¿Por qué las cámaras digitales necesitan un tiempo de exposición?

Por lo que entiendo de las cámaras digitales, son básicamente una lente más una pequeña matriz bidimensional de millones de fotodiodos. Y por lo que entiendo de los fotodiodos, crean un voltaje cuando están a la luz, con una luz de mayor intensidad que causa inmediatamente voltajes más altos.

Sin embargo, si todo esto fuera cierto, no habría necesidad de una exposición en las cámaras digitales: se podrían leer los voltajes individuales y (suponiendo que nuestro lector de voltaje sea lo suficientemente sensible y el ruido eléctrico sea insignificante) obtendríamos una imagen tan precisa como sea posible casi al instante.

Pero, esto no es lo que pasa. Entonces, ¿dónde está mi comprensión incorrecta? Y son Hay alguna cámaras digitales que funcionan de esta manera?

^{Lo siento si esta es una mejor opción para la electrónica . SE , pero sentí que esta pregunta sería más interesante para esta audiencia.}

Estoy de visita de Electrónica, así que agregaré un poco de experiencia en física de electrónica / semiconductores a algunas de las respuestas que ya ha recibido.

El malentendido clave que creo que tienes es que un fotodiodo no crea un voltaje en respuesta a la luz, sino que crea una corriente. Cada fotón que golpea el fotodiodo genera un electrón móvil dentro del dispositivo (realmente un "par de electrones", pero si desea ese nivel de detalle, será mejor que lleve la pregunta a EESE). Millones de electrones juntos constituyen una corriente eléctrica medible. Finalmente, cuando esta corriente se usa para cargar un condensador, entonces tiene un voltaje medible que puede detectarse o registrarse para formar un píxel en su imagen.

Es por eso que, como dice cmason, el sensor necesita algo de tiempo para llenar cada "cubo", y como dice mattdm, el acumulador tarda un tiempo en llenarse hasta el punto en que se puede medir para formar una imagen.

Las cámaras digitales intentan hacer exactamente eso, es solo por el ruido que no lo hacen. Tal cámara podría describirse como que tiene un ISO arbitrariamente alto y, en consecuencia, se obtendría una exposición correcta con una velocidad de obturación arbitrariamente corta.

Hacer un gran formato de baja resolución con fotodiodos grandes podría ser un proyecto divertido.

También creo que en el futuro los sistemas de 'exposición múltiple' se integrarán en los sensores: registre los valores del sensor en la exposición media pero mantenga abierto el obturador para obtener más detalles en los negros.

El siguiente es un cálculo aproximado de la energía capturada por un píxel de una réflex digital moderna durante una exposición en la iluminación de la habitación:

El sitio de Comportamiento de fotones de Warren Mars proporciona una tabla del número de fotones incidentes sobre los píxeles de varios tamaños bajo diversas condiciones de iluminación para una exposición de 1/60 segundos.

El píxel más pequeño en la lista es un píxel de 70 µm², tres veces más grande que el D7000; la cámara del D7000 tiene un tamaño de píxel de 4,78 µm

Bajo 'luz de la sala de estar', esto da un valor de aproximadamente 110000 fotones por píxel en una D7000.

Un fotón rojo tiene aproximadamente 1.6 * 10E-19 J de energía. Se puede ver que la energía por píxel es del orden de 10E-14 J. Una cantidad muy pequeña de energía para medir.

Para obtener más información (y fuente de la imagen): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

También se debe tener en cuenta que, fundamentalmente, una cámara de exposición de cero segundos es imposible, ya que no permitiría que los fotones golpeen la superficie. Supongamos que creamos una cámara de recuento de fotones, que puede proporcionar un recuento de ruido cero 100% preciso de los fotones que golpean cada píxel. Para obtener una imagen de 10 bits, los píxeles más brillantes requieren 1024 fotones. En la iluminación de la habitación (utilizando el paso de píxeles de la D7000) 2 millones de fotones golpean cada píxel por segundo. Dividiendo los 2 millones de fotones por el número de niveles de brillo (1024) obtenemos una velocidad de cuadro máxima teórica de 1950 cuadros por segundo. 1/1950 sería el tiempo de exposición mínimo posible para una imagen de 10 bits bajo iluminación ambiental.

La luz más brillante causa inmediatamente un voltaje más alto, pero no mucho más alto. Esa es la parte crucial. Si desea tener una imagen que se vea como el ojo lo espera, necesita amplificar la señal (aumentando las diferencias entre alta y baja, correctas e incorrectas debido al ruido) o necesita leer por más tiempo, aumentando el muestra real Esto último es lo que hacen los sensores utilizados en las cámaras digitales.

Cada fotosita no es solo un fotodiodo sensible a la luz, sino que también contiene un acumulador llamado "pozo". A medida que el fotodiodo continúa produciendo voltaje (ya que está expuesto a la luz), el acumulador se llena. Si la luz que ilumina un sitio en particular es brillante, ese pozo se llena rápidamente. Si la luz es tenue, se llena lentamente. Cuando finaliza la exposición, se muestrea el nivel del pozo y se convierte a un valor digital.

Por supuesto, con luz brillante, hay una gran cantidad de datos, por lo que una exposición corta pinta una imagen precisa (si perdona el cambio de frase). Sin embargo, con poca luz, no hay mucha energía para medir. Si solo toma una muestra rápida, el ruido de la lectura del sensor y otra aleatoriedad inevitable del mundo real producirá una variación tan fuerte como la diferencia "legítima" entre los fotosites más completos y más vacíos, y no hay forma de saber cuál es cuál.

Esto es lo que sucede cuando tomas una imagen subexpuesta e intentas aumentar la amplificación en el software: ruido, ruido, ruido y tal vez solo oscuridad. Y cualquier lectura instantánea (sin un pozo acumulador) no tendría suficientes datos para ser útil.

Tan simple como eso, de verdad. Resulta que los sensores modernos son mejores en esto que la película de proceso químico: es por eso que podemos tener valores ISO aparentemente locos de 25k y superiores. Esos son capaces de medir lo suficientemente fino como para que se pueda aplicar una gran cantidad de amplificación sin que el ruido se vuelva abrumador. Sin embargo, en comparación con el dispositivo mágico de lectura instantánea, todavía estamos en el mismo estadio.

La respuesta más simple es que la luz está basada en partículas, que consiste en fotones. Un sensor digital no es un disparador de un solo fotón, sino un cubo para medir. Creo que aquí es donde estás confundido: un sensor no es binario, ni son sensibles a un solo fotón: un fotón no 'enciende' el sitio de la foto del sensor. En cambio, lo que se mide es qué tan lleno está el cubo. Se debe dar suficiente tiempo para llenar correctamente el balde, o no se grabará ninguna imagen.

Las escenas más brillantes emiten más fotones y más energía, llenando así el cubo más rápido. El sobrellenado del cubo sobreexpone la imagen, pierde detalles o 'lava' la imagen. Para evitar este lavado, simplemente acorta el tiempo de recolección de fotones.