какова связь между размером сенсора и качеством изображения (шум, динамический диапазон)?

Цифровой датчик изображения — это, в конечном счете, устройство, использующее фотоэлектрические или фотопроводящие свойства фотодиодов для преобразования фотонов в электроны (заряд), которые впоследствии могут быть считаны как значение насыщения и преобразованы в цифровой пиксель. Это процесс аналого-аналогового, а затем аналого-цифрового преобразования.

Ключевое поведение фотодиода, связанное с визуализацией, преобразование фотонов в электроны , улучшается с увеличением общей площади поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше площадь для обнаружения фотонных ударов на фотодиод и тем больше площадь физического материала, в пределах которой может быть собран электронный заряд (сигнал). Другими словами, большая площадь физического пикселя соответствует более высокому коэффициенту сигнала. «Глубина» скважины в конечном итоге не имеет значения для современных датчиков CFA байеровского типа, поскольку более глубокое проникновение на самом деле имеет только эффект фильтрации ... чем глубже фотон проникает в фотодиод, тем больше света с синим смещением будет отфильтровано в пользу красного смещения. свет. Это связано с кривой откликатипа кремния, используемого в фотодиодах ... которые более чувствительны к длинам волн инфракрасного излучения, чем к длинам волн видимого света, и более чувствительны к длинам волн видимого света, чем к длинам волн ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

Наконец, будучи электронными устройствами, датчики изображения производят различные формы электронного шума. В частности, они чувствительны к небольшому количеству электронов в любом данном фотодиоде, генерируемом низким уровнем темнового тока.который всегда проходит через датчик. Будучи устройствами, чувствительными к электромагнитным частотам, на собственное поле самого датчика могут воздействовать сильные расположенные рядом устройства, которые излучают собственные электромагнитные частоты (если они не экранированы должным образом), что может привести к появлению полос. Небольшие различия в точном электрическом отклике каждого пикселя могут привести к небольшим изменениям в том, как считывается заряд, накопленный в фотодиоде, и могут быть термически индуцированные формы шума. Эти формы шума создают уровень сигнала, при котором становится трудно или невозможно определить, является ли уровень цифрового пикселя продуктом фактического захвата фотона или электронным и тепловым шумом. Пока сигнал изображения больше, чем минимальный уровень шума, или, другими словами, отношение сигнал/шум (SNR).высока, может быть создано полезное изображение.

При прочих равных... и под этим я подразумеваю то же количество пикселей, те же конечные характеристики сенсора, то же количество темнового тока, то же количество шума считывания... датчик меньшего размера будет более шумным, чем датчик больший датчик, потому что больший датчик с точно таким же количеством пикселей может иметь большую площадь поверхности для каждого из этих пикселей, что позволяет захватывать больше электронов для любого данного удара фотона. Пиксель большего размера имеет более высокую максимальную точку насыщения, что позволяет увеличить общий заряд электронов до того, как пиксель станет «полным» или полностью белым. Это само по себе увеличивает отношение сигнал/шум, уменьшая влияние электронных шумов на конечный сигнал изображения, создавая изображения с меньшим шумом при тех же настройках, что и у сенсора меньшего размера.

Динамический диапазон — это весь полезныйтональный диапазон, доступный от сенсора. В конечном итоге на него влияет количество электронного шума, присутствующего в датчике, и максимальная точка насыщения пикселей или соотношение между средним значением электронного шума и максимальной точкой насыщения каждого пикселя в датчике. Опять же, при прочих равных условиях динамический диапазон будет лучше на датчике большего размера, поскольку отношение сигнал-шум даже при низких уровнях сигнала будет немного лучше, чем у датчика меньшего размера, а при более высоких уровнях сигнала оно может быть значительно лучше. Как это часто бывает с датчиками изображения в наши дни, увеличение размера пикселя или, если на то пошло, увеличение максимальной чувствительности пикселя (ISO) также приводит к увеличению максимального количества шума считывания при низком значении ISO. В конечном итоге это связано с плохим контролем над электронным шумом. что приводит к более высокому шуму считывания при минимальном значении ISO для больших сенсоров, чем для сенсоров меньшего размера. Хотя увеличение шума считывания часто все еще незначительно по сравнению с увеличением максимальной точки насыщения и, следовательно, не сильно влияет на максимальное отношение сигнал-шум, оно может смягчить или устранить любые усиления на минимальном уровне отношения сигнал-шум датчика, уменьшая или устраняя любое улучшение динамического диапазона. также.