Wie viel des digitalen Sensorrauschens ist thermisch?

Es hängt ab: vom Sensordesign, der gewählten ISO-Einstellung, der Belichtungsdauer, der Intensität des in die Kamera einfallenden Lichts usw. Thermisches Rauschen kann von nahezu keinem Rauschen in einem digitalen Foto bis hin zu fast dem gesamten Rauschen reichen in einem digitalen Foto.

Wenn das Foto relativ schnell mit mäßiger Lichtintensität bei hohen ISO-Einstellungen aufgenommen wird, handelt es sich bei dem größten Teil des Rauschens um Poisson-Verteilungsrauschen (Schussrauschen), das durch die zufällige Verteilung von Photonen beim Auftreffen auf den Sensor verursacht wird. Schrotrauschen hat überhaupt nichts mit thermischen Überlegungen zu tun.

Wird das Foto hingegen mit langen Belichtungszeiten und geringen Lichtintensitäten bei niedrigen ISO-Einstellungen aufgenommen, ist das meiste Rauschen im resultierenden Bild Leserauschen. Das heißt, es handelt sich um Rauschen, das von der Elektronik der Kamera verursacht wird. All diese Geräusche werden durch Wärme beeinflusst. Je wärmer der Sensor, die analogen Verstärker und die digitalen Verarbeitungseinheiten sind, desto mehr Dunkelstrom erzeugen sie, der als Rauschen aufgezeichnet wird.

Wenn ein Foto mit aufgesetztem Objektivdeckel aufgenommen wird und der Sucher das gesamte Rauschen auf dem Foto verdeckt, handelt es sich um Leserauschen, das von den thermischen Bedingungen beeinflusst wird. Dies ist nur einer von vielen Gründen, warum das Testen einer Kamera mit aufgesetztem Objektivdeckel ziemlich nutzlos ist, um das tatsächliche Rauschen in realen Szenarien auf sinnvolle Weise vorherzusagen. Um ein Signal-Rausch-Verhältnis zu messen , muss man sowohl Signal (Licht) als auch Rauschen (thermisch induzierter Dunkelstrom) berücksichtigen.

Wenn eine Kamera gekühlt wird, wäre die Verbesserung bei Bildern mit niedrigem ISO-Wert deutlicher als bei Bildern mit hohem ISO-Wert. Dies liegt daran, dass Bilder mit niedrigem ISO-Wert tendenziell mehr Dunkelstromrauschen (Leserauschen) aufweisen, während Bilder mit hohem ISO-Wert tendenziell mehr Poisson-Verteilungsrauschen (Schussrauschen) aufweisen. Die Verbesserung wäre auch deutlicher bei Bildern, die mit sehr schwachen Lichtquellen für längere Belichtungszeiten gemacht wurden, wie beispielsweise Astrofotografie, als bei Bildern, die mit sehr starken Lichtquellen für kürzere Belichtungszeiten gemacht wurden.

Da das Schrotrauschen überhaupt nicht von der Temperatur beeinflusst wird, sondern von der Natur des Lichts und der Art und Weise, wie Photonen in Wellen schwingen, während sie sich bewegen, werden Sie niemals ein rauschfreies Bild haben können. Theoretisch könnte man einen Bildsensor und die zugehörige Elektronik wahrscheinlich so weit kühlen, dass Dunkelstromrauschen nicht mehr nachweisbar wäre.

Die vorherrschenden nicht-thermischen Rauschquellen sind Photonenschussrauschen und durch kosmische Strahlung induziertes Rauschen, aber dies wirkt sich nur auf Bilder aus, die von professionellen Astronomen wie dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Alle anderen Rauschquellen, zu denen aufgrund der diskreten Anzahl von Dunkelstromelektronen dann auch Schrotrauschen gehört, sind letztlich thermischer Natur. In der gewöhnlichen Astrofotografie ist das Photonenschussrauschen immer im thermischen Rauschen versteckt. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Photonen eines Sterns der zehnten Größe, die in eine Linse mit 50 mm Öffnung eintreten, etwa 2500 pro Sekunde. Selbst eine Belichtung von 1 Sekunde hätte also nur eine Schwankung der Photonenzahl in der Größenordnung von sqrt(2500) = 50, die relative Schwankung beträgt also nur 2%.

Wir müssen einen Stern der 15. Größe betrachten (zehntausend Mal dunkler als die schwächsten Sterne, die mit bloßem Auge sichtbar sind), um eine Schwankung von 20 % aufgrund von Rauschen bei 1 Sekunde Belichtung zu erreichen. Aber natürlich ist in einem solchen Bild der Stern nirgends zu sehen, man sieht nur Leserauschen und Schrotrauschen, letzteres wird dann nicht durch die Photonenzahlschwankung induziert, sondern durch thermische Schwankungen im Dunkelstrom. Durch Verbesserung der Belichtung können Sie diese thermischen Rauscheffekte reduzieren, um den Stern sichtbar zu machen, aber dann wird auch das Photonenschussrauschen reduziert.

Angenommen, eine Kamera nimmt Bilder auf, bei denen das Rauschen von Photonenschussrauschen dominiert wird, wie würden wir dann wissen, dass dies tatsächlich der Fall ist? Der entscheidende Test wäre, ein paar Darkframe-Aufnahmen zu machen. Diese Darkframe-Aufnahmen sollten dann nur noch heiße und hängende Pixel enthalten und ansonsten fast kein Rauschen. Das Subtrahieren von zwei Dunkelbildbelichtungen sollte also fast vollständig dunkle Bilder ergeben.

Eine auf den absoluten Nullpunkt gekühlte Kamera wäre jedoch neben dem Photonenschussrauschen immer noch von Leserauschen und Dunkelstromrauschen betroffen. Dies wird dann eher durch Quantenfluktuationen als durch thermische Fluktuationen verursacht. Jede elektronische Schaltung unterliegt Quantenfluktuationen am absoluten Nullpunkt. Das einfachste Beispiel, um dies zu demonstrieren, ist eine LC-Schaltung , in der Strom und Spannung mit einer Kreisfrequenz von 1/sqrt(LC) oszillieren. Wenn wir dieses System dann gemäß der quantenmechanischen Beschreibung beschreiben, stellen wir fest, dass dieses System wie jedes schwingende System Energieniveaus hat, die durch (n+1/2) hbar omega gegeben sind. Im Grundzustand hat das System dann noch eine Energie durch Spannungs- und Stromschwankungen von 1/2 hbar Omega.

Es gibt Dunkelstrom, wie inkista in einem Kommentar schrieb, und es gibt Quantisierungsrauschen am Digitizer, und es gibt Verstärkungsrauschen in den analogen Verstärkern, und es gibt Ausleserauschen (etwas weniger als 100 % der gesammelten Ladung wird extrahiert).

Wenn Leute „szenenbegrenztes“ oder „photonenbegrenztes“ Rauschen schreiben, meinen sie, dass das Photonenschussrauschen viel größer ist als die Kombination aller elektronischen Rauschquellen. Sie können nichts Besseres tun, als photonenbegrenzt zu sein. Glücklicherweise, wenn Sie sich ein wenig über Energie pro Photon informieren, werden Sie feststellen, dass ein SNR von sqrt(number of photons)eine sehr große Zahl ist – es sei denn, Sie fotografieren entfernte Galaxien oder ähnliches :-)

Nein. Das Rauschen liegt in der Photonenzahl, und es ist die Quadratwurzel aus der Anzahl der Photonen. Wenn Sie also 9 Photonen erhalten, beträgt der Rauschpegel 3 (33%); Wenn Sie 10000 Photonen erhalten, beträgt der Rauschpegel 100 (1%).

Photonen sind nicht perfekt über den Raum verteilt, sondern zufällig, und selbst bei perfekten 0 K fangen verschiedene Empfängerbehälter bei jedem Versuch unterschiedliche Mengen an Photonen ein.