О природе шума матрицы

Кого ни спроси - любой скажет: чем меньше матрица, тем сильнее шум.
А какой фактор в этом играет решающую роль? Невозможность сделать чувствительные элементы одинакового размера? Разное количество фотонов, попадающее на соседние элементы? Нестабильность питающего напряжения? Или что-то ещё?

Размер матрицы влияет на ёмкость ячейки и через это на кол-во фотонов (и электронов в ячейке) и через это на точность снимаемого сигнала (понятно, чем больше электронов,тем точнее).
Так уж вышло, что плотность заряда (ёмкость/площадь) у всех CCD примерно постоянна, и её пока не научились делать выше.

Дело не в фотонах, не зарывайтесь в теорию.
Качество матриц страдает из-за несовершенства технологической базы. "Время все вылечит"

Ну как так не в фотонах.
прикиньте, сколько фотонов падает на матрицу, допустим 1 кв.см площади, при обычной светосиле, освещённости и обычной выдержке. _совсем немного_. примерно 100 тысяч на квадратный микрон в секунду.
Даже если сделают абсолютно идеальную матрицу, шум (не в темноте) уже не будет сильно меньше чем сейчас, если не прибегать к сверхдлинным выдержкам и сверх светосильной оптике (а бывает ли она вообще?).

То есть Вы намекаете на технологический максимум света? :)
Решаем проблему за счет увеличения площади матрицы увеличением кол-ва ячеек. Yes?

"Размер матрицы влияет на ёмкость ячейки" - это как?

В светах (т.е. сигнал много больше шума матрицы) - да, прижимают фотоны.
возможное улучшение - только увеличить площадь линзы.
Из-за трудности со светосилой придётся площадь матрицы увеличить тоже.
Это не считая ограничения по ёмкости ячейки. Ведь если увеличить даже ёмкость, а размер оставить, понадобятся либо длинные выдержки, либо странноватые линзы со светосилой f/0.25 (как запихнуть на маленькую площадь много света??)

В тенях прижимает шум матрицы. астрономические матрицы работают при -120 градусах, читаются со скоростью несколько десятков килогерц (а не 20 MHz), имеют шум 1 электрон RMS (а не 15..20) и считают отдельные фотоны.


Цитата:

от: Sniper73
"Размер матрицы влияет на ёмкость ячейки" - это как?

Размер ячейки разумеется :)) Или размер матрицы - тогда суммарная ёмкость всех ячеек. Как шум-то считать? Или шум на 1 пиксель (тогда размер ячейки) или на всю картинку, некое среднее качество изображения если привести к одному кол-ву пикселей (тогда как раз размер матрицы и общая ёмкость ).

И у нас такое счастье лет через ..дцать появится в свободной продаже, как я и сказал.

прикол будет, если это окажется сверхвысококачественная плёнка на каком-нибудь эффекте, а не матрица :)))
Фсе побегут бросать цыфроацтой :)))
Уже есть например Gigabitfilm...

[quote=Sniper73]То есть Вы намекаете на технологический максимум света? :)
Решаем проблему за счет увеличения площади матрицы увеличением кол-ва ячеек. Yes?


почему максимум?
Минимум...

"темновой ток" у ячеек матрицы всегда есть, и как не корячься с "усоврешенствованием" - ниже некоторого заданного его при данной температуре не опустить. ТО етсь - закрываем матрицу от света вообще, считываем с нее сигнал -и выясняем, что он такие есть. Ма-а-аленький, хаотично меняющийся, но есть. Вот этот "темновой ток", собственно, и есть шум.


Теперь светим на матрицу.
чем меньше ячейка, тем меньше света на нее попадает при данной освещенности (количестве света/единицу площади). Тем меньше напряжения с нее снимается.

Потому при малой освещенности - света на маленькую ячейку начинает попадать столько, что выдаваемый на выходе уровень сигнала становится сравним с "темновым током".

Вот, собственно, и все проблемы шума.

А чувствительность в терминах фотографии - это все-таки реакция на освещенность.

Ну и вот. Меньеш матрица - меньше чувствительность на элемент изображдения. Хуже отношение сигнал/шум при данной яркости сюжета.

Что можно сделать?

1. Увеличивать размер чувствительного элемента. На него больеш света попадать будет при той же освещенности сюжета. (увеличиваь размер матрицы одновременной с количеством элементов - не спасет... только размер отдельного элемента).

2. охлаждать матрицу

3. уменьшать скорость считывания (чтобы заряды упели рассосаться, шум это тоже уменьшает).

3а, кстати, не забывать между кадрами - прикрывтаь матрицу. Черненьким, оставляя в темноте.

в фотокамерах из всех этих путей приемлем только первый.
банку с жидким азотом к камере не прикрутишь
снизить скорость считывания - оне и так тормозные, а станут еще более...

но большая матрица дороже маленькой (по технологичским соображениям), потому растят мегапиксельность в том же размере, а не с одновременным увеличеним размера матрицы (или быстрее, чем арстет размер матрицы).


да и от "закрывания" матрицы от света между снимками - тоже из соображений удешевления отказались в дешевых камерах. ТОлько в зеркалках считай настоящий затвор и остался, и то в D70 уже самые быстрые выдержки отрабатывают "прямо на матрице".

Так что каким образом технология поможет снизить шум на данном размере пикселя - я не очень понимаю. То есть, в какой-то мере может быть... Но очень ограничено. А в целом - так и будут они шуметь.

Не в фотонах дело. Если вспомнить фотоэлектронные умножители (были такие электровакуумные устройства), то достаточный для усиления выходной сигнал можно было получить от считанного количества упавших на фотоприемник фотонов.
Источниками шума матрицы являются:

А. Тепловые токи (тепловой шум), существует в любом проводнике и растет с повышением температуры. Лечится охлаждением матрицы.
Б. Паразитные токи между пикселами. Каждый пиксел представляет собой полупроводниковый элемент, выполненный на общей кремниевой подложке с остальными пикселами в одной плоскости. В идеале все элементарные транзисторы должны быть изолированы друг от друга, но реально между ними протекают паразитные токи, которые тем больше, чем выше плотность пикселов на единицу площади.
Отсюда вывод - чем больше площадь матрицы и чем меньше пикселов на ней, тем шумов меньше.
Технологическая проблема состоит в выращивании идеального монокристалла кремния требуемого размера и последующей резки его на пластины в строго нужном направлении. Отсюда резко растущая цена матрицы.

И ф фотонах тоже.
Ищё раз, чтобы получить уровень шума 1% надо накопить НЕ МЕНЕЕ 10 тыщ событий!
Это уровень шума современных цыфромыльниц и ёмкость ячеек у них соответственно такого порядка.

Наука и техника в 20-м веке не раз преподносили сюрпризы. И пленка была в свое время сюрпризом.
Цифровая фотография - это настолько многообещающее направление, что проблему шумов , конечно, преодолеют.
Вспомним, как кричали ламповики, что транзисторы шумят просто неприлично. Проблему решили, лампы ушли.
И при переходе на интегральные схемы была та же история.
И вот уже сейчас, на Кэноне 20д шумов не видят.
Будет тоже и на маленьких матрицах. Они нужны - это очевидно. Не у всех же маниакальная страсть таскать тяжести. А киломаньяки уже сейчас могут грузиться проф камерами на 12-14 Мп и прочими причиндалами и смело снимать свои нетленки, ради Бога, никто не против.
Оставьте маленькие матрицы и маленькие телевики дохлым цифроманьякам и их хрупким подругам.

Цитата:

от:DFAD1-RIPE
Кого ни спроси - любой скажет: чем меньше матрица, тем сильнее шум.
А какой фактор в этом играет решающую роль? Невозможность сделать чувствительные элементы одинакового размера? Разное количество фотонов, попадающее на соседние элементы? Нестабильность питающего напряжения? Или что-то ещё?

Подробнее

Позвольте внести ясность в этот вопрос, и взглянуть на проблему с чисто физической точки зрения.
Каждый реактивный электронный компонент, будь то транзистор, диод или конденсатор (а конденсатор в современной микроэлектронике часто есть тот же диод) имеют собственный паразитный тепловой ток утечки. Если элемент транзистор – это начальный ток коллектора. Обусловлены эти токи наличием примесей и дефектов в структуре кристаллов кремния, из которых (или на которых) создаются электронные компоненты. Чем выше чистота исходного кристалла, из которого будет изготовлена матрица, тем он дороже, но тем и меньше уровень паразитных токов у элементов, созданных на таком кристалле. Отсюда понятно, почему камеры, имеющие дешевые матрицы, шумят гораздо сильнее. Чемпионом в этом плане являются камеры на мобильных телефонах – там шум просто потрясающий.
Если матрица цифровой камеры работает с большим потоком света, полезный сигнал намного превышает паразитный тепловой, и шум незаметен, но когда света недостаточно, уровень полезного сигнала становится соизмеримым с паразитным. Все бы ничего, если бы паразитный ток всех элементов матрицы был одинаков – процессор камеры просто вычел бы его из общего сигнала, отфильтровав полезный. Беда в том, что тепловой ток каждой ячейки разный, и способен изменяться под воздействием температуры, либо других внешних воздействий. Когда много однотипных элементов выращиваются на одном большом и чистом кристалле кремния, разброс их параметров минимален, но он все равно есть. Поэтому даже самые дорогие матрицы цифровых камер продолжают шуметь, не говоря уже о матрицах на цифромыльницах.

Согласен, шумит вообще все. Зерно на пленке - это тоже шум. И "Хаббл" тоже шумит. Главное, чтобы полезный сигнал значительно превышал уровень шума. И тогда он будет незаметным. А это вопрос технологии, согласитесь. И схемотехники тоже.
Другими словами, существует приемлемый уровень шума. И, если фотолюбителю (фотопользователю, если угодно) начхать на то, что впотьмах шум матрицы заметно влияет на качество изображения, поскольку он снимает только днем, то и ладушки. Он платит. Для него этот шум приемлем.

Цитата:

от: Anarchist
[quote=newsergey]Вспомним, как Пой дальше, птенчик...
Про то, как транзисторы вытеснили лампы в Hi-end audio к примеру...

