【期待】数码相机的感光度再提高100倍会给我们带来什么？

maxkingwin 的言論明顯是人身攻擊! 請自重!!

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http://www.extremetech.com/article2/0,2845,122643,00.asp

ISO 值是一個導出量, (按照連結所示)影響此值的因素包括:
1. 量子效率 -- 不可能超越100%
2. 像素尺寸大小 -- 對於像素數量的追求, 也不會發展到越來越大. 而對於任何固定的CCD/CMOS, 只能利用bin的方式使等效像素大小增加.
3. 訊號增益 -- 可以增加放大器的放大倍率, 使訊號數值提高. 這也是現在所有數碼相機用於增加 ISO 值的方法.

讀者一定要明白, 提高訊號的增益, 並不是提高輸入訊號的大小, 而是提高輸出訊號大小.
訊號能輸入多少, 並不是後期訊號放大系統可以干預的事!
哪怕訊號增益提升了一千萬倍, 也不能在沒有任何訊號輸入的情況下得到放大的訊號.

同理, 星光就是輸入的訊號, 能夠輸入光子多少, 並不是感光器可以干涉到的事情!
哪怕感光器能把訊號放大到打雷閃電的電量, 只要沒有光子射進來, 它就連屁也不會放一個.

---第170楼的内容----
好了, 現在有一顆星, 每一個星期都會發出一顆光子來到我的感光器上面.
如果我們的曝光時間只有一秒鐘, 一個完美(100%量子效率)的感光器, 能不能一定把那顆星的光子捕捉到?
曝光時間能不能無限地減少?
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其實, 以古人的智慧也可以明白這件事!!!
很簡單: "巧婦難為無米之炊"

感光器又如何拍到無光子之相片呢? ...
Wah! 发表于 2009-1-20 10:47

                               
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问题是：任何一个光源，都不可能‘每一個星期都會發出一顆光子來到我的感光器上面.’
你拧开一个水龙头，1秒钟流过几个水分子？
光速是水流速度的几倍？1秒钟能流过的光子数量是水分子的几倍？

当量子效率接近100%之后，需要做的是降低各种系统噪声。

但是，随机噪声是不能避免的，只能加大采样。加大采样的途径有三，一是提高量子效率（如果接近100%，意义便不大）；二是增加积分时间，就是加长曝光；三是加大光学系统对光线的收集能力。

也就是说，现在努力将ccd的量子效率提高，努力降低噪声，做到头的话，还是要比拼光学。

问题是：任何一个光源，都不可能‘每一個星期都會發出一顆光子來到我的感光器上面.’
你拧开一个水龙头，1秒钟流过几个水分子？
光速是水流速度的几倍？1秒钟能流过的光子数量是水分子的几倍？ ...
nhb4566 发表于 2009-1-21 11:12

                               
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對於暗淡的天體, 是可能的!
這是因為天體太遙遠, 能來到地球的光子數量太少.

日地距離約為1.5億公里 = 15000億米
如果望遠鏡口徑是10cm, 那麼它能在地面集到的陽光是的:
(0.05 * 0.05 * 3.14)  / (15000億 * 15000億 * 3.14 * 4)
= 1/3600000000000000000000000000 太陽發出總能量

日地距離是一個天文單位.
如果去到冥王星附近, 距離大約是50天文單位, 能收到的陽光就只剩地球的 1/2500
如果去到離我們很近的的天狼星(8.6光年), 大約是54萬天文單位, 能收到的陽光就只剩地球的 1/300000000000
如果去到我們的隔鄰星系 - 仙女座星系, 230萬光年, 能收到的陽光就只剩地球的 1/21000000000000000000000
如果去到遙遠的類星體, 大約130億光年 .........

http://staff.science.nus.edu.sg/~parwani/eye.html
科學實驗告訴我們, 每秒最少要有500個光子進入眼睛, 我們才能感覺到光的存在.
那就是說, 極限的星等(樂觀一點, 當是7等星吧), 大約每秒有500個光子可以射進人眼.

每隔5個星等, 亮度就相差100倍.
如果是22等星, 亮度就只是7等星的 1/1000000, 平均要2000秒才能有一個光子射進眼睛!
就算用10cm口徑望遠鏡, 也要10秒鐘才能收集到單單一個光子!


注: 這些數字只是估算, 並不是精確的數字. 但是即使要修正, 數量級也不會相差很遠.

ISO25600的照片我发过啊，您去前几页看看，噪点很多就是了

....如果是22等星, 亮度就只是7等星的 1/1000000, 平均要2000秒才能有一個光子射進眼睛!
就算用10cm口徑望遠鏡, 也要10秒鐘才能收集到單單一個光子!
. ...
Wah! 发表于 2009-1-21 12:42

                               
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我感觉把光子按个数算，总不太准确。如果把光子作为一个能量单位来理解，可能更容易理解。
因为论个数算的话，‘每一個星期發出一顆光子’，这时候的光速是多少？‘平均要2000秒才能有一個光子射進眼睛’这时候的光速又是多少？
我认为光线（暂时确定为可见波段），要么衰减到不能到地球，只要能到地球，绝不可能是一个一个分时间段过来的。
讨论的过程就是一个互相学习的过程，有说的不合理的地方，请多批评。

>> 如果把光子作为一个能量单位来理解，可能更容易理解。
這是不全面的理解, 因為不同光子雖然速度相同, 但是所帶的能量是可以不同的.

