Por que as câmeras digitais precisam de um tempo de exposição?

Pelo que entendi das câmeras digitais, elas são basicamente uma lente e uma minúscula matriz bidimensional de milhões de diodos fotográficos. E pelo que entendi dos foto-diodos, eles criam uma tensão quando estão na luz, com luz de maior intensidade causando imediatamente tensões mais altas.

No entanto, se tudo isso fosse verdade, não haveria necessidade de exposição nas câmeras digitais: as tensões individuais poderiam ser lidas e (assumindo que nosso leitor de tensão seja sensível o suficiente e que o ruído elétrico seja desprezível) teríamos uma imagem tão precisa quanto possível quase instantaneamente.

Mas, não é isso que acontece. Então, onde está meu entendimento incorreto? E estão lá qualquer câmeras digitais que funcionam desta maneira?

^{Desculpe se isso é mais adequado para a eletrônica.SE - mas achei que essa pergunta seria mais interessante para esse público.}

Estou visitando da eletrônica, então adicionarei um pouco da formação em física eletrônica / semicondutora a algumas das respostas que você já obteve.

O principal mal-entendido que acho que você tem é que um fotodiodo não cria uma tensão em resposta à luz, ele cria uma corrente. Cada fóton que atinge o fotodiodo gera um elétron móvel dentro do dispositivo (realmente um "par elétron-buraco", mas se você deseja esse nível de detalhe, é melhor levar a questão para o EE.SE). Milhões de elétrons juntos constituem uma corrente elétrica mensurável. Finalmente, quando essa corrente é usada para carregar um capacitor, você tem uma tensão mensurável que pode ser detectada ou registrada para formar um pixel na sua imagem.

É por isso que, como diz Cmason, o sensor precisa de algum tempo para preencher cada "balde" e, como diz mattdm, leva um tempo para um acumulador preencher até o ponto em que pode ser medido para formar uma imagem.

As câmeras digitais tentam fazer exatamente isso, é apenas por causa do ruído que elas não fazem. Tal como a câmera pode ser descrita como tendo um ISO arbitrariamente alto e, consequentemente, a exposição correta seria obtida com uma velocidade do obturador arbitrariamente curta.

Retornar um formato grande de baixa resolução a partir de diodos fotográficos grandes pode ser um projeto divertido.

Também acho que, no futuro, os sistemas de 'multi-exposição' serão integrados aos sensores - registre os valores dos sensores no meio da exposição, mas mantenha o obturador aberto, para obter mais detalhes nos pretos.

A seguir, é apresentado um cálculo aproximado da energia capturada por um pixel de uma DSLR moderna durante uma exposição na iluminação da sala:

O site Photon Behavior, de Warren Mars, fornece uma tabela do número de fótons incidentes nos pixels de vários tamanhos sob várias condições de iluminação para uma exposição de 1/60 de segundo.

O menor pixel listado no acelga é um pixel de 70µm², três vezes maior que o do D7000; o gerador de imagens da D7000 tem um tamanho de pixel de 4,78 µm

Sob 'luz da sala', isso fornece um valor de cerca de 110000 fótons por pixel em uma D7000.

Um fóton vermelho possui cerca de 1,6 * 10E-19 J de energia. Pode-se ver que a energia por pixel é da ordem de 10E-14 J. Uma quantidade muito pequena de energia para medir.

Para mais informações (e fonte de imagem): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Deve-se notar também que fundamentalmente uma câmera de exposição com zero segundo é impossível, pois não permitiria tempo para os fótons atingirem a superfície. Suponha que criemos uma câmera de contagem de fótons, que seja capaz de fornecer uma contagem de ruído zero 100% precisa dos fótons que atingem cada pixel. Para obter uma imagem de 10 bits, os pixels mais brilhantes requerem 1024 fótons. Na iluminação da sala (usando a afinação de pixels do D7000), 2 milhões de fótons atingem cada pixel a cada segundo. Dividindo os 2 milhões de fótons pelo número de níveis de brilho (1024), obtemos uma taxa de quadros máxima teórica de 1950 quadros por segundo. 1/1950 seria o tempo mínimo de exposição possível para uma imagem de 10 bits sob a iluminação da sala.

A luz mais brilhante causa imediatamente uma voltagem mais alta, mas não muito maior. Essa é a parte crucial. Se você deseja ter uma imagem que o olho espera, precisa amplificar o sinal (aumentando as diferenças entre alta e baixa, corretas e incorretas devido ao ruído) ou precisa ler por mais tempo, aumentando a amostra real. O último é o que os sensores usados ​​nas câmeras digitais fazem.

Cada photosite não é apenas um fotodiodo sensível à luz, mas também contém um acumulador chamado "poço". À medida que o fotodiodo continua produzindo tensão (à medida que é exposto à luz), o acumulador se enche. Se a luz que atinge um determinado local é brilhante, ela se enche rapidamente. Se a luz estiver fraca, enche lentamente. Quando a exposição termina, o nível do poço é amostrado e convertido em um valor digital.

É claro que, sob luz forte, há muitos dados; portanto, uma curta exposição mostra uma imagem precisa (se você perdoar a vez da frase). Com pouca luz, porém, não há muita energia para medir. Se você fizer uma amostragem rápida, o ruído da leitura do sensor e outra aleatoriedade inevitável do mundo real irão produzir variações tão fortes quanto a diferença "legítima" entre os photosites mais cheios e mais vazios, e não há como saber qual é qual.

É o que acontece quando você captura uma imagem subexposta e tenta aumentar a amplificação do software: ruído, ruído, ruído e talvez apenas escuridão. E qualquer leitura instantânea (sem um poço acumulador) não teria dados suficientes para ser útil.

Simples assim, realmente. Acontece que os sensores modernos são melhores nisso do que os filmes de processos químicos: é por isso que podemos ter valores ISO aparentemente insanos de 25k ou mais. Eles são capazes de medir com precisão o suficiente para que uma grande quantidade de amplificação possa ser aplicada sem que o ruído seja esmagador. Fundamentalmente, porém, comparado ao dispositivo mágico de leitura instantânea, ainda estamos no mesmo estádio.

A resposta mais simples é que a luz é baseada em partículas, consistindo em fótons. Um sensor digital não é um gatilho de fóton único, mas um balde a ser medido. Acredito que é aqui que você está confuso: um sensor não é binário nem sensível a um único fóton: um fóton não 'liga' o site de fotos do sensor. Em vez disso, o que é medido é o quão cheio o balde está. É necessário tempo suficiente para encher corretamente o balde, ou nenhuma imagem será gravada.

Cenas mais brilhantes emitem mais e mais fótons de energia, enchendo o balde mais rapidamente. Encher demais o balde superexpõe a imagem, perdendo detalhes ou 'lavando' a imagem. Para evitar essa lavagem, você simplesmente reduz o tempo que coleta os fótons.