为什么数码相机根本需要曝光时间？

根据我对数码相机的了解，它们基本上是一个镜头，再加上一个由数百万个光电二极管组成的微小二维阵列。从我对光电二极管的了解来看，它们在光照下会产生电压，而高强度的光照会立即产生更高的电压。

但是，如果这一切都是真的，那么就不需要在数码相机中进行曝光：可以读取各个电压，并且（假设我们的电压读取器足够灵敏并且电噪声可以忽略不计），我们将获得精确的图像尽可能几乎立即。

但是，这不会发生。那么我的理解在哪里不正确？而且是没有任何工作，这样的数码相机？

^{很抱歉，如果这更适合电子产品 -SE，但我觉得这个问题对这个观众来说会更有趣。}

我是从电子学来的，所以我将为您提供的一些答案中添加一些电子学/半导体物理背景。

我认为您的主要误解是光电二极管不会对光产生电压，而是会产生电流。每个撞击光电二极管的光子都会在设备内部产生一个移动电子（实际上是一个“电子-空穴对”，但是如果您希望获得如此详细的信息，则最好将问题转移到EE.SE上）。数百万个电子共同构成可测量的电流。最终，当使用此电流为电容器充电时，您将获得可测量的电压，该电压可被感测或记录以在图像中形成像素。

这就是为什么如cmason所述，传感器需要一些时间来填充每个“桶”，并且正如mattdm所说，蓄能器要填充到可以测量的点以形成图像需要一些时间。

数码相机试图做到这一点，只是因为噪音而没有。这样的相机可以被描述为具有任意高的ISO，因此可以在任意短的快门速度下获得正确的曝光。

用大型光电二极管制作低分辨率的大幅面可能是一个有趣的项目。

我还认为，将来“多重曝光”系统将集成到传感器中-在曝光期间记录传感器值，但保持快门打开，以获取更多的黑色细节。

以下是对现代数码单反相机的像素在室内照明曝光期间捕获的能量的粗略计算：

沃伦·玛斯（Warren Mars）的“光子行为”网站提供了一张表，列出了在各种光照条件下（1/60秒的曝光）入射到各种大小的像素上的光子数量。

甜菜中列出的最小像素为70µm²像素，是D7000的三倍；在D7000的成像器具有4.78μm的像素大小

在“客厅光线”下，D7000的每个像素的光子值约为110000。

红色光子的能量约为1.6 * 10E-19J。可以看出，每个像素的能量约为10E-14J。实际上，要测量的能量非常少。

有关更多信息（和图像来源）：http : //www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

还应该注意的是，从根本上讲，零秒曝光的相机是不可能的，因为它不会让光子有时间撞击表面。假设我们创建了一个光子计数相机，该相机可以提供100％准确的命中每个像素的光子零噪声计数​​。为了获得10位图像，最亮的像素需要1024个光子。在室内照明下（使用D7000的像素间距），每秒有200万个光子撞击每个像素。将200万个光子除以亮度级数（1024），我们得到的理论最大帧速率为每秒1950帧。1/1950是在室内照明下10位图像的最小可能曝光时间。

较亮的光会立即引起较高的电压，但不会很高。这是关键部分。如果要获得看起来像眼睛期望的图像，则需要放大信号（增加高和低之间的差异，由于噪声而导致正确和不正确），或者需要阅读更长的时间，从而增加实际样本。后者就是数码相机中使用的传感器的功能。

每个光站点不仅是一个光敏光电二极管，还包含一个称为“阱”的累加器。随着光电二极管继续产生电压（由于暴露在光线下），蓄电池就会充满。如果照射到特定位置的光线明亮，则该光线会很快填充。如果光线昏暗，则缓慢填充。曝光完成后，将对孔的液位进行采样并转换为数字值。

当然，在强光下，有很多数据，因此短暂的曝光可以绘制出准确的图像（如果您可以避免措辞的转折）。但是，在弱光下，测量的能量并不多。如果您只是进行快速采样，读取传感器产生的噪声和其他不可避免的现实世界随机性将导致像更饱满和更空的感光站点之间的“合法”差异一样大的变化，并且无法分辨哪个是哪个。

当您拍摄曝光不足的图像并尝试在软件中加速放大时，会发生这种情况：噪点，噪点，噪点，甚至可能只是黑度。而且任何瞬时读取（没有累加器）都将没有足够的数据来使用。

就这么简单，真的。事实证明，现代传感器是在这个优于化学成膜法：这就是为什么我们可以有25K以上看似疯狂的ISO值。它们能够进行足够精细的测量，从而可以进行大量放大而不会使噪声变得压倒一切。不过，从根本上说，与神奇的即时读取设备相比，我们仍然处在同一水平。

最简单的答案是光是基于粒子的，由光子组成。数字传感器不是单个光子触发器，而是要测量的桶。我相信这就是您的困惑：传感器不是二进制的，也不是对单个光子敏感的：光子不会“打开”传感器的光站点。取而代之的是，测量的是水桶有多满。必须留出足够的时间来正确填充存储桶，否则将不会记录图像。

明亮的场景会发射更多和更高能量的光子，从而更快地填充铲斗。装满水桶会使图像过度曝光，丢失细节或“冲洗掉”图像。为了防止这种冲洗，您只需缩短收集光子的时间。