Ik moet al direkt beginnen met een verbetering van de titel: ruis ontstaat niet bij hoge ISO-waarden, ruis is van alle tijden (sluitertijden!), en is gewoon niet zichtbaar bij heldere beelden. Het signaal is zo sterk dat de ruis niet zichtbaar is.

Een fotosensor op een bierviltje

Onze pixel is opgebouwd uit een condensator en een diode. De sensor is de diode die zich als een variabele weerstand gedraagt als het belicht wordt.

1. Tijdens de laadfase wordt de condensator opgeladen tot de voedingsspanning. De diode is in gesperde richting geschakeld.
2. Tijdens de meetfase hangt de condensator los en wordt ontladen via de diode. De fotonen slaan electronen los uit het halfgeleiderkristal waardoor de lading kan wegvloeien.
3. Bij de verwerkingsfase wordt de overgebleven lading (het latent beeld zeg maar) gemeten en vergeleken met de laadspanning om te bepalen hoeveel electronen uit het kristal zijn weggeslagen, om zo de belichtingsintensiteit te bekomen.

De eigenlijke werking van een echte fotosensor zoals gebruikt in digitale fototoestellen is heelwat complexer dan de summiere voorstelling dat hier gegeven wordt. Eigenlijk is de hele schepping, waarvoor god niet minder dan 6 dagen nodig heeft gehad (toen werd er in de bouw nog op zaterdag gewerkt), maar een peuleschil in vergelijking met de complexiteit van een CCD of CMOS sensor. Het "OUT" signaal moet namelijk nog afgevoerd worden. En hierin zit ook het groot verschil tussen de sensoren onderling.

De ISO-instelling heeft niet enkel te maken met de signaalversterking. Als er weinig licht op de sensor valt (snelle sluitertijd, kleine opening of gewoon... weinig licht) dan is de weerstand van onze sensor (de diode hierboven) zeer hoog en zal de condensator weinig ontladen worden. Het verschil tussen de voedingsspanning en de overgebleven condensatorspanning is nagenoeg nihil.

Als men echter met een hogere voedingsspanning werkt, dan zal er meer stroom door de weerstand (sensor) lopen, zelfs al is de weerstand nog altijd even hoogohmig (wet van Ohm). Een ander voordeel van de verhoogde voedingsspanning is dat de capaciteitswaarde van de diode lager wordt. De condensator wordt dus sneller ontladen, en dat is exact wat we zochten!

Men kan dus niet zeggen dat met een gevoeligheid van 100ISO de meetversterker precies 1× versterkt en bij 200ISO 2×. De ISO-waarde is een overblijfsel uit de filmtijdperk; men blijft deze waarden gebruiken omdat ze een goed vergelijkingspunt vormen voor ervaren fotografen.

Ruis is niet willenkeurig! Er bestaan nauwkeurige formules om de ruisbijdrage te berekenen.
Een reflextoestel geeft minder ruis dan een compact fototoestel. Deze foto is genomen uit de losse hand. Het model is enkel verlicht met een kaars en de sterren in de hemel.

Bij onze sensor is de weerstandswaarde zeer hoog bij weinig licht, en dit verklaart de thermische ruis. Thermische ruis kan verminderd worden door de temperatuur van de sensor laag te houden, maar ook door betere fabrikagetechnieken, waardoor de sensor meer homogeen is. De Nyquist-Johnson-ruis is echter een limiet (een weerstand kan niet minder ruisen dan de berekende waarde). Laboratoriumsensoren die individuele fotonen moeten kunnen meten worden gekoeld met vloeibare stikstof om zo de thermische ruis tot nul te reduceren, maar dat lukt natuurlijk niet met onze camera. Het is het vermelden waard dat een temperatuursverhoging van een 10-tal graden een verdubbeling van de ruis met zich mee brengt.

Canon digitale fototoestel uitgerust met een cooler

Men kan de ruis verminderen door de sensor te koelen. Het effekt is het meest zichtbaar bij lange sluitertijden (zoals gebruikt bij astronomie waarbij sluitertijden van 15 minuten niet ongewoon zijn). Bij deze sluitertijden is de bijdrage van thermische ruis beperkt (hoe vreemd het ook mag lijken), nagenoeg alle ruis is dark current noise. Dark current noise is een abnormale soort ruis aangezien deze enkel bepaald wordt door de fabrikage. Een exacte wiskundige formule bestaat dan ook niet om de dark current noise te berekenen.

Om dark current noise te beperken zijn er aftermarket kits beschikbaar die op het toestel gemonteerd worden en de achterwand afkoelen. Het neusje van de zalm is echter een volledige ombouwing, de sensor wordt gekoeld met dunne heat pipes en de infra-rood filter wordt eveneens vervangen (hemellichamen stralen ook in het infra-rood gebied). Het grootste problemen met deze kits is dat de koude sensor vocht uit de omgeving trekt. De body moet daarom ook uitgerust worden met extra dichtingen... en een heater is voorzien om tussen twee foto's de sensor op te warmen om het vocht te verdrijven.

Vanwege zijn tijdsafhankelijke ruisbijdrage is een digitale sensor (zelfs met een peltier-koeling) minder geschikt dan film bij dergelijke lange sluitertijden. Film bevat niet meer ruis bij lange belichtingstijden (film heeft wel een ongewone gevoeligheid bij lange sluitertijden (reciprocity failure), maar we dwalen nu echt af)