Какая часть шума цифрового датчика является тепловым?

Это зависит: от конструкции датчика, выбранной настройки ISO, длительности экспозиции, интенсивности света, попадающего в камеру, и т. д. Тепловой шум может быть любым: от почти полного отсутствия шума на цифровой фотографии до почти полного шума. на цифровой фотографии.

Если фотография сделана относительно быстро с умеренной интенсивностью света и высокими настройками ISO, большая часть шума будет шумом распределения Пуассона (дробовым шумом), который вызван случайным характером распределения фотонов при их попадании на матрицу. Дробовой шум никак не связан с тепловыми соображениями.

С другой стороны, если фотография сделана с длительной выдержкой и низкой интенсивностью света при низких значениях ISO, большая часть шума на полученном изображении будет считываться шумом. То есть это будут шумы, вызванные электроникой камеры. На весь такой шум влияет тепло. Чем теплее датчик, аналоговые усилители и блоки цифровой обработки, тем больший темновой ток они будут генерировать, что будет записано как шум.

Если фотография сделана с закрытой крышкой объектива и закрытым видоискателем, то все шумы на фотографии будут считаться шумами, на которые влияют тепловые условия. Это лишь одна из многих причин, по которым тестирование камеры с закрытой крышкой объектива практически бесполезно для сколько-нибудь значимого прогнозирования фактического шума в реальных сценариях. Чтобы измерить отношение сигнал/шум , необходимо включить как сигнал (свет), так и шум (термоиндуцированный темновой ток).

Поскольку камера охлаждается, улучшение будет более заметным на изображениях с низким значением ISO, чем на изображениях с высоким значением ISO. Это связано с тем, что изображения с низким значением ISO, как правило, имеют больше шума темнового тока (считывания), в то время как изображения с высоким значением ISO, как правило, имеют больше шума распределения Пуассона (выстрела). Улучшение также было бы более заметным для изображений, сделанных с использованием очень слабых источников света с более длительным временем экспозиции, таких как астрофотография, чем с изображениями, сделанными с использованием очень сильных источников света для более короткого времени экспозиции.

Поскольку на дробовой шум влияет не температура, а сама природа света и то, как фотоны колеблются волнами при движении, вы никогда не сможете получить изображение с нулевым шумом. Теоретически, вероятно, можно было бы охладить датчик изображения и связанную с ним электронику до такой степени, что шум темнового тока был бы необнаружим.

Доминирующими источниками нетеплового шума являются фотонный шум и шум, вызванный космическими лучами, но это влияет только на изображения, сделанные профессиональными астрономами, например, космическим телескопом Хаббла. Все другие источники шума, которые также включают дробовой шум из-за дискретного количества электронов темнового тока, в конечном счете имеют тепловую природу. В обычной астрофотографии дробовой шум фотонов всегда скрыт в тепловом шуме. Например, количество фотонов от звезды десятой величины, попадающих в объектив с апертурой 50 мм, составляет около 2500 в секунду. Таким образом, даже 1-секундная экспозиция будет иметь только флуктуацию числа фотонов порядка sqrt (2500) = 50, поэтому относительная флуктуация составляет всего 2%.

Нам нужно рассмотреть звезду 15-й величины (в десять тысяч раз тусклее самых слабых звезд, видимых невооруженным глазом), чтобы получить 20-процентную флуктуацию из-за шума при экспозиции в 1 секунду. Но, конечно, на таком снимке звезды нигде не видно, все, что вы видите, это шум считывания и дробовой шум, причем последний тогда вызван не флуктуациями числа фотонов, а тепловыми флуктуациями темнового тока. Улучшая экспозицию, вы можете уменьшить эти эффекты теплового шума, чтобы сделать звезду видимой, но тогда шум фотонов также будет уменьшен.

Предположим, что камера делает снимки, в которых преобладает шум фотонного выстрела, как мы узнаем, что это действительно так? Решающим тестом будет сделать несколько снимков в темном кадре. Эти снимки с темным кадром должны содержать только горячие и застрявшие пиксели и, кроме того, почти не иметь шума. Таким образом, вычитание двух экспозиций темного кадра должно дать почти полностью темные изображения.

Однако камера, охлажденная до абсолютного нуля, по-прежнему будет подвержена влиянию шума считывания и шума темнового тока, помимо фотонного дробового шума. Тогда это вызвано квантовыми флуктуациями, а не тепловыми флуктуациями. Любая электронная схема подвержена квантовым флуктуациям при абсолютном нуле. Простейшим примером для демонстрации этого является LC-цепь , в такой цепи ток и напряжение колеблются с угловой частотой 1/sqrt(LC). Когда мы затем опишем эту систему в соответствии с квантово-механическим описанием, мы обнаружим, что, как и любая колебательная система, эта система имеет энергетические уровни, определяемые (n+1/2) hbar омега. В основном состоянии система все еще имеет энергию из-за колебаний напряжения и тока в 1/2 hbar омега.

Тут и темновой ток, как написала inkista в комментарии, и шум квантования на дигитайзере, и шум усиления в аналоговых усилителях, и шум считывания (извлекается чуть менее 100% собранного заряда).

Когда люди пишут «шум, ограниченный сценой» или «ограниченный фотонами», они имеют в виду, что дробовой шум фотонов намного больше, чем комбинация всех источников шума электроники. Вы никогда не сможете добиться большего, чем быть ограниченным фотонами. К счастью, если вы немного почитаете об энергии на фотон, то увидите, что отношение сигнал-шум sqrt(number of photons)— это очень большое число, если только вы не визуализируете далекие галактики или что-то в этом роде :-)

Нет. Шум заключается в количестве фотонов, и это квадратный корень из числа фотонов. Итак, если вы получаете 9 фотонов, уровень шума равен 3 (33%); если вы получаете 10000 фотонов, уровень шума равен 100 (1%).

Фотоны распределяются в пространстве не идеально, а случайным образом, и даже при идеальных 0 К разные сегменты приемника будут улавливать разное количество фотонов при каждой попытке.