que le bruit électrique est négligeable) nous obtiendrions une image aussi précise que possible presque instantanément.

Mais ce n'est pas ce qui se passe. Alors, où est ma compréhension incorrecte? Et y a- t - il des appareils photo numériques qui fonctionnent de cette façon?

^{Désolé si cela convient mieux à l' électronique.SE - mais je pensais que cette question serait plus intéressante pour ce public.}

Je visite d'Electronique, donc je vais ajouter un peu de fond d'électronique / physique des semi-conducteurs à quelques-unes des réponses que vous avez déjà obtenues.

Le principal malentendu que je pense que vous avez, c'est qu'une photodiode ne crée pas de tension en réponse à la lumière, elle crée un courant. Chaque photon qui frappe la photodiode génère un électron mobile à l'intérieur de l'appareil (vraiment une "paire électron-trou", mais si vous voulez ce niveau de détail, vous feriez mieux de poser la question à EE.SE). Des millions d'électrons constituent ensemble un courant électrique mesurable. Enfin, lorsque ce courant est utilisé pour charger un condensateur, vous disposez alors d'une tension mesurable qui peut être détectée ou enregistrée pour former un pixel dans votre image.

C'est pourquoi, comme le dit cmason, le capteur a besoin de temps pour remplir chaque "seau", et comme le dit mattdm, il faut du temps pour qu'un accumulateur se remplisse au point qu'il puisse être mesuré pour former une image.

Les appareils photo numériques tentent de faire exactement cela, c'est seulement à cause du bruit qu'ils ne le font pas. Une telle caméra pourrait être décrite comme ayant une sensibilité ISO arbitrairement élevée, et par conséquent une exposition correcte serait obtenue avec une vitesse d'obturation arbitrairement courte.

Faire un grand format basse résolution à partir de grandes diodes photo pourrait être un projet amusant.

Je pense également qu'à l'avenir, les systèmes de «multi-exposition» seront intégrés dans les capteurs - enregistrer les valeurs des capteurs à mi-exposition mais garder l'obturateur ouvert, pour obtenir plus de détails dans les noirs.

Ce qui suit est un calcul approximatif de l'énergie capturée par un pixel d'un reflex numérique moderne lors d'une exposition à l'éclairage d'une pièce:

Le site du comportement des photons de Warren Mars fournit un tableau du nombre de photons incidents sur les pixels de différentes tailles dans diverses conditions d'éclairage pour une exposition de 1 / 60e de seconde.

Le plus petit pixel répertorié dans la carte est un pixel de 70µm², trois fois plus grand que ceux du D7000; l' imageur du D7000 a une taille de pixel de 4,78 µm

Sous «lumière du salon», cela donne une valeur d'environ 110000 photons par pixel sur un D7000.

Un photon rouge a environ 1,6 * 10E-19 J d'énergie. On voit que l'énergie par pixel est de l'ordre de 10E-14 J. Une très petite quantité d'énergie à mesurer en effet.

Pour plus d'informations (et source d'image): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Il convient également de noter que, fondamentalement, une caméra d'exposition à zéro seconde est impossible, car elle ne laisserait pas le temps aux photons de toucher la surface. Supposons que nous créons une caméra de comptage de photons - c'est-à-dire une caméra qui peut fournir un décompte de bruit nul précis à 100% des photons qui frappent chaque pixel. Pour obtenir une image 10 bits, les pixels les plus brillants nécessitent 1024 pixels. Dans l'éclairage de la pièce (en utilisant le pas de pixel du D7000), 2 millions de photons frappent chaque pixel chaque seconde. En divisant les 2 millions de photons par le nombre de niveaux de luminosité (1024), nous obtenons une cadence théorique maximale de 1950 images par seconde. 1/1950 serait le temps d'exposition minimum possible pour une image 10 bits sous l'éclairage de la pièce.

La lumière plus brillante provoque immédiatement une tension plus élevée, mais pas énormément plus élevée. Voilà la partie cruciale. Si vous voulez avoir une image qui ressemble à l'œil, vous devez soit amplifier le signal (en augmentant les différences entre le haut et le bas, à la fois correctes et incorrectes en raison du bruit) ou vous devez lire plus longtemps, en augmentant la échantillon réel. C'est ce que font les capteurs utilisés dans les appareils photo numériques.

Chaque photosite n'est pas seulement une photodiode photosensible, mais contient également un accumulateur appelé "puits". Alors que la photodiode continue de produire de la tension (lorsqu'elle est exposée à la lumière), l'accumulateur se remplit. Si la lumière qui frappe un site particulier est brillante, cela se remplit bien rapidement. Si la lumière est faible, elle se remplit lentement. Une fois l'exposition terminée, le niveau du puits est échantillonné et converti en valeur numérique.

Bien sûr, sous une lumière vive, il y a beaucoup de données, donc une courte exposition peint une image précise (si vous pardonnez le tour de phrase). En basse lumière, cependant, il n'y a tout simplement pas beaucoup d'énergie à mesurer. Si vous faites juste un échantillonnage rapide, le bruit de la lecture du capteur et d'autres aléas inévitables du monde réel induiront une variation aussi forte que la différence "légitime" entre les photosites les plus pleins et les plus vides, et il n'y a aucun moyen de savoir lequel est lequel.

C'est ce qui se produit lorsque vous prenez une image sous-exposée et essayez d'augmenter l'amplification dans le logiciel: bruit, bruit, bruit et peut-être juste noirceur. Et toute lecture instantanée (sans puits d'accumulateur) n'aurait pas suffisamment de données pour être utile.

C'est aussi simple que ça, vraiment. Il s'avère que les capteurs modernes sont meilleurs dans ce domaine que les films chimiques: c'est pourquoi nous pouvons avoir des valeurs ISO apparemment folles de 25k et plus. Ceux-ci sont capables de mesurer suffisamment finement pour qu'une grande amplification puisse être appliquée sans que le bruit ne devienne écrasant. Fondamentalement, cependant, par rapport à l'appareil de lecture instantanée magique, nous sommes toujours dans le même stade.

La réponse la plus simple est que la lumière est à base de particules, constituée de photons. Un capteur numérique n'est pas un déclencheur à photon unique, mais un seau à mesurer. Je crois que c'est là que vous êtes confus: un capteur n'est pas binaire, ni sensible à un seul photon: un photon ne "met pas en marche" le site photo du capteur. Au lieu de cela, ce qui est mesuré, c'est à quel point le seau est plein. Il faut donner suffisamment de temps pour remplir correctement le seau, sinon aucune image ne sera enregistrée.

Des scènes plus lumineuses émettent de plus en plus de photons d'énergie, remplissant ainsi le seau plus rapidement. Un remplissage excessif du seau surexpose l'image, perd des détails ou «lave» l'image. Pour éviter ce délavage, vous raccourcissez simplement le temps de collecte des photons.