Suponiendo un sensor perfecto, ¿cuál es el límite físico del área ISO/píxel?

Suponiendo que los fabricantes de cámaras puedan eventualmente fabricar el sensor perfecto que no introduzca ruido eléctrico en la señal, ¿en qué punto (medido en ISO/área de un píxel) el ruido de disparo será tan frecuente que dejará de obtener imágenes útiles?

Tengo problemas para averiguar qué límites usa DxOMark para determinar la clasificación ISO de un sensor. Creo que usan una combinación de rango dinámico y SNR.
¿Habla en serio acerca de "sin ruido eléctrico", o está realmente interesado en lo que es físicamente posible con "la menor cantidad de ruido eléctrico posible"? No creo que sea posible producir un sensor que tenga cero ruido generado por la electrónica (lo que parece implicar con la afirmación "mfg. Eventualmente puede hacer el sensor perfecto"), y creo que la distinción afectaría las respuestas. Incluso una cantidad extremadamente baja de ruido térmico se exhibirá cuando se amplifique lo suficiente, lo que impondrá un límite en el ISO máximo.
Esta página puede ser útil, ya que tiene algunas fórmulas matemáticas para calcular la SNR (dado que conoce suficiente información adicional): learn.hamamatsu.com/articles/ccdsnr.html . Es para CCD, y no estoy seguro de cuáles podrían ser las diferencias para el ruido térmico y de lectura entre los sensores CCD y CMOS, si los hay (supongo que los hay, dadas las diferencias entre las dos tecnologías).
@jrista podría construir un sensor a partir de detectores de fotones, en lugar de medir la carga liberada por los fotones incidentes, logrando así cero ruido eléctrico. Si alguna vez sería comercialmente viable producir un sensor de este tipo con suficiente resolución es otra cuestión...
@MattGrum: Incluso con fotodetectores, todavía tiene una puerta electrónica que es responsable de convertir los fotones detectados en algo digital que una computadora puede procesar. Supongo que si pudiéramos encontrar una manera de procesar todo directamente como una señal analógica, tal vez con procesadores cuánticos, podríamos eliminar el ruido electrónico en el sensor. Independientemente, supongo que estaba pensando en términos de lo que es económicamente viable desde el punto de vista del consumidor... pero quién sabe, tal vez dentro de cincuenta años seremos capaces de tener sistemas de procesamiento completamente analógicos.
@jrista Me doy cuenta de que nunca obtendremos un sensor sin absolutamente ningún ruido eléctrico, pero estoy buscando el límite superior de ISO basado solo en las propiedades de la luz.
Si toma la imagen inferior derecha como un ISO 100 correctamente expuesto, entonces la imagen del medio (que es casi utilizable) funciona en ISO 1,000,000 (¡un millón!), Canon acaba de anunciar una cámara con ISO 204,800, por lo que no están muy lejos. lo que es posible incluso con un sensor sin ruido eléctrico - ¡ergo, la configuración ISO es probablemente una pérdida de tiempo!

Respuestas (2)

Aquí hay una buena simulación del sensor 'perfecto' que describe (uno que no tiene ruido eléctrico, por lo que registra perfectamente cada fotón incidente) que reacciona a niveles de luz muy diferentes, desde 0.001, 0.01 y 0.1 fotones por píxel (fila superior), 1 , 10 y 100 fotones por píxel (fila central) a 1000, 10000 y 100000 fotones por píxel en la fila inferior.

Haga clic para obtener una versión más grande en la que pueda distinguir píxeles individuales. Imagen por Mdf algunos derechos reservados.

No puede especificar la sensibilidad ISO sin conocer el punto de saturación del sensor (sin saturación no hay sobreexposición), por lo que para su hipotético 'sensor perfecto' tendría que elegir un punto de saturación arbitrario, haciendo que los valores ISO calculados para el imágenes arbitrarias también.

Sin embargo, para responder a su pregunta, parece que 1 fotón por píxel es el límite para obtener imágenes significativas (la imagen superior derecha, con 1 fotón cada 10 píxeles, me parece irreconocible).

Diría que la imagen uno a uno era increíblemente pobre (y eso tiene sentido intuitivo, debido a la aleatoriedad)

Es difícil dar una respuesta definitiva a su pregunta, porque depende de lo que subjetivamente considere "útil", así como de muchos otros factores como la fuerza y ​​la calidad del algoritmo de eliminación de ruido, el medio de salida, etc... Por lo tanto, esto no es realmente una respuesta, solo algunos consejos para ayudarlo a encontrar su respuesta.

Primero, sobre los parámetros a considerar. El área del píxel no es realmente importante. Aunque los píxeles más pequeños dan más ruido a nivel de píxel, siempre puede reducir el ruido reduciendo la escala de la imagen (un beneficio adicional del antialiasing). El parámetro realmente importante es el área total del sensor. Además, el ruido de lectura generalmente solo es relevante en las áreas más oscuras de la imagen, la mayoría de las veces la principal fuente de ruido es el ruido de disparo de fotones. Por lo tanto, la eficiencia cuántica y el factor de llenado también son importantes.

A continuación, te recomiendo echar un vistazo a esta página de ClarkVision.com: http://www.clarkvision.com/articles/digital.signal.to.noise/ . Es una discusión muy bien documentada sobre el ruido digital, junto con modelos y muchos datos de la vida real.

No tengo idea de lo que estaba hablando, ahora que volví a leer tu respuesta, tiene mucho sentido, ¡así que eliminé el comentario!
No estoy de acuerdo con la idea de que "el área del píxel no es realmente importante". El área del píxel determina cuántos fotones golpean cada píxel, para una determinada cantidad de luz que ingresa a través de la lente. Como usted dice, puede reducir el ruido reduciendo la escala de la imagen, pero al reducir la escala de la imagen 2x, está aumentando efectivamente el área de píxeles 4x.
Hay una razón por la que el tamaño de grano de la película aumenta con ISO.
@Evan Krall: Mi suposición es que la mayoría de las veces la resolución de la cámara es más que suficiente para el medio de salida. Entonces usted (o su software de pantalla, o su controlador de impresora...) terminará reduciendo la escala de todos modos. Después de la reducción de escala, el área de píxeles efectiva es el área total del sensor dividida por la resolución efectiva del medio de salida . La resolución del sensor y su propia área de píxeles son irrelevantes.
Suponiendo un sensor perfecto, ¿cuál es el límite físico del área ISO/píxel?
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