Warum brauchen Digitalkameras bei schlechten Lichtverhältnissen eine lange Belichtungszeit? Manchmal sind die Belichtungen 15-30 Sekunden oder länger. Erreicht der elektronische Sensor nicht unter 1 Sekunde oder so einen stabilen Zustand? Ich kann Langzeitbelichtungen im Film verstehen, bei denen sich die Lichteffekte addieren. Aber in einem elektronischen Sensor? Führen sie hinter den Kulissen eine digitale Signalverarbeitung durch, um ein Bild zu erstellen?
Das Lichtumwandlungselement in den meisten Bildsensoren ist eigentlich eine in Sperrichtung vorgespannte Diode, die sorgfältig hergestellt wurde, um die Ladung bis zum Zurücksetzen beizubehalten. Ein Photon tritt in die Masse der Fotodiode ein und interagiert mit dem Siliziumgitter, wodurch ein Elektron/Loch-Paar entsteht. Das elektrische Feld innerhalb der Diode, das in Sperrichtung vorgespannt wird, fegt den Minoritätsträger weg, während der Majoritätsträger in der Fotodiode gehalten wird. Je mehr Photonen abgefangen werden, desto mehr Träger werden gesammelt. Bei geringerer Erzeugungsrate (dh bei geringerer Photonenankunftsrate) muss man länger akkumulieren, um den gleichen Signalpegel zu haben.
Fotodioden sind also integrierende Sensoren.
Digitalkamerasensoren erreichen einen stationären Zustand, und wie schnell, hängt vom Systemrauschen ab, sowohl elektrisch als auch thermisch. Der stationäre Zustand ist ein gesättigter Sensor oder ganz weiß in Fotobegriffen. Dies geschieht, wenn der Verschluss geöffnet oder geschlossen ist. Der Sensor muss kurz vor jedem Foto ausgelesen oder aufgefrischt werden. Bei CMOS-Sensoren kann Rauschen das Signal in einer Sekunde überwältigen – zumindest bei älteren und kostengünstigen Sensoren. CCD's werden schon viel länger für Foto- und Astronomiearbeiten entwickelt und sind heute vergleichsweise sehr rauscharm. Ich kann mich an eine CCD-Kamera erinnern, die etwa 1988 an der UC Santa Cruz für das Lick Observatory mit einem Kodak CCD entwickelt wurde.
Die CCD-Chips erreichen auch einen stationären Zustand oder "volle Elektronenquellen". Das Kühlen des Sensors senkt das Rauschen erheblich und ermöglicht Belichtungszeiten von 20 oder 30 Minuten oder in einigen Fällen sogar mehr als 1 Stunde. Viele CCDs haben Lademulden, die bei 48K oder 65K Elektronen voll sind und auf Daten im 12- bis 16-Bit-Bereich beschränkt sind, selbst wenn Sie Elektronen zählen können. Astrofotografen fügen mehrere Bilder zusammen, um einen größeren Dynamikbereich zu erhalten.
Eine Kühlung auf -55 °C ist für Astronomie und Spektroskopie keine Seltenheit. Sie verwenden Peltier-Kühler, die durch den Einsatz in PCs preiswert geworden sind, um die CPU-Chips zu kühlen. Eiswasser wird durch den Kühler oder einen gerippten Luftkühler zirkuliert, und gestapelte Peltier-Vorrichtungen (und oft ein kleiner Lüfter) sind erforderlich, um mehr als 20 oder 30 Grad Unterschied zwischen dem CCD-Chip und der Umgebungsluft zu erreichen. Besuchen Sie die Websites von Astronomy Magazine und Sky and Telescope, um Beispielgeräte und Fotos zu sehen.
Eine Nikon D90 hat eine Einstellung für 20 Sekunden und wenn die Rauschunterdrückung ausgeschaltet ist, zeigt sie eine erstaunliche Menge an Sternen und Details des Nachthimmels. Derselbe Chip könnte gekühlt für 20-minütige Belichtungen verwendet werden.
Nick Alexejew
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