Share
De meeste mensen zien de essentie van het gebruik van ISO-waarderingen in hun fotografie, maar wat zijn ze? Waar komen deze nummers vandaan, en wat is het verschil tussen ISO in film en digitaal? In deze zelfstudie verkennen we de geschiedenis en technische onderbouwing van het systeem. Als je je ooit hebt afgevraagd wat ISO betekent of hoe het werkt, is dit iets voor jou!
In fotografie betekent "ISO" het standaard meetsysteem voor hoeveel lichtgevoeligheid een fotografische film of sensor heeft. We kunnen de ISO regelen om een beeld te creëren dat correct wordt belicht: niet te licht en niet te donker.
ISO staat voor de International Organization for Standardization, een wereldwijd orgaan dat zich inzet voor het standaardiseren van allerlei producten en processen voor maximale interoperabiliteit en veiligheid. In 1974 nam de ISO de meest recente vooruitgang in de Duitse DIN en Amerikaanse ASA (nu ANSI) -systemen en verwerkte deze tot één universele standaard voor film: ISO-nummers. Toen digitale sensoren uitkwamen, namen fabrikanten uiteindelijk dezelfde standaardnummers aan.
De vorige twee systemen, DIN en ASA, strekten zich uit tot de jaren 1930 en de jaren 40, waarna verschillende classificatiesystemen naast elkaar bestonden van verschillende fabrikanten en ingenieurs..
Wat betekenen de cijfers zelf? Er zijn vier ISO-normen, één voor kleurennegatiefilm, zwart-witnegatief film, kleuromkeer (dia) film en digitale sensoren. Deze zijn zodanig gekalibreerd dat ongeacht het soort film of medium, de effectieve gevoeligheid hetzelfde is. Dit is erg handig voor praktische doeleinden tijdens het fotograferen, omdat het de fotograaf meer, en sneller, controle over de belichting geeft.
De verschillen in emulsie en interpretaties van meetprocessen tussen fabrikanten, fabrieken en zelfs batches, evenals de inherente variabiliteit van een chemisch proces, betekent echter dat, zelfs met standaardisatie, de resultaten kunnen variëren. In het veld hebben fotografen ontdekt dat voor sommige films het instellen van camera's op iets andere ISO-waarden dan de nominale snelheid van een bepaalde film bepaalde gewenste resultaten kan geven.
De filmsnelheid wordt gemeten aan de hand van een "karakteristieke curve", die de algemene tonale prestaties van een film beschrijft. Dit is hoe het werkt:
De tonale curve wordt gemaakt met behulp van een "sensitometrische tablet", een speciaal stuk glas dat bestaat uit een nauwkeurig gekalibreerde reeks van 21 gelijkmatige (van zwart naar wit) grijstinten. De gegradueerde grijstinten worden op de film belicht. Na verwerking kan de gegradueerde blootstelling van de emulsie worden gelezen met behulp van een gekalibreerde densitometer, een machine die de werkelijke dichtheid van de film afleest..
De 21 stappen worden vervolgens nauwkeurig gemeten en als alle 21 stappen zijn gemeten, worden ze in millilux-seconden op een grafiek uitgezet.
Deze grafiek heeft verschillende delen die verschillende aspecten van de uitgevoerde film verklaren, zoals fogging, gamma, contrast, etc. Het deel waarin we geïnteresseerd zijn voor de ISO-snelheidsclassificatie van de film is van 0,1 dichtheideenheden boven de minimale dichtheid, laten we dit punt noemen X. Deze waarde is niet bijzonder wetenschappelijk, maar wordt traditioneel geaccepteerd als het minimale verschil in dichtheid dat het gemiddelde menselijk oog kan onderscheiden.
De vergelijking voor filmsnelheid (ja, er is er een) is snelheid = 800 \ over log ^ - 1 (x). Als de belichting wordt gemeten in lux-seconden in plaats van millilux-seconden, wordt dit: snelheid = 0.8 \ over log ^ - 1 (x) Merk op dat ik een log schrijf voor base-10, niet ln voor natuurlijke log (basis-e).
Het belangrijkste is dat, over het algemeen, als de snelheid verdubbelt of helften, dat geldt ook voor de gevoeligheid voor licht.
Film is gemaakt van een suspensie van zilverhalogenidekristallen in een gelatine-bindmiddel. Deze emulsie is vele malen fijn gelaagd samen met alle kleurstoffen voor kleur of verwerkingsmiddelen op een celluloidbasis, beschermd op de achterzijde met fysische behandelingscoatings. De zilverhalogenidekristallen zijn het eigenlijke fotoreactieve medium.
Ze reageren alleen op het blauwe uiteinde van het zichtbare lichtspectrum (vandaar de noodzaak van UV-filters bij het fotograferen van film), ze zijn gecoat of geïmpregneerd tijdens de groei met organische verbindingen die ze sensibiliseren voor het volledige zichtbare spectrum.
Fotonen die het zilver raken, geven hun energie door aan het molecuul. Dit veroorzaakt dat een elektron wordt uitgeworpen uit een halogenide-ion in het zilverhalogenidekristal. Dit kan worden opgesloten door een zilverion om een elektrisch neutraal zilveratoom te vormen.
Dit is echter niet stabiel. Er moeten meer foto-elektronen beschikbaar zijn in dezelfde regio om meer zilveratomen te vormen, zodat een stabiel cluster van ten minste drie of vier zilveratomen kan worden gevormd. Anders kunnen ze gemakkelijk weer ontbinden in zilverionen en vrije elektronen. Er kunnen meer zilveratomen worden gevormd zolang er foto-elektronen worden gegenereerd.
Na de belichting, maar vóór de verwerking, heeft je film een latent afbeelding: er bestaat nog geen beeld, maar als we het in de juiste chemicaliën dompelen, kunnen we er een maken.
Bij de verwerking zal een atoomcluster van puur zilver met de stabiele grootte die ik hierboven heb beschreven de reactie met de ontwikkelaar katalyseren, die vervolgens het hele kristal in een zilverachtige zilverkorrel ontbindt, die vanwege zijn grootte en ongepolijste oppervlak zwart lijkt..
De fixer repareert vervolgens het beeld door de resterende zilverhalogenidezoutkristallen op te lossen, die vervolgens worden weggespoeld (en hopelijk worden opgeslagen voor recycling). Dit is al meer dan een eeuw de algemene basis van fotografie. Dus wat heeft dit te maken met de gevoeligheid van film?
Het antwoord daarop is eigenlijk vrij simpel: waarschijnlijkheid. Hoe groter de zilverhalogenidekristallen, hoe waarschijnlijker het is dat fotonen ze raken en worden opgenomen. Om een eenvoudige analogie te gebruiken, als je een groot vlindernet door een grote zwerm vlinders zwaait, vang je waarschijnlijk meer van hen dan met dezelfde golf door dezelfde zwerm met een klein net.
Grotere kristallen hebben een groter oppervlaktegebied tegenover de lens en logisch gezien correleert de lichtgevoeligheid rechtstreeks met de kans dat licht op het oppervlak valt.
Langzame films zoals ISO 25, 50 en 100 hebben dus hele fijne korrels om de hoeveelheid licht die ze raakt te verminderen, handig voor het vastleggen van fijne details. Omgekeerd hebben zeer snelle films zoals ISO 1600 en 3200 relatief grote korrels voor de grootst mogelijke kans om fotonen op te vangen, vandaar hun extreem korrelige kwaliteit.
Digitale camera's zonder chemisch proces kunnen niet op dezelfde manier als film worden gemeten. Het ISO-waarderingssysteem is echter ontworpen om redelijk vergelijkbaar te zijn met film in termen van werkelijke lichtgevoeligheid. Technisch gezien is de term voor digitale sensoren "Belichtingsindex" in plaats van "ISO", maar omdat er een ISO-norm voor is, zie ik geen probleem met de meer traditionele "ISO". Praktisch gezien is het grootste deel van de wereld het daarmee eens.