Продолжаю, петь. Ламповые ВЫХОДНЫЕ каскады обеспечивают НЕ минимальные шумы, а минимальные ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ, которые далеко не все восприминимают. К примеру, люди с музыкальным слухом, эксперты. И винил они предпочитают CD-дискам, опять же по причине своего исключительного слуха.
Стоимость таких усилителей превышает дес. и сотни тыс. зеленых, т.е. все мыслимые пределы. Редкий богатенький купит такую страсть.
А нормальный человек купит Соню или, если с деньгами нормально, Ямаху и т.д. и т.п. - и будет рыдать от счастья, ПОТОМУ ЧТО ДЛЯ НЕГО УРОВЕНЬ ДИНАМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ИСКАЖЕНИЙ ПРИЕМЛЕМ., а шумы он просто не услышит даже на самой максимальной громкости при отсутствии сигнала

...еще в выходных каскадах HiFi используют полевые КМОП-транзисторы - у них нет того пресловутого "транзисторного звучания", и токи покоя также мизерны. 10 лет назад у них были искажения 0, 002%. Сейчас не знаю, т.к. давно ничего не паял...

А лампы? Ну что ж... Если нужно очень большую мощность, то они неплохо смотрятся. Кстати, лампы стоят только в оконечном каскаде, в курсе? Вся остальная начинка - те же транзисторы... Не более того.

Цитата:

от: newsergey
Наука и техника в 20-м веке не раз преподносили сюрпризы.

это правильно.
однако, надо понимать, что всякий сюрприз ограничен законами физики.

в даннмо случае - чем меньше размер элмента на матрице - тем при меньшем количестве света на него попадающего он должен работать. Чем меньеш на него попадает света - тем меньше уровень полезного сигнала. Чем меньше уровень полезного сигнала - тем хуже отношение сигнал-шум.


Единственное, что можно сделать - снижать собственные шумы матрицы. А на этом пути есть большой такой и надежный упор... Можно снизить шумы при данном размере, изолировав ячейки друг от друга. Но это матрицу сразу увеличит и удорожит. Можно - снизив температуру. Но это вообще не путь. Можно - увеличив время опроса (а еще неплохо - опрашивать несколько раз и усреднять), но это приведет к снижению быстродействия, которое и так не ахти...

В общем, хотелось бы видеть тот путь, на котором может возникнуть оный "сюрприз". А если это "из общих соображений"... ну тогда сродни это битию шамана в бубен. Бить-то он бьет, и все его за это страшно уважают, только дождь-то все равно - то ли пойдет то ли нет, что бей шаман, что не бей :-)

Кстати, размер матрицы-то как таковой на размер аппарата влияет слабо. Не потому зеркалки большие, что там большая матрица, а ровно наоборот. Можно и в мыльницу матрицу от зеркалки засунуть. Сильно в размерах от этого та мыльница не вырастет (пленочные вон есть - весьма компактные). Дорогая она будет, вот где беда. Все беды-то - от попыток любой ценой снизить себестоимость изделия. И маленькие матрицы отсюда же. Пипл-то хавает, так грех не делать.

А порыв и сюрприз - если где и будет, то не пути снижения шумов маленьких матриц, а на пути удешевления больших. И вот тогда их и в мыльницы начнут пихать, и проблема шумящих матриц - отойдет на второй план. Не раньше.

Цитата:

от: newsergey
Главное, чтобы полезный сигнал значительно превышал уровень шума. И тогда он будет незаметным. А это вопрос технологии, согласитесь.

если бы только технологии...
уменьшая размер элемента матрицы - мы в пределе добиваемся того, что полезный сигнал становится буквально размером в один фотон...
Дальше - только уменьшать собственный шум матрицы, а это на таких размерах и уровнях сигнала - вопрос уже не технологический. Проще большие матрицы удешевлять, где полезный сигнал/пиксель - много фотонов, чем борьбой со случайнымими флуктуациями (шумом), сранимыми с энергией одного фотона бороться...

Цитата:

от:Anarchist
Цитата:

от:orange_mailbox
А лампы? Ну что ж... Если нужно очень большую мощность, то они неплохо смотрятся. Кстати, лампы стоят только в оконечном каскаде, в курсе? Вся остальная начинка - те же транзисторы... Не более того.

Подробнее

В каком классе техники лампы только в выходном каскаде?
В высококлассной технике вся схема на лампах.
Там, где ограниченный бюджет и претензия - только выходной каскад.

Подробнее

Ага, и предусилитель тоже на лампах?
Ну, эквалайзеры "настоящие индейцы" вообще не
используют, пропускаем.

Маркетинг это всё чистой воды. Деревянный руль
с дырками для пальцев.

В общем, чуднО, но тут я стану на сторону тов. Anarchist (только по схемотехнике).

Предусилитель можно и даже интересно сделать на лампе. А эквалайзер для хорошей аппаратуры - как серп по одному месту... Убивает все самое лучшее и дорогое. ;)

Вообще, конечно, транзисторная схемотехника forever. Кстати, можно новый флейм организовать - транзистор vs лампа. Я уж и матерьяльчиком запасся, тэскать... ;)