デジタルカメラで露光時間が必要なのはなぜですか？

私がデジタルカメラについて理解していることから、それらは基本的にレンズと数百万のフォトダイオードの小さな二次元配列です。そして、私がフォトダイオードについて理解していることから、光の中にいると電圧が発生し、強度の高い光はすぐに高電圧を引き起こします。

ただし、これがすべて当てはまる場合、デジタルカメラでの露出の必要はありません。個々の電圧を読み取ることができ、（電圧リーダーが十分に敏感で、電気ノイズが無視できると仮定すると）正確な画像が得られます。可能な限りほぼ瞬時に。

しかし、これは起こることではありません。だから私の理解はどこが間違っていますか？そして、あるこのように動作任意のデジタルカメラはあり？

^{これがElectronics.SEにより適している場合は申し訳ありませんが、この質問はこの聴衆にとってより興味深いものになると感じました。}

私はエレクトロニクスから訪問しているので、あなたが既に得たいくつかの答えに、エレクトロニクス/半導体物理学の背景を少し追加します。

私があなたが持っていると思う重要な誤解は、フォトダイオードは光に反応して電圧を生成せず、電流を生成するということです。フォトダイオードに当たる各光子は、デバイス内で移動電子を生成します（実際には「電子と正孔のペア」ですが、そのレベルの詳細が必要な場合は、EE.SEに問い合わせてください。何百万もの電子が一緒になって測定可能な電流を構成します。最後に、この電流を使用してコンデンサを充電すると、感知可能な電圧を測定または記録して、画像にピクセルを形成できます。

これが、cmasonが言うように、センサーが各「バケツ」を満たすのにある程度の時間を必要とし、mattdmが言うように、画像を形成するために測定できるポイントまでアキュムレーターが満たされるのに時間がかかる理由です。

デジタルカメラはまさにそれを行おうとしますが、ノイズが原因ではありません。カメラなどは、任意の高いISOを持つと説明でき、その結果、任意の短いシャッタースピードで正しい露出が得られます。

大きなフォトダイオードから低解像度の大きなフォーマットを作成することは、楽しいプロジェクトです。

また、将来的には「多重露光」システムがセンサーに統合されると考えています。センサー値を露光中に記録しますが、シャッターを開いたままにして、黒の詳細を取得します。

以下は、室内照明での露出中に最新のDSLRのピクセルによってキャプチャされたエネルギーの大まかな計算です。

Warren MarsのPhoton Behaviorサイトでは、さまざまな照明条件の下でさまざまなサイズのピクセルに1/60秒の露出で入射する光子の数の表を提供しています。

チャードにリストされている最小のピクセルは70µm²ピクセルで、D7000のピクセルの3倍です。D7000のイメージャは、4.78μmのピクセルサイズを持っています

「リビングルームの照明」の下では、D7000のピクセルあたり約110000光子の値が得られます。

赤い光子のエネルギーは約1.6 * 10E-19 Jです。ピクセルあたりのエネルギーは10E-14 Jのオーダーであることがわかります。実際に測定するエネルギーは非常に少量です。

詳細（および画像のソース）：http : //www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

また、光子が表面に衝突する時間がないため、基本的にゼロ秒露出カメラは不可能であることに注意する必要があります。フォトンカウントカメラを作成するとします。これは、各ピクセルに当たるフォトンの100％正確なゼロノイズカウントを提供できるカメラです。10ビットの画像を取得するには、最も明るいピクセルには1024個の光子が必要です。室内照明（D7000のピクセルピッチを使用）では、毎秒200万個の光子が各ピクセルに当たります。200万個の光子を輝度レベルの数（1024）で割ると、理論上の最大フレームレートは1950フレーム/秒になります。1/1950は、室内照明下での10ビット画像の最小露出時間です。

明るい光はすぐに高い電圧を引き起こしますが、それほど高くはありません。それが重要な部分です。目が期待しているように見える画像が必要な場合は、信号を増幅する必要があります（ノイズにより高低の差が大きくなり、ノイズが原因で正確と不正確の両方が生じる）か、より長く読む必要があります実際のサンプル。後者は、デジタルカメラで使用されるセンサーの機能です。

各フォトサイトは、単に光に敏感なフォトダイオードではなく、「ウェル」と呼ばれるアキュムレーターを含んでいます。フォトダイオードが電圧を生成し続けると（光にさらされると）、アキュムレータがいっぱいになります。特定のサイトに当たる光が明るい場合、それはすぐにいっぱいになります。ライトが暗い場合、ゆっくりと光ります。露出が終了すると、井戸のレベルがサンプリングされ、デジタル値に変換されます。

もちろん、明るい光の中には大量のデータがあるため、短い露出で正確な画像が描かれます（フレーズの順番を容赦する場合）。しかし、暗い場所では、測定するエネルギーはそれほど多くありません。簡単なサンプリングを行うと、センサーの読み取りノイズやその他の避けられない現実世界のランダム性により、より完全なフォトサイトと空のフォトサイトの「正当な」違いと同じくらい強い変動が生じます。

これは、露出不足の画像を撮影し、ソフトウェアで増幅を上げようとしたときに起こることです。ノイズ、ノイズ、ノイズ、そして単なる黒さです。また、（アキュムレーターがなくても）瞬時の読み取りには、有用なデータが十分にありません。

本当に簡単です。これは、最新のセンサーが化学プロセスフィルムよりも優れていることを示しています。これが、一見狂ったように25k以上のISO値を持つことができる理由です。それらは、ノイズが圧倒されることなく、大量の増幅を適用できるほど十分に細かく測定できます。基本的に、魔法のインスタント読み取りデバイスと比較して、私たちはまだ同じ球場にいます。

最も簡単な答えは、光は粒子ベースであり、光子で構成されているということです。デジタルセンサーは、単一のフォトントリガーではなく、測定対象のバケットです。これはあなたが混乱している場所だと思います：センサーはバイナリではなく、単一の光子に敏感でもありません：光子はセンサーの写真サイトを「オン」にしません。代わりに、測定されるのはバケットがどれだけいっぱいかです。バケツを適切に満たすのに十分な時間を与えなければ、画像は記録されません。

明るいシーンはより多くのより高いエネルギーの光子を放出するため、バケットがより速く満たされます。バケットをいっぱいにすると、画像が露出オーバーになり、細部が失われたり、画像が「ウォッシュアウト」されます。このウォッシュアウトを防ぐには、光子を収集する時間を短くするだけです。