Quanteneffizienz, Photonenfluss und High-ISO, wo ist das Limit?

[Frank Klemm]

 

[Markus42]

Wie sieht's eigentlich mit der Quanteneffizienz aus? Die hat sich bei Canon von der Canon 5D Mark II zur Mark III von 33% auf 46% verbessert. Es tut sich also noch was. Gibts da Hoffnung auf (annähernd) 100% oder gibts da irgendwelche Gründe die prinzipiell dagegen sprechen?

Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenausbeute sagt "Die Quantenausbeute von einkristallinen Fotodioden kann 90 % erreichen". Gilt das auch für die typischen Bildsensoren?

 

[whr_]

die Hoffnung das aus mathematischer Ecke die ein oder andere Blendenstufe kommt

Was nicht da ist, kannst Du auch nicht herbeirechnen.

Rauschunterdrückung geht ja nun mit genug Rechenleistung (PC) schon recht gut, mit mehr Rechenleistung in der Kamera dort auch besser. Wunder (LWs) erwarte ich da keine.

oder man noch etwas mehr Dynamik retten kann (z.B. indem man geschickt umliegende Pixel involviert).

Für die Dynamik gibt es keine naheliegende physikalische Grenze, die kann (nach oben, nicht nach unten) bessere Elektronik künftig erweitern. Im Idealfall haben sich einstellbare ISO-Stufen irgendwann erledigt.

Wie sieht's eigentlich mit der Quanteneffizienz aus? Die hat sich bei Canon von der Canon 5D Mark II zur Mark III von 33% auf 46% verbessert. Es tut sich also noch was. Gibts da Hoffnung auf (annähernd) 100% oder gibts da irgendwelche Gründe die prinzipiell dagegen sprechen?

Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenausbeute sagt "Die Quantenausbeute von einkristallinen Fotodioden kann 90 % erreichen". Gilt das auch für die typischen Bildsensoren?

Im Prinzip ja, wenigstens auf großen Flächen. Solarzellen schaffen das bei ihrer optimierten Wellenlänge.

Es gibt (monochrome) CCD-Bildsensoren, die im roten Spektralbereich auf 80% kommen.
http://www.astrosurf.com/buil/50d/test.htm

Das ist der (externe) Pixel-Quantenwirkunsgrad - also gezählt, wie viele Photoelektronen pro Photonen, die (mit der jeweiligen Wellenlänge/Farbe) die ganze Fläche des Pixels beleuchten. Dabei sind Verluste durch Füllfaktor, Filterschichte, Restreflexion am Si mit drin.

Der auch noch angegebene geometrische Quantenwirkungsgrad berücksichtigt darüber hinaus das Bayer-Pattern, zählt also Photoelektronen/Photonen in der ganzen Sensorfläche.

 

[Stempel]

Vielleicht solltest du aufhören, anderen schlechtes Lesen zu unterstellen, nur weil du etwas nicht verstehst. Ein Farbfilter vor dem Sensor misst gar nichts, sondern selektiert aus der Menge der Werte die für den jeweiligen Rezeptor validen. Das kann dein Voltmeter im Nachhinein über der gesamten Menge nicht.

Dann sag mir mal bitte, was am Farbfilter als physikalischem Messgerät zur Messung von Wellenlänge oder Frequanz fehlt. Selektion hört sich so rassistisch an.

 

[Gast_338619]

Der Farbfilter trifft keine quantitative Aussage. Wir können uns aber gern darauf einigen, dass er eine die Messung am Sensor beeinflussende Funktion ist. Hört sich dann auch nicht rassistisch an.

 

[Stempel]

Der Farbfilter trifft keine quantitative Aussage. Wir können uns aber gern darauf einigen, dass er eine die Messung am Sensor beeinflussende Funktion ist. Hört sich dann auch nicht rassistisch an.

Der Farbfilter trifft sehr wohl eine quantitative Aussage. Photonen der vorher (Design Farbfilter) festgelegten Wellenlängen gehen durch, andere werden absorbiert. Wie jedes andere Messgerät misst es also eine physikalische Größe (Wellenlänge) mit bestimmter Ungenauigkeit.

