¿Por qué las cámaras digitales necesitan un tiempo de exposición prolongado en condiciones de poca luz? A veces las exposiciones son de 15-30 segundos o más. ¿El sensor electrónico no alcanza un estado estable en menos de 1 segundo? Puedo entender las exposiciones largas en la película, donde los efectos de luz son acumulativos. ¿Pero en un sensor electrónico? ¿Hacen procesamiento de señal digital detrás de escena para construir una imagen?
El elemento de conversión de luz en la mayoría de los sensores de imagen como en realidad un diodo de polarización inversa cuidadosamente diseñado para retener la carga hasta que se reinicie. Un fotón entra en la mayor parte del fotodiodo e interactúa con la red de silicio creando un par de electrones / agujeros. El campo eléctrico dentro del diodo está desviado hacia atrás y arrastra al portador minoritario, mientras que el portador mayoritario se mantiene dentro del fotodiodo. A medida que se interceptan más fotones, se recogen más portadores. Con una menor tasa de generación (es decir, con una menor tasa de llegada de fotones) se debe acumular durante un período más largo para tener el mismo nivel de señal.
En otras palabras, los fotodiodos son sensores integradores.
Los sensores de la cámara digital alcanzan un estado estable y la rapidez con la que depende el ruido del sistema, tanto eléctrico como térmico. El estado estable es un sensor saturado, o todo blanco en términos fotográficos. Esto sucede si el obturador está abierto o cerrado. El sensor debe leerse o actualizarse justo antes de cada foto. Para los sensores CMOS, el ruido puede desbordar la señal en un segundo, al menos para los sensores anteriores y de bajo costo. Los CCD se han desarrollado para trabajos de fotografía y astronomía durante mucho más tiempo y en la actualidad son muy bajos en comparación. Recuerdo una cámara CCD diseñada en UC Santa Cruz para el Observatorio Lick con un Kodak CCD en aproximadamente 1988.
Los chips CCD también lograrán un estado estable o "pozos de electrones completos". El enfriamiento del sensor reduce significativamente el ruido y permite exposiciones de 20 o 30 minutos o incluso más de 1 hora en algunos casos. Muchos CCD tienen pozos de carga que están llenos con electrones de 48K o 65K y están limitados a datos en el rango de 12 a 16 bits, incluso si se pueden contar los electrones. Los astro fotógrafos agregarán varias imágenes juntas para obtener un mayor rango dinámico.
Enfriar a -55C no es infrecuente para la astronomía y la espectroscopia. Usan refrigeradores Peltier que se han vuelto económicos debido al uso en PC para enfriar los chips de la CPU. El agua helada se hace circular a través del radiador del enfriador o se necesita un radiador de aire con aletas y los dispositivos Peltier apilados (y con frecuencia un pequeño ventilador) para obtener una diferencia de más de 20 o 30 grados entre el chip CCD y el aire ambiente. Visite los sitios web de Astronomy Magazine y Sky and Telescope para ver ejemplos de equipos y fotos.
Una Nikon D90 tiene una configuración de 20 segundos y si la reducción de ruido está desactivada, mostrará una sorprendente cantidad de estrellas y detalles del cielo nocturno. El mismo chip podría usarse para exposiciones de 20 minutos si se enfría.
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