Wat is ruis?


Fotografie » TechTalk » Fysica » Ruis

Een bezoeker van deze site (waarschijnlijk een electronicus want hij had het over signaal/ruis en versterking, termen die de gewone fotograaf doorgaans niet hanteert) had een paar vragen over de ISO-waarden van zijn fototoestel, en over de ruis die gepaard gaat met de hoge ISO-waarden.

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.

We beginnen met de werking van de fotosensor van een digitaal fototoestel. Voor het gemak veronderstellen we dat onze camera precies één pixel heeft. Een 0.000001 Megapixel camera, zeg maar.

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.
Waar is de condensator, zult u vragen? Die zit in de diode. Iedere diode in gesperde toestand gedraagt zich als een kleine condensator (van dit effekt wordt gebruik gemaakt bij varicap diodes). Naast het feit dat je daardoor één component per pixel kan besparen heeft dit fenomeen nog een ander neig voordeel (daarover later meer).

De eigenlijke werking van een echte fotosensor zoals gebruikt in digitale fototoestellen is heelwat complexer dan de summiere voorstelling die 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.

ISO waarden

De eerste vraag dat ik te verwerken kreeg had te maken met de ISO-waarde en de versterking van zijn fototoestel.

De ISO-instelling heeft niet enkel te maken met de signaalversterking. Als er weinig licht op de sensor valt (korte 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.

Soorten ruis

Ruis is niet willenkeurig!
Er bestaan nauwkeurige formules om de ruisbijdrage te berekenen.

De versterker die op de sensor volgt produceert op zich nauwelijks ruis. Het is een impedantie-omvormer om de boel laagohmig te maken gevolgd door een niveau-shifter. Het verhogen van de versterking zal de ruisafstand (de hoeveelheid ruis ten opzichte van het signaal) niet noemenswaardig verslechteren. Van waar komt die ruis dan wel?

Thermische ruis

Ten eerste heb je de thermische ruis (Nyquist-Johnson noise of white noise omdat het niet frekwentieafhankelijk is) dat in ieder geleider geproduceerd wordt. Ik zal u de formule besparen, dat is beter voor uw gezondheid. De thermische ruis is afhankelijk van de temperatuur (de moleculen zijn meer beweeglijker, waardoor er gemakkelijker een electron loskomt), maar ook van de weerstandswaarde.

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.

Quantum ruis

Bij weinig licht heb je weinig fotonen (lichtpartikels). Zo weinig zelfs dat je die individueel kan tellen: 162 op de eerste pixel, 143 op de tweede pixel, 101 op de derde en zo verder. Maar het hadden er evengoed 159, 144 en 104 kunnen zijn (wegens het stochastisch karakter van de lichtpartikels). Dus iedere individuele meting bevat ruis. Men kan de kwantiseringsruis verminderen door meer metingen na elkaar uit te voeren (of langer te meten). Hoe langer men meet, hoe meer samples men tot zijn beschikking heeft, en hoe beter dat de meting bij de werkelijkheid aansluit. De hoeveelheid quantumruis is wiskundig te berekenen (de Poisson-verdeling dat ik op school heb moeten leren komt hier goed van pas). De engelse benaming is shot noise.

Fabricageruis

Maar men kan de sluitertijd niet onbeperkt opvoeren. Vanaf een bepaalde sluitertijd (ongeveer 1 seconde met de huidige technologie) spelen de fabricagetoleranties een grotere rol. De lekstroom van iedere diode begint door te wegen, in die mate dat men zelfs geen bruikbaar beeld meer zou bekomen. De lekstroom is uiterst afhankelijk van de temperatuur.

Het probleem van de lekstroom wordt opgevangen door een tweede foto te nemen direkt na de echte foto (met dezelfde meettijd maar met gesloten sluiter zodat het ruiscomponent nagenoeg identiek is), en beide van elkaar af te trekken. De tweede foto bevat hoofdzakelijk ruis ten gevolge van de individuele lekstroom van iedere diode. Daardoor kan men de sluitertijd verhogen tot 30 seconden zonder dat de typische pixeltoleranties zichtbaar worden. Fabricageruis wordt dark current noise in technische litteratuur genoemd.

Koeling


Canon digitale fototoestel uitgerust met een cooler

Vanwege zijn tijdsafhankelijke ruisbijdrage waren de eerste digitale sensoren (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)

ISO-waarden, versterking en ruis


Een fotosensor op een bierviltje


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.

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.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren