Данная статья является продолжением и развитием идей, изложенных в статье "Шумел фотон".

Когда идет разговор о чувствительности приборов, регистрирующих изображения, и о качестве полученных изображений, следует понимать, какие изображениями мы должны регистрировать и, что мы хотим разглядеть.

Не претендуя на полноту списка, можно выделить следующие задачи регистрации изображения:

Успешное решение каждой из этих задач, как первой задачи, имеющей скорее художественный смысл (получение красивой фотографии для глянцевого журнала), так и остальных ("лишь бы увидеть"), исходно определяется интенсивностью освещения (светимостью) объекта съемки и, как ни странно, квантовой природой света.

Возьмем в качестве примера фрагмент телевизионной испытательной таблицы (см. Рис 1) и, путем математического моделирования, будем наблюдать изменение изображения при увеличении освещенности (см. Таблицу 1).

Рис 1. Исходное изображение испытательной таблицы

Для начала оговорим, что нас интересует не сама освещенность, а количество зарегистрированных фотонов в ячейке регистратора. При этом, объективной оценкой качества изображения служит отношение сигнал/шум (с/ш), определяемое как средне-квадратичное отклонение (СКО) числа электронов (зарегистрированных фотонов) в одинаково освещенных ячейках, отнесенное к их математическому ожиданию.

Кванты света - фотоны распределяются в пространстве и во времени случайным образом, поэтому их число, накопленное в каждой ячейке регистратора, может быть определено со средним квадратичным отклонением от ожидаемого значения, равным квадратному корню из их числа (статистика Пуассона). Поэтому получаемые изображения каждый раз разные и это воспринимается как шум изображения, каковым он по сути и является.

Кроме того, свой вклад в общий шум изображения вносит и устройство его регистрации. Такой шум - шум считывания - обусловлен схемотехникой самой матрицы и схемотехникой камеры. Производители CCD матриц обычно указывают шум считывания в количестве электронов. Эта мера удобна, потому что сама ПЗС матрица работает с пакетами зарядов, состоящих из электронов.

Таким образом, как в отношении единицы сигнала, так и в отношении единицы шума мы оперируем минимальными физическими величинами - фотоном и электроном.

Левая колонка в таблице - это изображения при различных уровнях освещенности и отсутствии шума считывания, а все остальные - это изображения при тех же уровнях освещенности с различными шумами считывания. Можно сказать, что левая колонка - это идеальный случай, который, если и можно достигнуть, то превзойти уже в принципе невозможно, так как всё дальнейшее упирается в квантовую природу света.

Таблица 1
(изображения уменьшены для удобства просмотра. полноразмерный вариант таблицы - здесь)

Совершенно очевидно, что при небольших уровнях освещенности наибольший вклад в шум изображения вносится шумом считывания. Этот шум определяет минимально возможный уровень освещенности, при котором изображение различимо.

При рассмотрении примеров изображений, представленных в Таблице1, видно, что при увеличении освещенности наступает такой момент, когда наибольший вклад в общий шум вносится "квантовым шумом фотонов".

Имеем идеальный "усилитель света", для определенности, назовем его Электронно-Оптическим-Преобразователем (ЭОП). На его вход (фотокатод) проектируется некоторое изображение. ЭОП преобразует поток падающих на фотокатод фотонов в поток электронов, которые затем разгоняются в электрическом поле и при соударении с анодом (выходом) генерируют, скажем, в сто раз больше вторичных фотонов.

Теперь вопрос - во сколько раз улучшится изображение в данной оптической системе (возрастет отношение с/ш)?

Ответ: Раз мы усилили изображение в сто раз, значит и отношение с/ш увеличится тоже в сто раз, ведь сказано, что прибор идеальный.

На самом деле ответ на этот вопрос уже был (2). Все дело в том, что человеческий глаз имеет слишком маленький зрачок, по сравнению со зрачком прибора ночного видения. Поэтому, во-первых, и это самое главное, прибор ночного видения захватывает существенно большее количество фотонов и, во-вторых, с помощью оптических устройств прибор ночного видения обеспечивает максимально эффективный перенос вторичных фотонов через маленький зрачок в глаз наблюдателя, компенсируя своим усилением потери переноса и порог чувствительности глаза.

Для наблюдения слабых изображений важно "собрать на регистраторе" и "не утопить" в шумах как можно больше штук фотонов, а для получения хороших изображений - зарегистрированных фотонов должно быть так много, что их уже вовсе не надо считать штуками.