La determinación física de la eficiencia cuántica (QE) del sensor de la cámara y la capacidad total del pozo (Full Well Capacity / FWC) en la relación señal-ruido

1. Definición de los dos parámetros finales de la conversión fotoeléctrica de semiconductores.

Cada píxel de una cámara digital es esencialmente un fotocondensador en miniatura (fotodiodo):

• Eficiencia cuántica (QE) - tasa de captura de luz:
• Definición: El porcentaje físico del número total de fotones irradiados sobre la superficie fotosensible del píxel que pueden ser absorbidos por la oblea de silicio y excitar con éxito fotoelectrones libres (Fotoelectrones);
• La QE de los sensores CCD/CMOS tradicionales con iluminación frontal (FSI) es sólo de aproximadamente 35% a 45% (más de la mitad de los fotones son reflejados o bloqueados por cables metálicos de superficie y pérdidas absorbidas);
• Los modernos sensores avanzados retroiluminados (BSI) y apilados adoptan una arquitectura invertida y un revestimiento de microlente antirreflectante, y su QE máximo incluso supera el 75% al ​​85%, ¡casi acercándose al límite físico teórico de la detección de un solo fotón!
• Capacidad total del pozo (FWC) - volumen del yacimiento electrónico:
• Definición: El número máximo de electrones libres que un fotodiodo de un solo píxel puede recolectar antes de que se produzca un desbordamiento de saturación de voltaje (recorte/sobreexposición) (unidad: (e^-));
• Píxeles de tamaño pequeño (como 0,8(\mu\text{m}) píxeles en los teléfonos móviles): FWC a menudo sólo tiene unos lamentables 5.000 a 8.000 electrones;
• Cuerpos avanzados de fotograma completo (como Sony A7S3, 12 millones de píxeles grandes, tamaño de píxel 8,4(\mu\text{m})): ¡FWC hasta una asombrosa 90.000 a 120.000 electrones!

2. Derivación de fórmulas físicas estrictas para la relación señal-ruido y el rango dinámico

La luz en sí no es un fluido continuo, sino una lluvia discreta de fotones. Según la distribución de Poisson de la óptica cuántica, la luz pura contiene naturalmente ruido de fotones:

• Fórmula de relación máxima señal-ruido (Max SNR):
  En el área de iluminación intensa, el ruido de lectura es insignificante y la relación señal-ruido final de la imagen está completamente determinada por el número total de electrones recolectados (N):
  [ \text{SNR}_{\max} = \frac{N}{\sqrt{N}} = \sqrt{N} ]
• Si FWC es 10,000 (e^-), la relación señal-ruido máxima es (\sqrt{10000} = 100) (aproximadamente 40 dB);
• Si el FWC es 100.000 (e^-), la relación máxima señal-ruido salta a (\sqrt{100000} \approx 316) (aproximadamente 50 dB). La relación señal-ruido se ha mejorado más de 3 veces y la pureza del color y la finura de la escala de grises han logrado un salto cualitativo.
• Fórmula del límite teórico del rango dinámico del sensor (Dynamic Range, DR):
  [ \text{DR} = 20 \log_{10} \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Leer ruido}} \right) \quad \text{O expresado en engranajes:} \quad \text{DR (EV)} = \log_2 \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Leer ruido}} \right) ]
  Cuanto mayor sea la capacidad total del pozo, mayor será el límite superior de información destacada que el sensor puede acomodar. Al exponer a la derecha, nunca se producirá sobreexposición y el límite superior del rango dinámico está directamente bloqueado por el bloqueo físico.

3. Dialéctica de ingeniería de píxeles grandes (Serie A7S) frente a píxeles altos (Serie A7R/Z8)

Muchos fotógrafos están confundidos: ¿deberían comprar 61 millones de píxeles de alto o 12 millones de píxeles de gran tamaño?

• Perspectiva de un solo píxel (nivel de píxel):
  Los píxeles grandes tienen un FWC de un solo punto incomparable y una máxima pureza de alta sensibilidad, y el ruido es extremadamente leve con una ampliación del 100% de las capturas de pantalla;
• Perspectiva de fotograma completo de fotograma igual (Nivel de impresión/Nivel de imagen):
• Aunque el cuerpo de 61 megapíxeles tiene una pequeña capacidad para un solo píxel (alrededor de 25.000 (e^-), la relación señal-ruido de un solo píxel es baja);
• ¡Pero en la misma foto, tiene 5 veces más píxeles comuestreo de la misma escena!
• Cuando reduce la resolución de una fotografía de 61 millones a un tamaño de 12 millones, el ruido de disparo de fotones discretos de cinco píxeles adyacentes se cancelará entre sí en un promedio matemático ((\sqrt{5}) factor de reducción de ruido). El rango dinámico general y la relación señal-ruido de luz total de toda la imagen son casi iguales a los de los cuerpos de píxeles grandes, ¡al tiempo que conservan varias veces la resolución espacial máxima!
• Conclusión:
• Escenario estático extremo, impresión comercial: elija firmemente el cuerpo de píxeles altos y disfrute de la bonificación de relación señal-ruido y del aterrador análisis después de las miniaturas;
• Grabación de video pura con poca luz, cámara lenta con velocidad de fotogramas extremadamente alta (no se requieren miniaturas): elija el cuerpo de píxeles grande para disfrutar de una latencia de lectura ultrabaja y un FWC nativo grande.

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