SZUMY + ISO + temperatura sensora

[Tomasz Urbanowicz]

Witam

Od jakiegoś czasu staram się usystematyzować wiadomości o szumach i brakuje mie dwóch (chyba) rzeczy. W jaki sposób na zwiększenie szumów wpływają: zwiększenie czułosci sensora a także wzrost jego temperatury. Jeśli jest to możliwe, prosiłbym o jak najbardziej szczegółowe opisanie tematu :)

Z góry dziękuję za odpowiedź

[muflon]

W jaki sposób na zwiększenie szumów wpływają: zwiększenie czułosci sensora a także wzrost jego temperatury.
Jedno i drugie zwiększa szumy.

[AdrianP]

Jedno i drugie zwiększa szumy.


Zgadza się,

[Tomasz Urbanowicz]

To wiem, ale w jaki sposób to się dzieje :)

EDIT: Znaczy się dlaczego :)

[Gapollo]

Każdy element światłoczuły*) generuje tzw "ciemny prąd" spowodowany ruchami elektronów. Im wyższa temperatura, tym bardziej elektrony są ruchliwe co prowadzi do generowania większego prądu. Jeśli na matrycę pada malo światła, to ten prąd zaczyna być istotną częścią sygnału przetwarzanego później na "obraz", czyli na końcowy efekt nakłada się jeszcze losowy sygnał.
Podwyższenie czułości matrycy to zwiększenie wzmocnienia sygnału (razem z jego szumem).
*) Ogólnie to chyba każdy element elektroniczny generuje taki prąd, stąd np wzmacniacz fonii, przy wyłączonym źródle dźwięku i głośności "na maxa" będzie szumiał.

[Tomasz Urbanowicz]

A co ma za znaczenie ruchliwość elektronów? Przecież zliczamy elektrony nie ich ruchliwość i elektrony są tym (chyba) prądem.

[emisiaczek]

co jest bardziej podatne na wieksza ilosc szumu wraz z temperatura sensora, cmos czy ccd?

[Tomasz Urbanowicz]

co jest bardziej podatne na wieksza ilosc szumu wraz z temperatura sensora, cmos czy ccd?
Nie mieszajmy może, bo się temat rozejdzie. Wyjaśnijmy najpierw moją kwestię :)

[Gapollo]

Gdyby elektrony były "grzeczne" i siedziały na swoim miejscu, póki się ich nie oświetli byłoby dobrze, ale one są "ruchliwe" i czasem któryś "ucieknie", mimo, że go nie oswietliłeś ;). A jak elektron ucieknie, to jest to właśnie prąd - czyli dla dalszego przetwarzania sygnał interpretowany identycznie jak sygnał pochodzący z oswietlenia komórki swiatłoczułej.

[Tomasz Urbanowicz]

Z tym, że czarny prąd można korygować - jest on "stochastycznie stały" jak to określił Marek Lewandowski. Nadal nie wiem jak jest z tym ISO i temperaturą...

[Tomasz Golinski]

Stochastycznie stały ale w jakiej skali? I z jakimi odchyleniami od średniej?

[Tomasz Urbanowicz]

Na to pytanie sam chętnie poznałbym odpowiedź :)

[Arek_O]

Zachowaniem elektronów w studniach potencjału matrycy CCD rządzi mechanika kwantowa. Według mechaniki klasycznej jeśli do jakiegoś piksela przyłożymy napięcie, to elektron o małej energii powinien tam siedzieć i nie uciekać do innych pikseli. W mechanice kwantowej tak już jednak nie jest, elektrony tunelują do innych celek, a prawdopodobieństwo tego że uciekną jest tym większe im większą mają energię. A ta z kolei jest tym większa im większa panuje temperatura.

Na przykład w astronomii gdzie stosuje się czasy naświetlania kilku-kilkunastu minut i szumy są problemem kamery CCD chłodzi się ciekłym azotem do -100 stopni, dzięki czemu problem elektronów termicznych i szumów znika całkowicie.


Stochastycznie stały ale w jakiej skali? I z jakimi odchyleniami od średniej?