>> "每一個星期發出一顆光子", 这时候的光速是多少？
>> "平均要2000秒才能有一個光子射進眼睛", 这时候的光速又是多少？
可以很精確地告訴你, 是絕對等於光速.
光在光電效應下的表現就是以粒子狀態顯示出來, 的確是一個個地分時間過來, 毫不含糊.

一般類星體每秒少於10個光子射到哈勃太空望遠鏡 2.4米口徑的鏡面上.
半人馬座主星南門二卻可以達到每秒30000000000個光子, 相比之下是明亮得多!

http://www.badastronomy.com/mad/1997/photon.html

An object like a quasar does not produce very many photons (well, actually it produces a lot, but we're a long way away and don't see very many of them!). Even over the area of Hubble's 2.4 meter mirror, only a handful of photons are counted every second. A typical quasar may produce less than 10 total photons per second detected! (This is for a typical quasar in the near ultra-violet range using numbers for STIS, one of the cameras on Hubble). That is why we need to take long exposures; a 1000 second exposure will give us 10,000 photon counts, which is not a bad number. Compare this to an image of Alpha Centauri, a bright star, which may produce as much as 30 billion photons every second! We actually need to block most of the light from bright stars to make sure we don't hurt our detectors!

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>> "每一個星期發出一顆光子", 这时候的光速是多少？
>> "平均要2000秒才能有一個光子射進眼睛", 这时候的光速又是多少？
可以很精確地告訴你, 是絕對等於光速.
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Wah! 发表于 2009-1-21 16:27

                               
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感谢解答，因为我只是个本科生，而且所学专业不是电磁学和微观粒子方向，所以我的问题可能比较幼稚，但我还是提出我的疑问：
按您的解释，光速在上诉两种情况下是一致的，那么就是说同一光源的 光子的发射频率会随着光子的到达距离发生变化吗？
当光源很远的时候，光子的发射频率慢，而距离稍近时，发射频率快，那么光子在当初发射出来时，是怎么根据即将到达的距离来变换自己的发射频率的？

211# nhb4566
讨论进入到现在这个阶段，仿佛是在观摩博士论文答辩会，精彩！我作为初学者感慨良多，受益匪浅，谢谢各位专家！请高手们继续华山论剑。

感谢解答，因为我只是个本科生，而且所学专业不是电磁学和微观粒子方向，所以我的问题可能比较幼稚，但我还是提出我的疑问：
按您的解释，光速在上诉两种情况下是一致的，那么就是说同一光源的 光子的发射频率会随 ...
nhb4566 发表于 2009-1-21 17:31

                               
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简单的打个比方，兄弟可以假设恒星表面上均匀分布N个点，所有点同步匀速率向外发射光子，那么任一时刻所发射的光子将会形成一个包围恒星的球壳，很容易知道距离恒星表面越远的球壳上，光子的密度会越低。。。

>> 那么就是说同一光源的 光子的发射频率会随着光子的到达距离发生变化吗？
不會.

>> 当光源很远的时候，光子的发射频率慢，而距离稍近时，发射频率快，那么光子在当初发射出来时，是怎么根据即将到达的距离来变换自己的发射频率的
若是指多普勒效應, 那麼光子會在發射的一刻已經定下到達地球時的波長/頻率. 它不會在中途改變頻率.

可以參考213樓的比喻.
上面的 "每一個星期發出一顆光子" 是指能夠到達地球, 射上感光器的光子, 並不是恆星產生的所有光子.

>> 那么就是说同一光源的 光子的发射频率会随着光子的到达距离发生变化吗？
不會.

>> 当光源很远的时候，光子的发射频率慢，而距离稍近时，发射频率快，那么光子在当初发射出来时，是怎么根据即将到达的距离来变换 ...
Wah! 发表于 2009-1-21 18:47

                               
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Wah!，我想你说的应该是对的，电磁波在传播的过程中频率和波长是不变的，只是能量有衰减，意味着光子会变少，这样是能自圆其说的。
但我细想一下，又不明白能量是什么，粒子又是什么了，哈哈，快过年了，咱们大家都放轻松一些吧，祝老兄在香港新春快乐！

217# 非非
给非非提个意见，你能不能把帖子中的标点符号补充完整？不然，看着太费劲了，哈哈！

Wah!，我想你说的应该是对的，电磁波在传播的过程中频率和波长是不变的，只是能量有衰减，意味着光子会变少，这样是能自圆其说的。
但我细想一下，又不明白能量是什么，粒子又是什么了，哈哈，快过年了，咱们大家都 ...
nhb4566 发表于 2009-1-21 21:52

                               
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如果你能想明白213樓的比喻, 就可以明白為什么光子變少了.

光是能量的一種形式, 在特定的實驗/情況下呈現波動性質, 在另一些情況下也可以呈現出粒子的特性.
其實電子也可以有波粒二象性, 只不過大家未必留意到相關的資訊.