Тутубалин делает следующий расчет:
Задача: а вот ISO100 (к примеру) - это "сколько фотонов попало на пиксель" (чтобы его, к примеру, насытить).
1. Википедия Film Speed, раздел про цифровые камеры, Saturation Based Speed: ISO = 78/(экспозиция в люкс-секундах). Значит для насыщения при ISO100 нам надо осветить сенсор на 0.78 люкс-секунд.
2. Люкс (для "зеленого освещения") это 1/683 ватта на квадратный метр. У нас люкс-секунды, то есть энергия, для "насыщения сенсора @ISO100" нам надо 0.78 (люкс-секунд) / 683 (из люксов в ватты) * 1 сек = 1.142 миллиджоуля на квадратный метр.
3. Энергия одного фотона @555нм 3.58E-19 джоуля.
4. Делим миллиджоули на энергию фотона, получаем что зеленых фотонов нам надо 3.19E+15 на квадратный метр или 3.19E+03 на квадратный микрон. 3200 фотонов на квадратный микрон.
Это, повторяю, даст нам насыщение сенсора в режиме ISO100, если это насыщение мерять по ISO 12232:2006 (это в JPEG измерение, то есть камерный JPEG даст нам 255, реально запас в светах запросто может быть на стоп выше).
Проверяем: Sony A7S: pixel pitch 8.4 микрона, т.е. площадь 70 квадратных микрон. На них прилетит 225 тысяч фотонов. Квантовая эффективность пусть 0.5, "глубину колодца" (емкость пикселя) для этой камеры намеряли в районе 100к электронов. Очень похоже, на порядок нигде не проврались.
Выводы: А вот давайте запомним простую вот цифру "3200 зеленых (555нм) фотонов на квадратный микрон дают насыщение сенсора на ISO100" и попробуем применить ее на практике:
Возьмем ISO10000, это в 100 раз меньший световой поток нужен. 32 фотона на квадратный микрон "на уровне насыщения".
Отсчитаем от уровня насыщения 3 стопа вниз, в средний тон (на некоторых камерах и 4 считают, но будем добрыми). 4 фотона на квадратный микрон.
Возьмем уж тогда и камеру помельче, вот Sony RX100-IV: сенсор 13x9 мм, разрешение 5472x3648, что дает нам шаг пикселей 2.4 микрона и максимальную (если пиксели без технологических зазоров) площадь 6 квадратных микрон (я округлил вверх) на пиксель.
Перемножаем: на ISO10000 в среднем тоне прилетит 24 фотона на пиксель. С фотонным шумом (среднеквадратичным отклонением) в 5 фотонов и, соответственно, отношением сигнал-шум 5:1
И, заметим, про светофильтры цветные (которые часть поглотят "без пользы"), про не-100% использование площади пикселей, про неидеальную конверсию из фотонов в электроны, про прочие источники шума мы еще и не начинали говорить.
Увеличим пиксель в 11 раз по площади (Sony A7S-II) и выкрутим ISO еще в 40 раз, станет еще в 3 раза хуже (напоминаю, мы от точки насыщения, которая была в начале, уже перешли к среднему тону, расположив его на три стопа ниже насыщения).
Вы все еще верите в ISO409600?
Однако, Алексей довольно самонадеянно определил фотонный шум в 5 фотонов. На лабораторных по измерениям, если студент на вопрос "что такое вероятность 1%?" отвечал, что это 1 из 100, его выгоняли; правильный ответ: около сотни из 10 тысяч. Мы ведь интересуется высокими ISO исключительно в контексте "а не шумит ли на них камера?" Даже когда камера оперирует 12-тибитным raw'ом, предполагающим ок. 4000 уровней цвета, ей для отсутствия видимых шумов необходимо не менее 40 тыс. фотонов (и 160 тыс. фотонов для 14-тибитного raw'а).
Итак, на примере Canon 70D.
Матрица размера 22х15 мм, разрешение - 20 Мпикс (5472х3648), размер пикселя 4 микрон, площадь каждого из 3 субпикселей - около 5 кв.микрон, световой поток ISO100 - 16 тыс. фотонов.
Мы вышли на физические ограничения, преодолевать которые можно:
1) увеличение размеров матрицы в РАЗЫ, как минимум до среднего формата - 6х9 см;
2) снижение разрешения матрицы а РАЗЫ до 2-3 Мпикселей;
3) отказ от многобитных raw'ов и возвращение к 5-ти или 8-ми-битному цвету.
Комментарии: