Share
De fleste får kjennskap til hvordan man bruker ISO-karakterer i fotografiet, men hva er de? Hvor kommer disse tallene fra, og hva er forskjellen mellom ISO i film og digital? I denne opplæringen undersøker vi historikk og tekniske underlag av systemet. Hvis du noen gang har lurt på hva ISO betyr eller hvordan det fungerer, er dette for deg!
I fotografering betyr "ISO" standard målesystem for hvor mye lysfølsomhet en fotografisk film eller sensor har. Vi kan kontrollere ISO for å lage et bilde som er riktig eksponert: ikke for lys og ikke for mørkt.
ISO står for International Organization for Standardization, et globalt organ som arbeider for å standardisere alle typer produkter og prosesser for maksimal interoperabilitet og sikkerhet. I 1974 tok ISO de siste fremskrittene i det tyske DIN og American ASA (nå ANSI) -systemene og arbeidet dem til en enkelt universell standard for film: ISO-nummer. Når digitale sensorer kom ut, tok produsentene til slutt de samme standardnumrene.
De to foregående systemene, DIN og ASA, streknet tilbake til 1930-tallet og 40-tallet, hvorav ulike klassifiseringssystemer eksisterte sammen fra forskjellige produsenter og ingeniører.
Hva betyr tallene selv? Det er fire ISO-standarder, en hver for fargegjennomfilm, svart / hvit negativ film, fargebrytende (lysbilde) film og digitale sensorer. Disse er kalibrert slik at den effektive følsomheten er uavhengig av hvilken type film eller medium som er. Dette er veldig nyttig for praktiske formål mens du tar bilder, slik at fotografen blir mer og raskere, kontrollerer eksponeringen.
Imidlertid betyr forskjellene i emulsjon og tolkning av måleprosesser på tvers av produsenter, fabrikker og like partier, samt den inneboende variabiliteten av en kjemisk prosess, at selv med standardisering kan resultatene variere. I feltet har fotografer funnet at for noen filmer kan kameraer til litt forskjellige ISO-karakterer enn en bestemt films nominelle hastighet gi visse ønskelige resultater.
Filmhastighet er målt fra en "karakteristisk kurve", som beskriver filmens generelle toneytelse. Slik fungerer det:
Tonekurven er opprettet ved hjelp av en "sensitometrisk tablett", et spesielt glassstykke bestående av en nøyaktig kalibrert rekkevidde på 21 like store (svart-hvitt) nyanser av grå. Graderte nyanser av grå er utsatt for filmen. Etter behandling kan den eksaminerte eksponeringen av emulsjonen leses ved å bruke et kalibrert densitometer, en maskin som leser den faktiske filmens tetthet.
De 21 trinnene blir deretter målt nøyaktig, og når alle 21 trinnene er målt, plottes de på en graf i millilux-sekunder.
Denne grafen har ulike deler som forklarer ulike aspekter av hvordan filmen utføres, for eksempel tåke, gamma, kontrast osv. Den delen vi er interessert i for ISO-hastighetsklassen til filmen, er fra 0,1 tetthetsenheter over minimumstettheten, la oss ringe dette punktet x. Denne verdien er ikke særlig vitenskapelig, men er tradisjonelt akseptert som den minste forskjellen i tetthet som det gjennomsnittlige menneskelige øye kan skille fra.
Ligningen for filmhastighet (ja det er en) er hastighet = 800 \ over log ^ - 1 (x). Hvis eksponeringen måles i lux-sekunder i stedet for millilux-sekunder, blir dette: hastighet = 0.8 \ over log ^ - 1 (x) Merk at jeg skriver logg for base-10, ikke ln for naturlig logg (base-e).
Den viktige delen er at generelt, ettersom hastigheten dobler eller halverer, gjør også lysfølsomheten.
Film er laget av en suspensjon av sølvhalogenidkrystaller i et gelatinebindemiddel. Denne emulsjonen er fint lagdelt mange ganger sammen med noen farger for farge eller prosesseringsmidler på en celluloidbase, beskyttet på baksiden med fysiske håndteringsbelegg. Sølvhalogenidkrystallene er det faktiske fotoreaktive medium.
De er bare reaktive mot den blå enden av det synlige lysspekteret (dermed behovet for UV-filtre når de tar film), de er belagt eller impregnert under vekst med organiske forbindelser som sensibiliserer dem til det fullt synlige spektret.
Fotoner som rammer sølv, overfører energi til molekylet. Dette fører til at et elektron utløses fra en halogenidion i sølvhalogenidkrystallet. Dette kan bli fanget av en sølvion for å danne et elektrisk nøytral sølvatom.
Dette er imidlertid ikke stabilt. Flere fotoelektroner må være tilgjengelige i samme region for å danne flere sølvatomer for å få en stabil klynge av minst tre eller fire sølvatomer som skal dannes. Ellers kan de lett dekomponeres tilbake til sølvioner og frie elektroner. Flere sølvatomer kan danne så lenge fotoelektroner blir generert.
Etter eksponering, men før du har behandlet, har filmen din en latent bilde: ingen bilde eksisterer ennå, men hvis vi dunk det inn i riktig kjemikalier kan vi lage en.
Ved prosessering vil en atomklynger av rent sølv av den stabile størrelse I beskrevet ovenfor katalysere reaksjonen med utvikleren, som deretter dekomponerer hele krystallet til et metallisk sølvkorn som fremstår svart på grunn av sin størrelse og upolert overflate.
Fikseren retter deretter bildet ved å oppløse de resterende sølvhalogenidkrystallene, som deretter skylles bort (og forhåpentligvis lagres for resirkulering). Dette har vært det generelle grunnlaget for fotografering i over et århundre. Så hva har dette å gjøre med filmens følsomhet?
Svaret på det er egentlig ganske enkelt: sannsynlighet. Jo større sølvhalogenidkrystaller, jo mer sannsynlig er det at fotoner vil slå dem og bli absorbert. For å bruke en grunnleggende analogi, hvis du bøyer et stort sommerfuglnett gjennom en stor sommerfugl, vil du sannsynligvis få flere av dem enn med samme bølge gjennom samme sværme med et lite nett.
Større krystaller har større overflateareal mot linsen, og logisk er lysfølsomheten direkte korrelert med sannsynligheten for at lyset rammer overflaten.
Således har filmene som ISO 25, 50 og 100 svært fine korn for å redusere mengden lys som rammer dem, nyttig for å fange fine detaljer. Omvendt har svært raske filmer som ISO 1600 og 3200 relativt store korn for maksimal mulighet for å fange fotoner, derfor deres ekstremt kornete kvalitet.
Digitale kameraer, uten kjemisk prosess, kan ikke måles med samme metode som film. ISO-klassifiseringssystemet er imidlertid utformet for å være rimelig lik film med hensyn til faktisk lysfølsomhet. Teknisk sett er termen for digitale sensorer "Eksponeringsindeks" i stedet for "ISO", men fordi en ISO-standard dekker det, ser jeg ikke noe problem ved å bruke den mer tradisjonelle "ISO". Praktisk sett er det mest av verden som er enig.
I stedet for et minimum synlig eksponeringsnivå, har digitale sensorer sin følsomhet bestemt av eksponeringen som kreves for å produsere en forhåndsbestemt karakteristisk signalutgang. ISO-standarden for sensorfølsomhet, ISO 12232: 2006, omhandler fem mulige metoder for å bestemme sensorhastigheten, selv om bare to av dem regelmessig brukes.
Et kamerasensor består av en matrise av millioner mikroskopiske fotodioder, vanligvis dekket med mikrolinser for ekstra lysinnsamling og et Bayer mønsterfilter for å fange farge. Hver enkelt representerer en enkelt piksel.
En fotodiode kan kjøres i enten ikke-spenningsfotovoltaisk modus, hvor utgangsstrømmen er begrenset, og intern kapasitans maksimeres, noe som resulterer i en fotoelektronbygging på utgangen.
Den kan også kjøres i bakoverforspent fotokonduktiv modus, hvor fotoner absorbert i p-n-krysset slipper et fotoelektron som direkte bidrar til strømmen som strømmer gjennom dioden.
Kamera sensorer bruker sistnevnte da spenningen påføres motsatt forspenning, øker dioden både muligheten til å samle fotoner ved å utvide depleteringsområdet og reduserer sannsynligheten for rekombinasjon på grunn av den økte elektriske feltstyrken som trekker ladningsbærerne fra hverandre.
Plutselig mistet? La oss gå over driften av fotodiodene som utgjør sensoren i kameraet ditt.
På vanlig språk, når lyset rammer sensoren, spenner det materialet. Denne spenningen fører til at en liten elektrisk ladning strømmer fra en del av sensoren til en annen. Når det gjøres, kan vi måle det og slå det til et signal, som vi deretter kan gjøre til et bilde.
Her er det igjen i de tekniske detaljene:
En fotodiode er i hovedsak en vanlig halvlederdiode, en anordning som tillater strømmen av elektrisk strøm i en retning, med p-n-krysset utsatt for lys. Dette tillater fotoelektroner å påvirke den elektroniske driften av enheten, dvs. det gjør sensoren lysfølsom.
Et p-n-kryss er et stykke positivt dopet halvleder fusjonert med et stykke negativt dopet halvleder. Doping er infusjon av urenheter som donerer eller aksepterer elektroner for å endre tilgjengeligheten og polariteten av ladingen i en halvleder. Denne selektive håndtering av ladning er grunnlaget for all elektronikk.
Nær kryssingspunktet i halvlederen er elektronene på den negative dopede siden tiltrukket av, og har en tendens til å diffundere inn i den postive-dopede siden. Det er hull uten elektroner i halvledergitteret, noe som resulterer i en netto positiv ladning. Hullene behandles som positivt ladede partikler til generelle formål. Disse har også en tendens til å diffundere inn i den negative dopede siden.
Men når nok mobilladere (elektronene og hullene) har akkumulert i hver side, er det nok ladning der for å generere et elektrisk felt som har en tendens til å avstøte flere ladningsbærere fra diffusjon. En lading likevekt er nådd. Diffusjonsbærerne er lik de avstøpte bærerne i hver retning.
Dette likevektede området i nærheten av krysset er det som kalles en utarmingsområde, der det er en sky av elektroner på den positive dopede siden av krysset, og en sky av hull på den negative dopede siden. Bærerne har blitt utarmet fra sine opprinnelige posisjoner, og har skapt en ladningsforskjell, noe som resulterer i et elektrisk felt, dvs. innebygd spenningspotensial. Dette er grunnlaget for en diode. En fotodiode er egentlig den samme, men med et gjennomsiktig vindu for å tillate fotoner å treffe utarmingsområdet.
Omvendt forspenning av dioden utvider uttømningsområdet ved å overvinne den naturlige ladningsvektigheten i utarmingsområdet og sette inn en ny, hvor det medfødte elektriske felt må nå være sterkt nok til å motsette seg både tiltrekningen, diffusjonen og også det påførte elektriske felt. Dette krever selvsagt en større utarmingsregion som inneholder mer kostnad for å generere et sterkere felt.
Når en foton med tilstrekkelig energi treffer og blir absorbert av halvledergitteret, genererer det et elektronhullspar. En elektron får nok energi til å unnslippe gitterets atombinding og går bak et hull. Rekombinering kan skje umiddelbart, men i stor grad hva som skjer er at elektronen blir trukket i retning av den negative dopede regionen og hullet mot den postive dopede regionen.
Ofte kan de rekombinere med andre ladeledere i halvlederen, men ideelt, med optimalisert transittavstand fra fotositt til elektrodeoppsamleren (kort nok til å unngå rekombinasjon, men lang nok til å maksimere fotonabsorpsjon), vil bærerne nå elektroden og bidra til fotokurransen til utlesekretsen.
Lang historie kort, desto flere fotoner absorberes, jo flere ladningsbærere gjør det til elektrodene, og jo høyere nåværende utgang sendes til kameraets analog-til-digital-omformer. Jo høyere gjeldende, desto høyere eksponering blir mottatt og jo lysere piksel.
Som jeg nevnte ovenfor, måles ISO ofte ved bruk av eksponeringen som kreves for å mette fotosites. Jeg fortalte nettopp hva photosites er; depleteringsområdet i fotodiodene. Så hvordan blir de mettede? Vel, antall elektroner tilgjengelig for fotoner å spenge er ikke ubegrenset. Etter at en viss lys energi er absorbert, har halvlederen frigjort så mye ladning til elektrodene som mulig, og reagerer ikke lenger på ytterligere eksponering.
Fotografisk er dette fullbrønnskapasiteten, eller fremhever klippepunktet. Vanligvis produsenter misligholder sensorene sine sensorer for å beholde topprommet i høydepunktene, slik at det blir klart å gjenopprette RAW.
I henhold til ISO 12232 er ligningen for å definere metningsbasert hastighet S_ sat = 78 \ over H_ sat hvor H_ satt = L_ satt t. L_ sat er den nødvendige belysningsstyrken for en gitt eksponeringstid for å nå sensormetning. 78 er valgt slik at en 18% grå overflate vises nøyaktig 12,7% hvit.
Dette gjør det mulig å markere topprommet i den endelige vurderingen for spekulære høydepunkter for å rulle av naturlig og ikke som blokkerte prikker. Denne vurderingen er mest nyttig for studiofotografering hvor belysning er nøyaktig kontrollert og maksimal informasjon er nødvendig.
