Динамічний діапазон пзз-матриці
Динамічний діапазон ПЗЗ-матриці визначається як максимальний сигнал накопичення (насичена експозиція), поділений на загальне середньоквадратичне значення шуму еквівалентної експозиції. Динамічний діапазон аналогічний відношенню сигнал / шум, але стосується лише динаміки ПЗЗ-матриці при обробці темних і яскравих об'єктів у межах однієї сцени. Відношення сигнал / шум відноситься до повного сигналу, включаючи електронні схеми відеокамери, і виражається в дБ, а динамічний діапазон - це відношення, не логарифм.
Це число показує світловий діапазон, оброблюваний ПЗС-матрицею, тільки цей діапазон виражається не в фотометричних одиницях, а в значеннях сформованого електричного сигналу. Він починається з дуже низьких рівнів світла, рівних середньоквадратичним значенням шуму ПЗЗ-матриці і доходить до рівня насиченості. Оскільки це відношення двох значень напруги, то величина безрозмірна, зазвичай близько декількох тисяч. Типові значення лежать між 1000 і 100000. Зовнішнє світло може легко перевищити рівень насичення ПЗЗ-матриці, так як динамічний діапазон варіацій світла у вуличних умовах набагато ширший, ніж може обробити ПЗЗ-матриця. Наприклад, в ясний сонячний день ПЗЗ-матриця швидко досягає насичення, особливо якщо камера не має автодіафрагми або електронного затвору. Автодіафрагма оптично блокує надлишкове світло і знижує його до верхнього рівня ПЗЗ-матриці, в той час як електронний затвор робить те ж, електронним чином знижуючи час експозиції матриці.
Рис. Характеристична крива цифрової матриці
Обмежуючі властивості вихідного сигналу
Діапазон значень вихідного сигналу світлочутливого матеріалу не визначає фотографічну широту як таку. Однак ми вимірюємо і надалі використовуємо саме вихідний сигнал, тому його обмеження впливають на одержуване значення фотографічної широти.
Обмеження знизу: цифровий шум
для цифрових пристроїв - величина власного теплового шуму матриці + шум переносу заряду + величина похибки АЦП (аналого-цифрового перетворення), також звана «шумом дискретизації» або «шумом квантування сигналу».
Чим більше власний аналоговий шум, тим вище (за інших однакових параметрах перетворення) той мінімальний рівень експозиції, при якому починається лінійна частина характеристичної кривої матеріалу. Тим менше фотографічна широта.
Шум квантування означає, що незважаючи на збереження формальної лінійності перетворення, плавну зміну яскравості передається у вигляді ступеневої сигналу, а значить, не завжди різні рівні яскравості об'єкта передаються різними рівнями вихідного сигналу. На малюнку показаний приклад для АЦП з різним числом біт. При трехбітном АЦП в діапазоні 0-1 ступенів експозиції будь-які зміни яскравості перетворюються у значення 0 або 1. Тому всі деталі зображення, які опинилися в цьому діапазоні експозицій, будуть втрачені. При четирехбітних АЦП передача деталей в діапазоні експозицій 0-1 стає можливою, а це і означає розширення фотографічної широти.
Не слід плутати розрядність АЦП і фотографічну широту аналогового приймача. Підвищення розрядності АЦП дозволяє точніше вимірювати аналоговий сигнал, що отримується з светоприемника, однак ці дві величини не пов'язані прямими співвідношеннями (Аналого-цифровий перетворювач). Насправді АЦП вимірює і квантів (Квантування (інформатика)) величину заряду, накопичену в зарядовим кишені (Матриця (фото)), в результаті вироблення ЕРС фотодіодом, при падінні на нього оптичного сигналу. При цьому величина експозиції отриманого оптичного сигналу не пов'язана в загальному випадку прямим співвідношенням з величиною заряду, накопиченої зарядовим кишенею (оскільки це залежить від ряду параметрів, у тому числі чутливості фотодіода (Фотодіод), в той час як величина насичення зарядового кишені також не пов'язана і з глибиною дискретизації АЦП (Оскільки немає фундаментальних правил, які вказують на яке кінцеве число інтервалів слід розбити одну й ту ж саму амплітуду вхідного аналогового сигналу).
Існує фізичний межа у світлочутливих елементів фотоелектричного принципу дії, званий зазвичай «межею квантування заряду». Електричний заряд в одному елементі, величина якого і перетворюється у вихідний сигнал пристрою, складається з електронів. Типові їх кількості зараз - до 30000 електронів в насиченому елементі матриці. А власні шуми не бувають нижче, ніж 1-2 електрона. Так як число електронів приблизно відповідає кількості поглинених квантів, то це і визначає максимальну теоретично досяжну для такого елемента фотографічну широту - близько 14 ступенів експозиції (двійковий логарифм від 30000).
Рис. Погрішності квантування при перетворенні сигналу в цифрову форму
Обмеження зверху: насичення і переекспозиція:
для цифрових пристроїв це максимальне числове значення пікселя.