In plaats van een minimaal zichtbaar belichtingsniveau, hebben digitale sensoren hun gevoeligheid bepaald door de belichting die nodig is om een vooraf bepaalde karakteristieke signaaluitvoer te produceren. De ISO-norm voor sensorgevoeligheid, ISO 12232: 2006, heeft betrekking op vijf mogelijke methoden om de sensorsnelheid te bepalen, hoewel er slechts twee regelmatig worden gebruikt.
De sensor van een camera bestaat uit een matrix van miljoenen microscopische fotodioden, meestal bedekt met microlenzen voor extra lichtverzameling en een Bayer-patroonfilter om de kleur vast te leggen. Elk vertegenwoordigt een enkele pixel.
Een fotodiode kan in een nulvoltaïsche (geen aangelegde spanning) fotovoltaïsche modus worden gebruikt, waarbij de uitgangsstroom beperkt is en de interne capaciteit maximaal is, wat resulteert in een foto-elektronenopbouw op de uitgang.
Het kan ook worden uitgevoerd in omgekeerde vooringestelde (naar achteren draaien) fotogeleidende modus, waarbij fotonen die zijn geabsorbeerd in de p-n-overgang een foto-elektron vrijgeven dat rechtstreeks bijdraagt aan de stroom die door de diode vloeit.
Camerasensoren gebruiken de laatste, omdat de spanning die wordt toegepast om de diode in omgekeerde richting voor te stellen, beide het vermogen vergroot om fotonen te verzamelen door het uitputtingsgebied te vergroten en de waarschijnlijkheid van recombinatie vermindert vanwege de toegenomen elektrische veldsterkte die de ladingsdragers uit elkaar trekt.
Plots verloren? Laten we de werking van de fotodiodes bekijken die deel uitmaken van de sensor in uw camera.
In gewone taal, wanneer licht uw sensor raakt, prikkelt het het materiaal. Deze opwinding zorgt ervoor dat een kleine elektrische lading van het ene deel van de sensor naar het andere gaat. Als dat zo is, kunnen we dat meten en het in een signaal laten pulseren, dat we vervolgens in een afbeelding kunnen veranderen.
Hier is het opnieuw in de technische details:
Een fotodiode is in wezen een normale halfgeleiderdiode, een inrichting die de stroom van elektrische stroom in slechts één richting toestaat, waarbij de pn-overgang blootgesteld is aan licht. Hierdoor kunnen foto-elektronen invloed hebben op de elektronische werking van het apparaat, dwz. het maakt de sensor lichtgevoelig.
Een pn-overgang is een stuk positief gedoteerde halfgeleider gefuseerd met een stuk negatief gedoteerde halfgeleider. Doping is het toedienen van onzuiverheden die elektronen doneren of accepteren om de beschikbaarheid en polariteit van lading in een stuk halfgeleider te veranderen. Deze selectieve manipulatie van lading vormt de basis van alle elektronica.
Dichtbij het verbindingspunt in de halfgeleider, worden de elektronen aan de negatief-gedoteerde zijde aangetrokken door, en hebben de neiging te diffunderen in de postief gedoteerde zijde. Er zijn gaten zonder elektronen in het halfgeleiderrooster, wat resulteert in een netto positieve lading. Gaten worden behandeld als positief geladen deeltjes voor algemene doeleinden. Deze hebben eveneens de neiging zich in de met negatieve gedoteerde zijde te verspreiden.
Wanneer echter genoeg mobiele ladingsdragers (de elektronen en gaten) aan elke zijde zijn geaccumuleerd, is er daar voldoende lading om een elektrisch veld te genereren dat ertoe neigt meer ladingdragers te weerstaan om te diffunderen. Een ladingevenwicht wordt bereikt. De diffunderende dragers zijn gelijk aan de afgestoten dragers in elke richting.