ISO definerer en annen vurderingstest som er mindre brukt, men er mer nyttig for virkelige scenarier, som er den støybaserte hastighetsprøven.
Dette er en ganske subjektiv test, da bildekvaliteten og testkriteriene er noe vilkårlig; Signal-til-støy (S / N) -forholdene som brukes er 40: 1 for "utmerket" IQ og 10: 1 for "akseptabel" IQ, basert på visning av en 180dpi-utskrift fra 25cm unna. S / N-forholdet er definert som standardavviket til et veid gjennomsnitt av luminans- og krominansverdiene for flere individuelle piksler i rammen.
Standardavvik er en måte å matematisk utlede variasjonen i verdier i samlet data fra gjennomsnittlig eller forventet verdi. Det er summen av alle forskjellene kvadrert, dividert med antall datapunkter i settet, kvadratrøddet. I hovedsak, et gjennomsnitt av avvikene.
Fotografisk, hva betyr dette at testpikslene er gjennomsnittet ut for å finne "forventet" verdi av lyssignalet. Deretter definerer standardavviket hvor langt unna de enkelte testpikslene pleier å være fra dette gjennomsnittet. Forutsatt at pikslene er relativt ensartede i verdi, er denne avviket fra gjennomsnittet støy, enten fra sensoren eller behandlingselektronikken.
Forholdet mellom gjennomsnittsverdien (signal) og standardavviket (støy) er S / N-forholdet. Jo høyere dette forholdet er, desto mindre er det i signalet. For eksempel, for den "utmerkede" bildekvalitetsstandarden på 40: 1 betyr dette at i gjennomsnitt for hver 40 bit av bildesignal er det bare en av støy. Den store forskjellen mellom bildet og støyen er det som skaper det rene bildet.
Støy kan innføres på flere måter: metning / mørk strøm over fotodiodene, tilfeldige termisk frigjorte elektroner i fotodiodene eller behandlingselektronikk (termisk støy), ladning av bærerbevegelser over fotodiodens depletjonsområde (skuddstøy) og ufullkommenheter i krystallstruktur eller forurensninger som resulterer i tilfeldig fangst og utgivelse av elektroner (flimmerlyd).
Økningen i støy fra å øke ISO-innstillingen på kameraet er et resultat av å øke forsterkningen av forsterkerne mellom sensoren og A / D-omformeren. S / N-forholdet er nødvendigvis redusert, for å gi en "riktig" eksponering med høy forsterkning, må det være mindre eksponering. Mindre eksponering betyr mindre signal, og dermed relativt større lyd som en brøkdel av det reduserte nivået.
Et enkelt matematisk eksempel; si ved ISO 100, oppnås en korrekt eksponering ved å fylle en bestemt piksel til 80% brønnkapasitet, og dens S / N-forhold er 40: 1, så +/- 2% av gjeldende utlasting er støyinducert. Økningen av ISO til 800 betyr at forsterkerne øker signalet med 8x, og dermed blir den riktige eksponeringen nådd med bare 10% brønnkapasitet. Lydnivået på +/- 2% forblir imidlertid omtrent det samme og forsterkes rett sammen med signalnivået. Nå har 40: 1 S / N-forholdet blitt et forhold på 5: 1, og bildet er ubrukelig.
Du kan se hvorfor det er viktig å skyte med så mye eksponering og så lite forsterkning som mulig. Kretskort og sensorteknologi, samt dekoiseralgoritmer, forbedrer stadig; bare tenk på forskjellen mellom et ISO 800-skudd fra 2008 og en ISO 800-skudd fra i dag. Flertallet av bildene er også nå sett på relativt små størrelser på nettet, og resizing reduserer også støy.
For store format utskriftsformål, skjønt, kan du se hvorfor det er viktig å skyte med mye lys og på basis ISO. Derfor er også maksimal "eksponere til høyre", noe som betyr at bildet får så lyst som mulig på histogrammet uten å klippe høydepunktene. Ikke bare gjør det maksimere mengden lyssignal i forhold til det rimelige støynivået til bildelektronikken, men måten dataene digitaliseres på, betyr at mer informasjon kan lagres i høydepunktene enn i skyggene.
Det handler om det, tror jeg. Jeg håper denne artikkelen var interessant, muligens til og med, til noen av dere, og at du ikke ble for fortapt i teknisk tilstanden i solid-state fysikk!
Kommentarer? Spørsmål? Slå opp kommentarene nedenfor!
Accentsconagua