Физическое определение квантовой эффективности (QE) сенсора камеры и полной емкости лунки (Full Well емкость/FWC) по соотношению сигнал/шум.

1. Определение двух предельных параметров полупроводникового фотоэлектрического преобразования.

Каждый пиксель цифровой камеры по сути представляет собой миниатюрный фотоконденсатор (фотодиод):

• Квантовая эффективность (QE) – скорость захвата света:
• Определение: физический процент от общего числа фотонов, облученных на светочувствительной поверхности пикселя, которые могут быть поглощены кремниевой пластиной и успешно возбудить свободные фотоэлектроны (фотоэлектроны);
• QE традиционных ПЗС/КМОП-сенсоров с фронтальной засветкой (FSI) составляет всего лишь около 35–45 % (более половины фотонов отражаются или блокируются поверхностными металлическими проводами и поглощаются потерями);
• Современные усовершенствованные датчики с обратной засветкой (BSI) и многоуровневые датчики имеют инвертированную архитектуру и антибликовое покрытие микролинз, а их пиковое QE даже превышает 75–85 %, почти приближаясь к теоретическому физическому пределу обнаружения одиночных фотонов!
• Полная емкость скважины (FWC) – объем электронного резервуара:
• Определение: максимальное количество свободных электронов, которое может собрать одиночный фотодиод до того, как произойдет перенапряжение при насыщении (отсечение/передержка) (единица измерения: (e^-));
• Пиксели небольшого размера (например, 0,8(\mu\text{m}) пикселей на мобильных телефонах): FWC часто имеет лишь жалкие 5000–8000 электронов;
• Усовершенствованные полнокадровые корпуса (например, Sony A7S3, 12 миллионов пикселей, шаг пикселя 8,4(\mu\text{m})): FWC до ошеломляющих 90 000–120 000 электронов!

2. Вывод строгих физических формул для отношения сигнал/шум и динамического диапазона

Свет сам по себе — это не непрерывная жидкость, а дискретный дождь фотонов. Согласно распределению Пуассона в квантовой оптике, чистый свет естественным образом содержит фотонный дробовой шум:

• Формула максимального отношения сигнал/шум (Max SNR):
  В ярко освещенной области шум считывания незначителен, а окончательное соотношение сигнал/шум изображения полностью определяется общим количеством собранных электронов (N):
  [ \text{SNR}_{\max} = \frac{N}{\sqrt{N}} = \sqrt{N} ]
• Если FWC равен 10 000 (e^-), максимальное соотношение сигнал/шум составит (\sqrt{10000} = 100) (около 40 дБ);
• Если FWC равен 100 000 (e^-), максимальное соотношение сигнал/шум возрастает до (\sqrt{100000} \приблизительно 316) (около 50 дБ)! Соотношение сигнал/шум улучшилось более чем в 3 раза, а чистота цвета и четкость оттенков серого достигли качественного скачка!
• Формула теоретического предела динамического диапазона датчика (Dynamic Range, DR):
  [ \text{DR} = 20 \log_{10} \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Шум чтения}} \right) \quad \text{Или выражается в передачах:} \quad \text{DR (EV)} = \log_2 \left( \frac{\text{FWC}}{\text{Шум чтения}} \right) ]
  Чем больше полная емкость лунки, тем выше верхний предел информации о светлых участках, которую может принять датчик. При экспонировании вправо пересвета никогда не произойдет, а верхняя граница динамического диапазона фиксируется непосредственно физическим замком!

3. Инженерная диалектика больших пикселей (серия A7S) и высоких пикселей (серия A7R/Z8)

Многие фотографы в замешательстве: стоит ли им покупать 61 миллион пикселей высокого разрешения или 12 миллионов пикселей высокого разрешения?

• Однопиксельная перспектива (уровень пикселей):
  Большие пиксели имеют беспрецедентную одноточечную FWC и максимальную чистоту высокой чувствительности, а шум при увеличении снимков экрана на 100% очень мал;
• Равнокадровая перспектива всего кадра (уровень печати/уровень изображения):
• Хотя 61-мегапиксельный корпус имеет небольшую емкость однопиксельной ямы (около 25 000 (e^-), соотношение сигнал/шум одного пикселя низкое;
• Но на одной и той же фотографии в 5 раз больше пикселей, совпадающих с одной и той же сценой!
• Когда вы уменьшаете разрешение 61 миллиона фотографий до размера 12 миллионов, дискретный фотонный шум пяти соседних пикселей будет компенсировать друг друга с помощью математического усреднения (коэффициент шумоподавления (\sqrt{5})). Общий динамический диапазон и общее соотношение светового сигнала к шуму всей картинки практически равны таковым у крупнопиксельных тел, сохраняя при этом в несколько раз большее предельное пространственное разрешение!
• Вывод:
• Статичные экстремальные пейзажи, коммерческая коммерческая печать: смело выбирайте корпус с высоким разрешением и наслаждайтесь повышенным соотношением сигнал/шум и ужасающим анализом после миниатюр;
• Чистая видеозапись при слабом освещении, замедленная съемка с чрезвычайно высокой частотой кадров (миниатюры не требуются): выберите большое пиксельное тело, чтобы насладиться сверхнизкой задержкой считывания и изначально большим FWC.

---