¿Qué tan cerca estamos de los límites teóricos del rendimiento del sensor con poca luz?

Considere una toma con poca luz, ISO alto y exposición corta. Todos sabemos que la imagen será ruidosa. Entiendo que el ruido de la imagen está dominado por el ruido de conteo de fotones (ruido de disparo) que es causado por fotones que son partículas discretas y porque habría muy pocos por píxel. Esta excelente pregunta discute esto.

Para mí, la visión simplista de un sensor de imagen es un dispositivo de conteo de fotones. Cada fotón entrante con la longitud de onda correcta para el píxel en particular hace que su contador interno sea "+1", hasta que se alcanza el valor de saturación. Digamos, 16383 para sensores de 14 bits.

A medida que leo más, entiendo que las cosas no son tan simples: no se cuentan todos los fotones ( QE ), luego está esta parte del amplificador analógico que introduce " algunos electrones de ruido ". Entonces, mi pregunta es ¿cuánto ruido en este escenario contribuye el ruido de conteo de fotones y cuánto se debe a las imperfecciones del sensor?

Dicho de otra manera: si bajamos el ISO lo suficientemente bajo, de modo que las imperfecciones del sensor representen solo el último bit del valor digital de 14 bits del "contador", ¿cuántos fotones en promedio necesitan golpear ese píxel para causar un +? 1 aumento? Obviamente, si conseguimos esta relación a solo "1", obtendríamos nuestro dispositivo de conteo de fotones perfecto, y claramente aún no hemos llegado, pero con los sensores disponibles comercialmente en 2017, ¿qué tan cerca estamos?

Si bien esta pregunta podría iniciar una discusión interesante, no tiene una respuesta objetiva en términos de fotografía que será cierta dentro de un año o más. Probablemente sea más adecuado para un foro de discusión sobre fotografía que para el formato de preguntas y respuestas de este sitio.
Tiene razón, lo actualizaré para indicar que estoy considerando sensores actuales.
...Cada fotón entrante con la longitud de onda correcta para el píxel en particular hace que su contador interno sea "+1". No realmente. Los sensores son monocromáticos. Cada fotón que atraviesa el filtro de Bayer provoca un +1. Y algunos fotones de todas las longitudes de onda visibles logran atravesar los tres filtros de colores de los sensores enmascarados de Bayer. Basta con mirar las curvas de respuesta de cualquier sensor enmascarado de Bayer. Los archivos RAW almacenan 3 colores por píxel, ¿o solo uno?
@MichaelClark, eso es exactamente lo que quiero decir con "con la longitud de onda correcta". También tenga en cuenta que hay sensores RGB que no utilizan un filtro Bayer, por lo que su declaración no es universalmente cierta.
@anrieff Alguna proporción de cualquier longitud de onda de luz visible pasará a través del filtro rojo en un sensor filtrado de Bayer. Una cierta proporción de cualquier longitud de onda de la luz visible pasará a través del filtro verde en un sensor filtrado de Bayer. Una cierta proporción de cualquier longitud de onda de la luz visible pasará a través del filtro azul en un sensor filtrado de Bayer.
Los sensores de imágenes en color enmascarados que no son de Bayer también tienen filtros; simplemente se colocan entre las capas por las que pasan. Y algunos fotones rojos y verdes serán contados por la capa azul, algunos fotones rojos y azules serán contados por la capa verde, y algunos fotones verdes y azules serán contados por la capa roja. NINGÚN sensor de imágenes en color utilizado para producir algo parecido a lo que llamamos una 'fotografía' tiene sensores que actúan como espectrómetros independientes. Todos registran todos los fotones que los golpean.
@MichaelClark, esto es correcto, pero de todos modos estaba describiendo un dispositivo perfecto hipotético (donde los fotones se agrupan por longitud de onda y los bordes son nítidos). En un dispositivo real, como dices, los bordes son borrosos. Pero el comportamiento de filtrado de Bayer no contribuye al ruido, si no me equivoco.
Un dispositivo de imagen "perfecto" para que los humanos vean las imágenes reflejaría la respuesta de color de los conos en la retina humana. También tienen la "superposición" que tienen los sensores enmascarados de Bayer. Los conos verde y rojo en la visión humana difieren muy poco en su respuesta a varias longitudes de onda. Es el cerebro el que crea el color al comparar las diferencias entre las respuestas de los tres tamaños de cono diferentes. Color y longitud de onda no son sinónimos. Las longitudes de onda existen en la luz. El color solo existe en la percepción de la luz de diferentes longitudes de onda. Algunos colores no tienen una única longitud de onda correspondiente.
Todavía parece una pregunta de inicio de discusión en lugar de una que puede provocar una respuesta objetiva que será útil durante varios años.
En realidad, más aún con los comentarios.
Esta es una pregunta perfectamente válida, que se puede responder mediante el cálculo.
Voto para cerrar esta pregunta como fuera de tema porque hace una pregunta sobre ingeniería o física de vanguardia, en lugar de fotografía.

Respuestas (2)

Obviamente, si conseguimos esta relación a solo "1", obtendríamos nuestro dispositivo de conteo de fotones perfecto, y claramente aún no hemos llegado, pero con los sensores disponibles comercialmente en 2017, ¿qué tan cerca estamos?

La LinCam tiene una resolución de 1000x1000 píxeles con una resolución temporal de 50ps (2,5 gigamuestras por segundo de precisión).

LINCam25 y LINCam40

Estas cámaras se utilizan para estudios de fluorescencia de superresolución con resolución temporal de estructuras biológicas, un método en el que se inyectan productos químicos fluorescentes en plantas o humanos y luego se puede ver la actividad celular.

La amplia gama de productos de PicoQuant para el conteo de fotones incluye varios módulos de gama alta para el conteo de fotones únicos correlacionados en el tiempo (TCSPC) y la temporización de eventos, detectores sensibles a fotones únicos y software de análisis especializado para la evaluación de mediciones de fluorescencia (resueltas en el tiempo) y correlaciones cuánticas .

Algunos de los detectores de fotones individuales disponibles (no una imagen, solo un píxel) cuentan con una eficiencia de detección máxima del 40 al 50 % a 400 a 550 nm . De hecho, se basan en la recepción de un solo fotón para medir el tiempo que ocurrió después del estímulo, ya que múltiples fotones (o fotones faltantes) afectan las mediciones en Fluorescent Lifetime Imaging ( FLIM ).

Si bien la tecnología continúa mejorando tales cámaras han estado disponibles durante muchos años, Stanford Computer Optics se fundó en 1989. Su cámara CCD de imagen intensificada y EMCCD (multiplicación de electrones) funcionan de manera eficiente, el fotón que se detecta es más brillante que el ruido residual (con suficiente enfriamiento).

Gráfico de eficiencia cuántica

Estas cámaras (y detectores de un solo píxel) están diseñadas para contar fotones individuales con precisión y sin errores, como todos los dispositivos eléctricos, a veces pierden un fotón y, a veces, hay un error en el conteo: promediar los resultados con múltiples fotogramas puede acumular suficiente información para producir un histograma que muestra el conteo y la frecuencia de ocurrencia.

Para obtener una explicación de las matemáticas detrás del conteo de fotones y los efectos del ruido, consulte http://www.andor.com/learning-academy/ccd,-emccd-and-iccd-comparisons-difference- between-the-sensors o http: //www.andor.com/learning-academy/electron-multiplying-ccd-cameras-the-technology-behind-emccds donde Andor afirma:

"En el límite de cuando hay menos de 1 electrón cayendo sobre un píxel en una sola exposición, el EMCCD se puede usar en el modo de conteo de fotones. En este modo, se establece un umbral por encima de la lectura del amplificador normal y todos los eventos se cuentan como fotones individuales En este modo, con una ganancia alta adecuada, se puede contar una fracción alta de los fotones incidentes (> 90%) sin verse afectada por el efecto del factor de ruido.

Un EMCCD puede multiplicar su entrada por más de 10K veces, dividir por el mismo valor le da un recuento exacto de los fotones.

Gracias, esto responde a mi pregunta: si los sensores especiales pueden contar fotones con precisión, eso es suficiente para mí. ¿Cree que es razonable suponer que los sensores de consumo también tendrán este nivel de precisión pronto?
Actualmente, debe esperar pagar más de $ 20K por EMCCD, por lo que puede ver 1 o 2 fotones (por píxel / por cuadro); si espera varias veces más fotones, entonces sCMOS es mucho menos costoso; consulte los precios de los equipos usados: photometrics.com/products/demoproducts ; la mayoría de los "consumidores" no viven en una cueva y tienen muchos fotones flotando. Pararse en un bosque durante un corte de energía cegaría una cámara EMCCD, lo que daría como resultado una pantalla blanca y ninguna imagen. Lo más probable es que no haya una cámara EMCCD 'de consumo' (barata ya prueba de caídas) esta década, sCMOS la reemplazará.

Si quiere decir, "¿cuánto más cerca de un ideal podemos estar prácticos/tecnológicamente?", nadie puede responder a priori la pregunta. No tenemos forma de saber qué avances tecnológicos se realizarán en el futuro. Hay, por supuesto, un límite teórico (que probablemente nunca alcanzaremos).

Mi pregunta era específicamente qué % del ruido proviene de los límites teóricos. Por supuesto, reducir el otro ruido (inducido por el sensor) a 0 es muy probable que sea imposible.
¿Qué tan cerca estamos de los límites teóricos del rendimiento del sensor con poca luz?
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