Подсчет фотонов на кончике иглы

Вот делал вчера для себя подсчет, зафиксирую тут, чтобы не пропало.

Задача: а вот ISO100 (к примеру) - это "сколько фотонов попало на пиксель" (чтобы его, к примеру, насытить).

Вот как я рассуждаю (задавая правильные вопросы в гугле при этом, найденные константы сомнению не подвергаю)

1. Википедия Film Speed, раздел про цифровые камеры, Saturation Based Speed:

ISO = 78/(экспозиция в люкс-секундах)

Значит для насыщения при ISO100 нам надо осветить сенсор на 0.78 люкс-секунд.

2. Люкс (для "зеленого освещения") это 1/683 ватта на квадратный метр. У нас люкс-секунды, то есть энергия, для "насыщения сенсора @ISO100" нам надо 0.78 (люкс-секунд) / 683 (из люксов в ватты) * 1 сек = 1.142 миллиджоуля на квадратный метр.

3. Энергия одного фотона @555нм 3.58E-19 джоуля.

4. Делим миллиджоули на энергию фотона, получаем что зеленых фотонов нам надо 3.19E+15 на квадратный метр или 3.19E+03 на квадратный микрон. 3200 фотонов на квадратный микрон.

Это, повторяю, даст нам насыщение сенсора в режиме ISO100, если это насыщение мерять по ISO 12232:2006 (ну мы помним, что это в JPEG измерение, то есть камерный JPEG даст нам 255, реально запас в светах запросто может быть на стоп выше).

Проверяем:

Sony A7S: pixel pitch 8.4 микрона, т.е. площадь 70 квадратных микрон. На них прилетит 225 тысяч фотонов. Квантовая эффективность пусть 0.5, "глубину колодца" (емкость пикселя) для этой камеры намеряли в районе 100к электронов. Очень похоже, на порядок нигде не проврались.

Нафига все это нужно?

А вот давайте запомним простую вот цифру "3200 зеленых (555нм) фотонов на квадратный микрон дают насыщение сенсора на ISO100" и попробуем применить ее на практике:

  • Возьмем ISO10000, это в 100 раз меньший световой поток нужен. 32 фотона на квадратный микрон "на уровне насыщения".
  • Отсчитаем от уровня насыщения 3 стопа вниз, в средний тон (на некоторых камерах и 4 считают, но будем добрыми). 4 фотона на квадратный микрон.
  • Возьмем уж тогда и камеру помельче, вот Sony RX100-IV: сенсор 13x9 мм, разрешение 5472x3648, что дает нам шаг пикселей 2.4 микрона и максимальную (если пиксели без технологических зазоров) площадь 6 квадратных микрон (я округлил вверх) на пиксель.
  • Перемножаем: на ISO10000 в среднем тоне прилетит 24 фотона на пиксель. С фотонным шумом (среднеквадратичным отклонением) в 5 фотонов и, соответственно, отношением сигнал-шум 5:1
  • И, заметим, про светофильтры цветные (которые часть поглотят "без пользы"), про не-100% использование площади пикселей, про неидеальную конверсию из фотонов в электроны, про прочие источники шума мы еще и не начинали говорить.
  • Увеличим пиксель в 11 раз по площади (Sony A7S-II) и выкрутим ISO еще в 40 раз, станет еще в 3 раза хуже (напоминаю, мы от точки насыщения, которая была в начале, уже перешли к среднему тону, расположив его на три стопа ниже насыщения).
  • Вы все еще верите в ISO409600?

Comments

Гомеопатические ISO?

Гомеопатические - это 10^-10 фотона на пиксель и далее.

> Вы все еще верите в ISO409600?

если потом понятно что было в кадре (пусть на уровне контуров) то отчего же не поверить....

N/A

А остальное - додумаем!

Я бы трактовал результаты этого расчет просто как инструкцию по созданию матриц, точнее - определение линейных размеров пикселя (=разрешения). Не гнаться за слишком мелкими пикселями, скажем 5x5 микрон в самый раз. Увеличивать размер сенсора если уж совсем приперло. Резкость обьективов в любом случае далека от дифракционного предела...

Я вот это не вполне понял:
>> Резкость обьективов в любом случае далека от дифракционного предела..

Ну, я несколько коряво выразился. Суть в том, что разрешение которое позволяют получить современные обьективы едва ли превысит 100, может 200 линий на миллиметр. Соответственно, делать матрицу с сильно большим разрешением тоже нет особого смысла.

Не, ну как. 200 линий (не пар) на миллиметр - это вот примерно 40Mpix-сенсор с его 4.5-микронным пикселем. И на таком сенсоре разница между f/5.6 и f/11 видна отчетливо (не в пользу f/11).

> Соответственно, делать матрицу с сильно большим разрешением тоже нет особого смысла.

одно удовольствие убрать цветной муар чего стоит ! а если еще и вообще так и совсем хорошо

N/A

А как же iso 4 560 000 у canon ME20F-SH (35мм матрица)? Или недавно анонсированные для surveilance камер сенсоры sony starvis? “It features a sensitivity of 2000 mV or more per 1 µm2, and realizes high picture quality in the visible-light and near infrared light regions,” Sony says.
Там духов показывают?

А там вроде 2Mpix всего, FullHD?
Ну вот пиксель в 6 раз больше чем у Sony A7S.

Add new comment