Die physikalische Bestimmung der Quanteneffizienz (QE) und der Full-Well-Kapazität (Full Well Capacity / FWC) des Kamerasensors anhand des Signal-Rausch-Verhältnisses

1. Definition der beiden ultimativen Parameter der fotoelektrischen Halbleiterumwandlung

Jedes Pixel einer Digitalkamera ist im Wesentlichen ein Miniatur-Fotokondensator (Fotodiode):

• Quanteneffizienz (QE) – Lichteinfangrate:
• Definition: Der physikalische Prozentsatz der Gesamtzahl der auf die lichtempfindliche Oberfläche des Pixels eingestrahlten Photonen, der vom Siliziumwafer absorbiert werden und erfolgreich freie Photoelektronen (Photoelektronen) anregen kann;
• Die QE herkömmlicher CCD/CMOS-Sensoren mit Frontbeleuchtung (FSI) beträgt nur etwa 35 % bis 45 % (mehr als die Hälfte der Photonen wird durch Oberflächenmetallverdrahtung und absorbierte Verluste reflektiert oder blockiert);
• Moderne fortschrittliche rückwärtig beleuchtete (BSI) und gestapelte Sensoren verwenden eine umgekehrte Architektur und eine Antireflex-Mikrolinsenbeschichtung, und ihre Spitzen-QE übersteigt sogar 75 % bis 85 % und nähert sich damit fast der theoretischen physikalischen Grenze der Einzelphotonendetektion!
• Full Well Capacity (FWC) – elektronisches Reservoirvolumen:
• Definition: Die maximale Anzahl freier Elektronen, die eine einzelne Pixel-Fotodiode sammeln kann, bevor es zu einem Spannungsüberlauf (Clipping/Überbelichtung) kommt (Einheit: (e^-));
• Kleine Pixel (z. B. 0,8(\mu\text{m}) Pixel auf Mobiltelefonen): FWC hat oft nur erbärmliche 5.000 bis 8.000 Elektronen;
• Fortschrittliche Vollformatgehäuse (z. B. Sony A7S3 12 Millionen große Pixel, Pixelabstand 8,4(\mu\text{m})): FWC bis zu erstaunliche 90.000 bis 120.000 Elektronen!

2. Ableitung strenger physikalischer Formeln für Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamikbereich

Licht selbst ist keine kontinuierliche Flüssigkeit, sondern ein diskreter Photonenregen. Gemäß der Poisson-Verteilung der Quantenoptik enthält reines Licht von Natur aus Photonenschussrauschen:

• Maximale Signal-Rausch-Verhältnis-Formel (Max SNR):
  Im hellen Bereich mit starkem Licht ist das Ausleserauschen vernachlässigbar und das endgültige Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes wird vollständig durch die Gesamtzahl der gesammelten Elektronen (N) bestimmt:
  [ \text{SNR}_{\max} = \frac{N}{\sqrt{N}} = \sqrt{N} ]
• Wenn FWC 10.000 (e^-) beträgt, beträgt das maximale Signal-Rausch-Verhältnis (\sqrt{10000} = 100) (ca. 40 dB);
• Wenn der FWC 100.000 (e^-) beträgt, springt das maximale Signal-Rausch-Verhältnis auf (\sqrt{100000} \ca. 316) (ca. 50 dB)! Das Signal-Rausch-Verhältnis wurde um mehr als das Dreifache verbessert und die Farbreinheit und Graustufenfeinheit haben einen qualitativen Sprung gemacht!
• Theoretische Grenzdynamikbereichsformel des Sensors (Dynamic Range, DR):
  [ \text{DR} = 20 \log_{10} \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Leserauschen}} \right) \quad \text{Oder ausgedrückt in Gängen:} \quad \text{DR (EV)} = \log_2 \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Leserauschen}} \right) ]
  Je größer die Full-Well-Kapazität, desto höher ist die Obergrenze der Highlight-Informationen, die der Sensor verarbeiten kann. Bei der Belichtung nach rechts kommt es nie zu einer Überbelichtung und die Obergrenze des Dynamikbereichs wird direkt durch die physikalische Sperre gesperrt!

3. Technische Dialektik von großen Pixeln (A7S-Serie) vs. hohen Pixeln (A7R/Z8-Serie)

Viele Fotografen sind verwirrt: Sollten sie 61 Millionen hohe Pixel oder 12 Millionen große Pixel kaufen?

• Einzelpixel-Perspektive (Pixel-Level):
  Die großen Pixel verfügen über einen beispiellosen Single-Point-FWC und höchste Reinheit bei hoher Empfindlichkeit, und das Rauschen ist bei 100-prozentiger Vergrößerung von Screenshots extrem gering;
• Perspektive mit ganzem Frame und gleichem Frame (Druckebene/Bildebene):
• Obwohl das 61-Megapixel-Gehäuse über eine kleine Einzelpixel-Well-Kapazität verfügt (ungefähr 25.000 (e^-), ist das Signal-Rausch-Verhältnis eines einzelnen Pixels niedrig);
• Aber im selben Foto gibt es ganze fünfmal so viele Pixel, die dieselbe Szene gleichzeitig abtasten!
• Wenn Sie ein 61-Millionen-Foto auf eine Größe von 12 Millionen herunterrechnen, hebt sich das diskrete Photonenschussrauschen von fünf benachbarten Pixeln bei der mathematischen Mittelung gegenseitig auf ((\sqrt{5}) Rauschunterdrückungsfaktor). Der gesamte Dynamikbereich und das gesamte Lichtsignal-Rausch-Verhältnis des gesamten Bildes entsprechen nahezu denen von Körpern mit großen Pixeln, wobei die ultimative räumliche Auflösung um ein Vielfaches erhalten bleibt!
• Schlussfolgerung:
• Statische extreme Szenerie, kommerzieller kommerzieller Druck: Wählen Sie unbedingt den High-Pixel-Körper und genießen Sie den Signal-Rausch-Verhältnis-Bonus und die erschreckende Analyse nach Miniaturansichten;
• Reine Videoaufzeichnung bei schlechten Lichtverhältnissen, Zeitlupe mit extrem hoher Bildrate (keine Miniaturansichten erforderlich): Wählen Sie den großen Pixelkörper, um eine extrem niedrige Ausleselatenz und einen nativ großen FWC zu genießen.

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