To zależy od liniowości matrycy. Jeśli matryca jest wysokiej klasy (takie są profesjonalne kamery CCD, których ceny siedzą na poziomie kilkunasty-kilkudziesięciu tysięcy USD)
to jest liniowa, robi się wtedy kilka zdjęc produ ciemnego z zadanym czasem ekpozycji, a potem skaluje się go do czasu danego zdjęcia i odejmuje. To proces bardzo wydajny i skutecznie usuwający prąd ciemny.

W tanich matrycach mamy problemy z nieliniowością (wtedy Darki czyli zdjęcia prądu ciemnego trzeba zawsze robić o takim czasie z jakim wykonaliśmy właściwe zdjęcie, które chcemy korygować), a dodatkowo ze zmiennością prądu ciemnego w czasie.

[Tomasz Urbanowicz]

Dziękuję :)
Teraz mi się z grubsza wyjaśnia sprawa przenikania elektronów mimo zapór typu "rowy" czy ograniczeń elektrod. Mimo zapewnień że mamy "cele-pixel" szczelnie zamnięty, jednak one się przedostają. Dochodzi jeszcze pewnie następny czynnik równości rozmiarów pixeli. Jak wiadomo, nie ma w przyrodzie nic idealnego, toteż trudno wymagać, aby i w technologii wyrobu matrycy było inaczej, ale zapewne firmy dążą do minimalizacji tego zjawiska, ale to już inna bajka.
Czyli że sprawę temperatury mamy jakby rozwiązaną, a co z ISO? Z czułością matrycy?

EDIT: Skoro astronomowie używają matryc CCD, to świadczyłoby że mniej szumią one od CMOS?

[piast9]

Czyli że sprawę temperatury mamy jakby rozwiązaną, a co z ISO? Z czułością matrycy?
W wykładach masz to opisane OIDP.

Zwiększenie ISO = zwiększenie wzmocnienia sygnału z matrycy. A sygnał z matrycy to sygnał + szum.

[Arek_O]

Szumy rosną wraz z ISO, bo to efekt większego wzmocnienia sygnału. Prąd związany z elektronami termicznymi jest wzmacniany wraz ze wzrostem ISO.

Z tego co się orientuje nie ma jeszcze CMOSów dostatecznie dobrych, by używać ich
w profesjonalnej astronomii. Co nie znaczy, że nie będzie. Intensywne prace nad tym trwają. I wcale nie należy tu wyciągać wniosków, że CCD jest w jakimś stopniu lepsze od CMOSa, bo astronomia i fotografia stawiają detektorom zupełnie inne wymagania.

W amatorskich fotkach nieba, na przykład, większość ludzi używa
Canonów właśnie ze względu na niskie szumy w dużych ISO.

[Tomasz Urbanowicz]

W wykładach masz to opisane OIDP.
Zwiększenie ISO = zwiększenie wzmocnienia sygnału z matrycy. A sygnał z matrycy to sygnał + szum.
No właśnie... Muszę raz jeszcze się dokładnie wczytać.



W amatorskich fotkach nieba, na przykład, większość ludzi używa
Canonów właśnie ze względu na niskie szumy w dużych ISO.
Nocne zdjęcia chyba robi się z ISO najmniejszym?

[muflon]

Nocne zdjęcia chyba robi się z ISO najmniejszym?
Zależy jakie :) Te "statyczne", ze statywu, tak, ale te bardziej ruchome już niekoniecznie.

[Tomasz Urbanowicz]

No tak :)

[Arek_O]

Gwiazdy są zwykle obiektami statycznymi :) , ale często bardzo słabymi. Więc wtedy używa się i długich czasów ekspozycji i dużych ISO, bo każdy foton jest na wagę złota.

[Tomasz Urbanowicz]

No, ale jednak ruch ziemi sprawia, że jednak widać przy długich czasach naświetleń smugi...

EDIT: Przecież ilość fotonów się nie zmieni zwiększając ISO - jedynie wzmocnimy elektrony.

[Arek_O]

Dlatego stosuje się specjalne montaże, które pozwalają "prowadzić" za ruchem dobowym. Natomiast do ekspozycji stosuje się takie kombinacje czasu i ISO aby uzyskiwać najlepsze efekty. To znaczy typowo 3-4 minuty przy ISO 400-800. Przy mniejszym ISO sygnał jest za słaby, przy większym za duże szumy. Z czasami podobnie - krótsze są za krótkie, a na dłuszczych mamy więcej szumów.