¿Cuánto del ruido del sensor digital es térmico?

Depende: del diseño del sensor, la configuración ISO seleccionada, la duración de la exposición, la intensidad de la luz que ingresa a la cámara, etc. El ruido térmico puede variar desde casi nada del ruido en una fotografía digital hasta casi todo el ruido. en una fotografía digital.

Si la foto se toma relativamente rápido con una intensidad de luz moderada en una configuración ISO alta, la mayor parte del ruido será el ruido de distribución de Poisson (ruido de disparo) causado por la naturaleza aleatoria de la distribución de fotones cuando golpean el sensor. El ruido de disparo no está relacionado en absoluto con las consideraciones térmicas.

Por otro lado, si la foto se toma con tiempos de exposición prolongados e intensidades de luz bajas con ajustes ISO bajos, la mayor parte del ruido en la imagen resultante será ruido de lectura. Es decir, será ruido provocado por la electrónica de la cámara. Todo ese ruido está influenciado por el calor. Cuanto más calientes estén el sensor, los amplificadores analógicos y las unidades de procesamiento digital, generarán más corriente oscura que se registrará como ruido.

Si se toma una foto con la tapa del objetivo puesta y el visor cubrió todo el ruido de la fotografía, se leerá ruido, que se ve afectado por las condiciones térmicas. Esta es solo una de las muchas razones por las que probar una cámara con una tapa de lente es bastante inútil para predecir el ruido real en escenarios del mundo real de una manera significativa. Para medir una relación señal-ruido , se debe incluir la señal (luz) y el ruido (corriente oscura inducida térmicamente).

A medida que se enfría una cámara, la mejora sería más notable en imágenes ISO bajas que en imágenes ISO altas. Esto se debe a que las imágenes ISO bajas tienden a tener más ruido de corriente oscura (lectura), mientras que las imágenes ISO altas tienden a tener más ruido de distribución Poisson (disparo). La mejora también sería más notable con imágenes realizadas con fuentes de luz muy débiles para tiempos de exposición más prolongados, como la astrofotografía, que con imágenes realizadas con fuentes de luz muy intensas para tiempos de exposición más cortos.

Dado que el ruido del disparo no se ve afectado en absoluto por la temperatura, sino por la naturaleza misma de la luz y la forma en que los fotones oscilan en forma de ondas a medida que se mueven, nunca podrá tener una imagen con cero ruido. En teoría, uno probablemente podría enfriar un sensor de imagen y la electrónica relacionada hasta el punto de que el ruido de la corriente oscura sería indetectable.

Las fuentes dominantes de ruido no térmico son el ruido de los disparos de fotones y el ruido inducido por los rayos cósmicos, pero esto solo afecta a las imágenes tomadas por astrónomos profesionales, como el telescopio espacial Hubble. Todas las demás fuentes de ruido, que también incluyen el ruido de disparo debido al número discreto de electrones de corriente oscura, son en última instancia de naturaleza térmica. En la astrofotografía ordinaria, el ruido del disparo de fotones siempre está oculto en el ruido térmico. Por ejemplo, el número de fotones de una estrella de décima magnitud que entra en una lente de 50 mm de apertura es de unos 2500 por segundo. Por lo tanto, incluso una exposición de 1 segundo solo tendría una fluctuación del número de fotones del orden de sqrt (2500) = 50, por lo que la fluctuación relativa es solo del 2%.

Necesitamos considerar una estrella de magnitud 15 (diez mil veces más tenue que las estrellas más débiles visibles a simple vista) para llegar a una fluctuación del 20% debido al ruido en 1 segundo de exposición. Pero, por supuesto, en tal imagen la estrella no se ve por ninguna parte, todo lo que se ve es ruido de lectura y ruido de disparo, este último no es inducido por la fluctuación del número de fotones, sino por las fluctuaciones térmicas en la corriente oscura. Al mejorar la exposición, puede reducir estos efectos de ruido térmico para hacer que la estrella sea visible, pero también se reducirá el ruido del disparo de fotones.

Supongamos que una cámara está tomando fotografías en las que el ruido está dominado por el ruido del disparo de fotones, ¿cómo sabríamos que este es realmente el caso? La prueba crucial sería tomar algunas tomas de encuadre oscuro. Estas tomas de fotogramas oscuros solo deberían contener píxeles calientes y atascados y, aparte de eso, casi ningún ruido. Por lo tanto, restar dos exposiciones de cuadros oscuros debería producir imágenes casi totalmente oscuras.

Sin embargo, una cámara enfriada hasta el cero absoluto se vería afectada por el ruido de lectura y el ruido de corriente oscura además del ruido de disparo de fotones. Entonces, esto es causado por fluctuaciones cuánticas en lugar de fluctuaciones térmicas. Cualquier circuito electrónico está sujeto a fluctuaciones cuánticas en el cero absoluto. El ejemplo más simple para demostrar esto es un circuito LC , en dicho circuito la corriente y el voltaje oscilan a una frecuencia angular de 1/sqrt (LC). Cuando luego describimos este sistema de acuerdo con la descripción de la mecánica cuántica, encontramos que, al igual que cualquier sistema oscilante, este sistema tiene niveles de energía dados por (n+1/2) hbar omega. En el estado fundamental, el sistema todavía tiene una energía debido a las fluctuaciones de voltaje y corriente de 1/2 hbar omega.

Hay corriente oscura, como escribió Inkista en un comentario, y hay ruido de cuantificación en el digitalizador, y hay ruido de ganancia en los amplificadores analógicos, y hay ruido de lectura (se extrae un poco menos del 100% de la carga recolectada).

Cuando las personas escriben ruido "limitado por la escena" o "limitado por los fotones", lo que quieren decir es que el ruido del disparo de fotones es mucho mayor que la combinación de todas las fuentes de ruido electrónico. Nunca se puede hacer mejor que estar limitado por fotones. Afortunadamente, si lees un poco sobre la energía por fotón, verás que una SNR de sqrt(number of photons)es un número muy grande, a menos que estés tomando imágenes de galaxias distantes o algo así :-)

No. El ruido está en el recuento de fotones y es la raíz cuadrada del número de fotones. Entonces, si obtiene 9 fotones, el nivel de ruido es 3 (33%); si obtiene 10000 fotones, el nivel de ruido es 100 (1%).

Los fotones no están perfectamente distribuidos en el espacio, pero al azar, e incluso a 0 K perfectos, diferentes recipientes receptores captarán diferentes cantidades de fotones cada vez que lo intentes.