Чутливість, динамічний діапазон і тепловий шум

Чутливість ЕОП є інтегральною характеристикою і залежить від чутливості кожного піксела. Чутливість піксела в абстрактному розумінні аналогічна ККД (коефіцієнту корисної дії), тобто є якимсь дробовим співвідношенням. Знаменником цього співвідношення буде загальне колічество фотонів, що попали на світлочутливу область піксела, а чисельником — об'єм електронів, що згенерували фотоелементом матриці і що попали до потенційної ями. Таким чином, чим вище цей уявний ККД, тим вище чутливість матриці. Проте для здобуття якісного кадру повинна виконуватися ще одно умова.

Щоб сенсор міг працювати і у сутінках, і на яскравому сонці, від кожного піксела потрібна досить «ємка» потенційна яма. Ця яма, з одного боку, повинна «утримати» мінімальне колічество електронів при слабкій освітленості, а з іншою -вместіть великий заряд, що отримується при попаданні на сенсор потужного світлового потоку. Слід пам'ятати також, що кадр може містити як яскраво освітлені ділянки, так і глибокі тіні, і бажано, щоб всі їх відтінки відображувалися на сформованому сенсором зображенні.

Здатність нагромаджувати електрони іменується граничним рівнем заряду (quantum efficiency)саме від цієї характеристики залежить динамічний діапазон сенсора.

ПРИМІТКА
Динамічний діапазон — здатність ЕОП відрізняти найтемніші відтінки від найсвітліших. Залежить від граничного рівня заряду, що нагромаджується елементом ЕОП. Чим ширше динамічний діапазон, тим більше колічество відтінків присутній на знімку.

В деяких випадках того мінімального заряду, який утримала яма, все-таки недостатньо для подальшої обробки. І тут в хід йде збільшення чутливості.

На відміну від світлочутливості фотоплівки, яка не може змінюватися від кадру до кадру, чутливість цифрової камери може набудовуватися індивідуально для кожного кадру. Робиться це шляхом простого посилення сигналу на виході з матриці, така процедура чимось схожа на поворот регулювальника гучності радіоприймача.

Увеличение чувствительности позволяет получить нормальную экспозицию кадра в тех случаях, когда один либо другой экспо-параметр (а порой и оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее распространенный пример — необходимость иметь большую глубины резкости (малую диафрагму) при съемке движущихся объектов («короткая» выдержка). Тем не менее применение высокой чувствительности имеет оборотные стороны.

У звичайній фотографії світлочутливі плівки володіють підвищеною зернистістю. У цифровій фотографії присутній інший неприємний ефект — розкидані по всьому кадру піксели різного кольору. Виною тому тепловий шум.

Під цією назвою мають на увазі паразитні заряди, які при закритому затворі хаотичним чином скупчуються в елементах матриці під впливом ефекту термогенерациі електронів. При прочитуванні сигналу вони додаються до заряду піксела, спотворюючи його дійсне значення. Саме вони є причиною точок сторонніх кольорів, розкиданих по кадру.

При збільшенні чутливості, тобто посиленні сигналу, що йде з матриці, їх колічество значно зростає. Слідуючи аналогії з радіоприймачем — чим вище гучність, тим сильніше шум від перешкод.

Крім того, тепловий шум зростає при великих витримках -чем більше час експонування, тим більше «теплових» електронів встигає «набитися» до потенційної ями.

Таким чином, користувач може зіпсувати кадр двома способами — або збільшити чутливість, або вибрати «довгу» витримку. Справедливості ради варто сказати, що великий час експонування все-таки менше спотворює кадр, чим маніпуляції з чутливістю.

У будь-якому випадку з тепловим шумом треба боротися. І щоб мінімізувати цей шкідливий вплив, застосовується ряд заходів.

Інколи проблему вирішують «в лоб». Щоб зменшити вплив термоелектричних ефектів, використовують різні схеми тепловідводу. Зокрема, інколи як теплообмінник використовується металевий корпус камери, в студійній фототехніці працюють складніші схеми. Проте цей підхід не застосовний до любительських камер, обмежених по вазі і габаритам.

Для визначення усередненого значення теплового шуму використовуються «черниє»- піксели —- стовпці і рядки на краях матриці, покриті чорним світлофільтром. Усереднене значення заряду, знятого з «чорних» пікселів, називається рівнем чорного кольору. Зрозуміло, що за різних умов експлуатації (температура довкілля і самої камери, струм акумуляторів і т. д.) рівень чорного кольору буде різним. Якщо брати його значення за «нульову відмітку», то можна визначити дійсний заряд «робочих» пікселів.

Однако проблема в том, что в каждом пикселе по-разному протекают процессы термогенерации, поэтому «черные» пикселы панацеей не стали.

Для вирішення проблеми фотографи стали застосовувати «народний засіб» — зйомку кадру при закритому кришкою об'єктиві. В цьому випадку користувач отримує на чорному фоні «маску», яку можна використовувати для «віднімання» теплового шуму із зображення. Даний спосіб зарекомендував себе настільки добре, що використовується як штатна система шумозаглушення в деяких нових моделях любительських камер. При включенні режиму придушення шумів методом «темного кадру» (dark frame) камера спочатку фотографує кадр, а потім при закритому затворі знімає «маску» з матриці при тих же значеннях чутливості і витримки. Звичайно ж, даний метод неприйнятний для безперервної зйомки, проте незамінний для фотографування при слабкій освітленості.