Dabei ist völlig unerheblich, wie groß die Ungenauigkeit ist. Für fotografische Zwecke scheint das RGB Raster wahrscheinlich sogar mit Lücken und Überlappungen im Spektrum völlig zu genügen

 

[Gast_338619]

Der Farbfilter trifft sehr wohl eine quantitative Aussage.

Nein. Selbst wenn du seine Wirkung als "Aussage" definieren magst, ist sie auf jeden Fall nicht quantitativ. Ergo keine Messung.

Meine eigentliche Aussage - um von den Wortklaubereien mal wieder weg zu kommen - war vor allem aber:

Das kann dein Voltmeter im Nachhinein über der gesamten Menge nicht.

 

[Stempel]

Das Voltmeter misst die kinetische Energie der freigeschlagenen Ladungsträger. Diese kinetische Energie ist indirekt ein Mass für die Wellenlänge des Photons, welches eben diesen Ladungsträger freigeschlagen hat. Wo ist das Problem - außer bei der technischen Machbarkeit, die ich nicht mitdiskutieren kann?

 

[Gast_338619]

Setzen wir mal:
n = Anzahl Photonen, e = Gesamtenergie.
Nehmen wir an:
Einzelenergie rot: 1, grün: 2, blau: 3
Beispiel:
n = 2, e = 4.
Sind nun 2 grüne Photonen eingetroffen oder ein rotes und ein blaues?

-> Das Voltmeter hilft dir hinterher gar nichts mehr.

 

[Stempel]

Die Zahl der Photonen bestimmt bereits das bisher verwendete Amperemeter. Das Voltmeter bestimmt die Energie der Photonen. Anzahl und Energie sind zwei unterschiedliche physikalische Größen.

 

[tabbycat]

Die Zahl der Photonen bestimmt bereits das bisher verwendete Amperemeter. Das Voltmeter bestimmt die Energie der Photonen. Anzahl und Energie sind zwei unterschiedliche physikalische Größen.

Steht ja auch so da, nur hätten in dem Beispiel die 2 Elektronen die gleiche kinetische Energie unabhängig ob es zwei grüne oder 1 blaues und 1 rotes waren. Darum geht es doch schon die ganze Zeit.

mfg tc

 

[Gast_338619]

Anzahl und Energie sind zwei unterschiedliche physikalische Größen.

Richtig. Hältst du mich für bescheuert?

Steht ja auch so da, nur hätten in dem Beispiel die 2 Elektronen die gleiche kinetische Energie unabhängig ob es zwei grüne oder 1 blaues und 1 rotes waren. Darum geht es doch schon die ganze Zeit.

Genau das. Danke.

 

[Stempel]

Das "blaue" Photon hat immer mehr Energie als das "grüne", welches wiederum mehr Energie hat als das "rote". Bei den Photonen ist nämlich die Energie umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Die Antwort auf Deine Frage, ob Du bescheuert bist, überlassen wir besser dem Publikum.

 

[talpi]

Das "blaue" Photon hat immer mehr Energie als das "grüne", welches wiederum mehr Energie hat als das "rote". Bei den Photonen ist nämlich die Energie umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Hm, was glaubst Du wohl, wie die Aussage des Draussenschläfers (qualitativ) zu werten ist..?

Nehmen wir an:
Einzelenergie rot: 1, grün: 2, blau: 3

Die Antwort auf Deine Frage, ob Du bescheuert bist, überlassen wir besser dem Publikum.

Meine Antwort darauf (als Teil des Publikums): Du tust gut daran die Beiträge dazu nochmal in Ruhe durchzulesen und solange den Stempel etwas abkühlen zu lassen..

 

[Stempel]

Setzen wir mal:
n = Anzahl Photonen, e = Gesamtenergie.
Nehmen wir an:
Einzelenergie rot: 1, grün: 2, blau: 3
Beispiel:
n = 2, e = 4.
Sind nun 2 grüne Photonen eingetroffen oder ein rotes und ein blaues?

-> Das Voltmeter hilft dir hinterher gar nichts mehr.

Das Voltmeter misst die Einzelenergien. Es trennt daher genau so wie das Farbfilter vor dem Sensor.

 

[Nightshot]

Das Voltmeter misst die Einzelenergien.

Das Prinzip wird in der Gammaspektroskopie ja schon lange angewandt, bei den Energie ärmeren sichtbaren Photonen geht das bisher noch nicht so. Aber wollen wir ein Spektrometer bauen oder einen Fotoapparat?

 

[Frank Klemm]

Das Prinzip wird in der Gammaspektroskopie ja schon lange angewandt, bei den Energie ärmeren sichtbaren Photonen geht das bisher noch nicht so.

Prinzipiell funktioniert dieses Verfahren erst dann, wenn das Photon zwei (oder mehr) Elektronen aus dem Valenzband befreien kann. Für Si wird die Wahrscheinlichkeit, daß das passieren kann, erst unterhalb 550 nm größer als Null. Erst im DUV wird der Effekt meßbar.
Um das genauer auszurechnen und Streuquerschnitte auszurechnen, muß man sich der Compton-Streuung bedienen (entdeckt 1922).

Allerdings erhöht dieser Effekt das Quanten-Rauschen des Lichts, daher ist er unerwünscht.
Man bekommt neben dem Poissonrauschen noch ein zusätzliches Verstärkungsrauschen (genau das gleiche Problem des Amplifiers von emCCDs).

Man bekommt zwar QE > 100%, aber mehr Rauschen als wenn man auf solche Effekte verzichtet. Interessant sind solche Mehrphotoneneffekte nur für die Lichterzeugung (Leuchtstoffe, die z.B. aus 1 Quant mit 254 nm => 2 Quanten mit ~610 nm).

 

[Frank Klemm]

Die Zahl der Photonen bestimmt bereits das bisher verwendete Amperemeter. Das Voltmeter bestimmt die Energie der Photonen. Anzahl und Energie sind zwei unterschiedliche physikalische Größen.

Bei der Absorption von Licht werden Elektronen befreit.
Es weiß im Augenblick seiner Absorption schon nicht mehr, wer es befreit hat.
Es bedankt sich einfach für die Befreiung und entzieht dem Photon die dafür notwendige Energie.
Die Restenergie kann entweder (bei Licht meistens) in ein Phonon oder in ein energieärmeres Photon (dominierend ab 100 keV) umgewandelt.

Der Detektor speichert eine Ladungsmenge (Charge Q=ne), die erzeugt bei einer Entladung in eine definierten Zeit einen bestimmten elektrischen Strom (I=dQ/dt).
Ein IU-Konverter erzeugt daraus eine Spannung (U=R*I). Man erhält aus jedem Detektor eine Ausgangsgröße, die keinerlei Information über die Wellenlänge enthält. Farbe entsteht erst durch Diskriminierung mehrerer Detektoren, die unterschiedliche Spektralbereiche erhalten.

 

[Gast_338619]

Das "blaue" Photon hat immer mehr Energie als das "grüne", welches wiederum mehr Energie hat als das "rote". Bei den Photonen ist nämlich die Energie umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Ach.
Wie war das mit dem Lesen? Tip: talpi (und wohl auch genug andere) hat's verstanden:

Hm, was glaubst Du wohl, wie die Aussage des Draussenschläfers (qualitativ) zu werten ist..?
Zitat ********: Nehmen wir an: Einzelenergie rot: 1, grün: 2, blau: 3

Danke.

Die Antwort auf Deine Frage, ob Du bescheuert bist, überlassen wir besser dem Publikum.

Ich hab dich auch lieb. Ganz doll. Versprochen.

@Frank Klemm: Danke auch dir für die technischen Daten.

 

[Gast_338619]

Das Voltmeter misst die Einzelenergien. Es trennt daher genau so wie das Farbfilter vor dem Sensor.

Wir hatten über hinterher gesprochen - steht auch in deinem Quote meines Posts. Warum das hinterher nichts bringt, hat Frank Klemm noch mal (besser) erklärt. Warum das zum Zeitpunkt des Eintreffens nicht so wirklich hinhaut, ebenso.