SLR的ISO值可在一定範圍內任意變更, 但那是透過改變影像讀出電路的放大率來達成, CCD還是那同一塊, 它的靈敏度是不可能變的.
就像同一張底片在洗成照片時可以洗亮一點或洗暗一點, 但底片沒變, 我們總不會認為這樣的照片亮暗改變等於底片感度的改變吧? 所以,
一個現代DSLR的感度到底有多高? 這是我試圖回答的. 此處我將以我的Nikon D200為例. 以下的計算並不完全成熟, 還有許多細節需要釐清,
但架構上來說是八九不離十的.
既然我們談ISO感度, 就不能不知道ISO感度的定義. DSLR上的ISO值只是模擬特定曝光量該產生什麼樣的影像亮度的指標, 它不是真正的感度指標.
ISO值做為感度指標, 得回到ISO最原始的定義, 那是適用於底片的定義. 根據國際標準組織 (ISO) 的規範, 在其定義的顯影方式下,
產生比片基灰霧濃度還高0.1的濃度所需的曝光量, 以lux.second為單位的話, 此曝光量的倒數乘以0.8, 就是該底片的ISO感度.
此處值得注意的重點是, 0.1的濃度是相當小的, 此時底片的曝光極其輕微, ISO值就是定義在能讓底片產生極輕微的灰霧所需的曝光量. 0.1有多小?
在反差指數1.0的情況下, 0.1的濃度差異相當於1/3級的曝光差異, 這差不多是我們能在底片上以肉眼輕易辨認的最小濃度差異了, 大部份的人在拍照時,
測光精確度甚至根本不到1/3級.
好, 現在我們知道, 要達到ISO定義的曝光, 底片上的濃度要比完全沒曝光處 (也就是全黑) 還高一點點. 這如何對應到數位相機?
一個完全沒曝光的像元會有0個光電子在其中, 比0高一點點是多少? 我會說, 其中的光電子數目至少要能產生3的訊噪比. 在統計學上,
通常訊噪比3是決定一個訊號是否被偵測到的下限, 只有當像元中的光電子數目足以產生3以上的訊噪比, 我們才能說這像元是受到最少量的足量曝光, 小於此,
它可說與0無異.
要多少個光電子才能產生3的訊噪比? 要回答這問題要先知道雜訊來源. 數位相機裡的第一個雜訊來源是讀出雜訊. D200在ISO
400時的讀出雜訊約是每個像元正負3.8個電子, 在低ISO時讀出雜訊會比此略高, 高ISO時則略低, 但差異不大, 我們就當它是正負4個電子好了. 另一方面,
讀出雜訊並非唯一雜訊, 另一個雜訊是光電子的Poisson雜訊, 其強度是光電子數目的根號, 譬如若我有18個光電子, 其中必伴隨正負根號18,
也就是4.24的Poisson誤差. 正負4.24的光電子雜訊加上正負4的讀出雜訊, 總雜訊強度就是5.83 (二者的平方和開根號). 訊號強度是18,
總雜訊是5.83, 訊噪比是18/5.83, 約等於3. 所以, 我們知道, 一個像元要具有大於0的最小曝光, 它需要至少18個光電子.
要算出數位相機的ISO感度, 就要知道18個光電子相當於多少lux.second. 首先, 假設感光元件加上元件前的濾鏡, 其總合量子效率約為25%. 如此,
18個光電子就相當於約70個入射光子. 以波長550nm的綠光為標準, 每一個光子的能量是普朗克常數乘以頻率, 是3.62*10^-19焦耳,
70個光子就是2.5*10^-17焦耳. D200的像元寬度約是6um, 所以面積是3.6*10^-11平方公尺.
在一個D200像元上產生2.5*10^-17焦耳, 換算成每平方公尺就是7*10^-7焦耳. 在550nm, 1
lux.second約是每平方公尺0.0015焦耳, 所以, 在每個D200像元上產生18個光電子所需的曝光量就是0.00047 lux.second.
取其倒數乘以0.8, 我們得到1700這數字, 這就是D200的真正ISO感度, 約相當於1600度的底片.
這解釋了為何D200或者同級的DSLR可以使用1600到3200的感度來拍攝, 仍能得到良好的結果, 而這是與底片相比. 如果我們將DSLR的ISO設定調低,
曝光將增加, 每個像元所得到的光電子數目也就會增加, 訊噪比就會更好. 這解釋了為什麼在低ISO時, DSLR的畫面會比底片純淨很多, 所謂的純淨,
就是低雜訊或高訊噪比的意思.
以上的計算還有相當的改進空間. 譬如, 訊噪比3是否是個好的條件? 這個設定是否過苛或過鬆? 要回答這問題, 就得知道底片在片基灰霧以上0.1的濃度的訊噪比,
我相信那不會高於10, 但是否就是3? 而且, 在DSLR部份, 訊噪比3是決定於6um的範圍內, 底片的訊噪比要以多大的範圍來量測才算數? 同樣是6um?
或許吧. 考慮到各種不確定性, 可能會讓我們算出的DSLR的實際感度產生正負一級的變化. 所以, 保守一點說的話,
D200的實效ISO感度可能在800到3200之間, 說它一定剛好是1700或1600就把它說太死了.
腦筋動得快的讀者會發現, 在以上的討論架構下, 如果像元大一些, 譬如從6um變12um, 感度會提高, 這是因為像元面積增加了,
固定時間內所能搜集的光子數目就會增加, 但犧牲的當然就是影像解析力. 另一方面, 各位應該也能發現, 降低讀出雜訊可以提高DSLR的實效感度.
最後讓我稍微把話題扯向天文攝影. 底片用於天文攝影時有個很有名的現象稱倒數律失效 (reciprocity failure), 當底片面對極弱的入射光時,
底片的有效感度會降低, 這會影響我們的拍攝效率, 使得需要長時間曝光的攝影所需的曝光時間變更長. 我們常說數位感光元件用於天文攝影時沒有倒數律失效,
這是數位元件優於底片的重要原因之一. 但仔細探究, 若從訊噪比觀點來看, DSLR的有效感度在低強度入射光的長時間曝光中, 也是會下降的. 為什麼?
這是因為在做長時間曝光時, DSLR像元中的熱電子產生速率並不會遠低於光電子產生速率. 在這種情況下, 熱電子也會貢獻Poisson雜訊,
成為讀出雜訊以及光電子雜訊以外的第三個雜訊源. 雜訊增加了, 我們便需要更多的光電子才能達到所需的訊噪比, 所以達到特定訊噪比所需的曝光會增加, 形同感度下降.
從這個角度來說, DSLR也是有倒數律失效的, 只是, 在近代DSLR上 (Canon是10D以降, Nikon是D70以降), 這現象並不會太明顯就是了. |
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置顶卡
变色卡
千斤顶
显身卡
还是细细看了下 谢谢
學習了。