Dit geëquilibreerde gebied nabij de kruising is wat een depletiegebied wordt genoemd, waar zich een wolk van elektronen bevindt op de positief gedoteerde zijde van de junctie en een wolk van gaten aan de negatief gedoteerde zijde. De dragers zijn uitgeput van hun oorspronkelijke posities en hebben een ladingsverschil gecreëerd, resulterend in een elektrisch veld, dat wil zeggen. ingebouwd voltagepotentieel. Dit is de basis voor een diode. Een fotodiode is in wezen hetzelfde, maar met een transparant venster om fotonen de uitputtingsregio te laten raken.
Het diaspanning van de diode verbreedt het depletiegebied door het natuurlijke ladingsevenwicht van het uitputtingsgebied te overwinnen en een nieuw in te stellen, waarbij het aangeboren elektrische veld nu sterk genoeg moet zijn om zowel de aantrekking, diffusie als ook het aangelegde elektrische veld tegen te werken. Dit vereist natuurlijk een groter uitputtingsgebied dat meer lading bevat om een sterker veld te genereren.
Wanneer een foton met voldoende energie raakt en wordt geabsorbeerd door het halfgeleiderrooster, genereert het een elektron-gatpaar. Een elektron krijgt voldoende energie om te ontsnappen aan de atomaire binding van het rooster en laat een gat achter. Recombinatie kan onmiddellijk plaatsvinden, maar grotendeels gebeurt er wat er gebeurt dat het elektron in de richting van het negatief gedoteerde gebied en het gat in de richting van het postief gedoteerde gebied wordt getrokken.
Vaak kunnen ze recombineren met andere ladingdragers in de halfgeleider, maar idealiter, met een geoptimaliseerde doorvoerafstand van de photosite naar de elektrode-collector (kort genoeg om recombinatie te voorkomen, maar lang genoeg om de fotonenabsorptie te maximaliseren) zullen de dragers de elektrode bereiken en bijdragen aan de fotostroom naar het uitleescircuit.
Kortom, hoe meer fotonen worden geabsorbeerd, hoe meer ladingsdragers de elektroden bereiken en hoe hoger de stroomuitlezing die naar de analoog-naar-digitaalomzetter van de camera wordt gestuurd. Hoe hoger de stroom, hoe hoger de belichting en hoe helderder de pixel.
Zoals ik hierboven al zei, wordt ISO vaak gemeten met behulp van de belichting die nodig is om de foto's te verzadigen. Ik heb net uitgelegd wat de foto's zijn; het uitputtingsgebied binnen de fotodiodes. Dus hoe raken ze verzadigd? Welnu, het aantal elektronen dat beschikbaar is om fotonen te exciteren, is niet onbeperkt. Nadat een bepaalde hoeveelheid lichtenergie is geabsorbeerd, heeft de halfgeleider zo veel mogelijk lading naar de elektroden vrijgegeven en niet langer reageert op verdere blootstelling.
Op fotografisch gebied is dit het knippunt met volledige putcapaciteit of markering. Doorgaans beoordelen fabrikanten hun sensoren opzettelijk verkeerd, om de headroom in de highlights te behouden, waardoor herstel in RAW mogelijk wordt.
Volgens ISO 12232 is de vergelijking om op saturatie gebaseerde snelheid te definiëren S_ sat = 78 \ over H_ sat waar H_ sat = L_ sat t. L_ zat is de vereiste verlichtingssterkte voor een gegeven blootstellingstijd om de verzadiging van de sensor te bereiken. De 78 is zodanig gekozen dat een grijs oppervlak van 18% precies 12,7% wit zal zijn.
Hierdoor is highlight-hoofdruimte in de definitieve beoordeling voor spiegelende hooglichten op natuurlijke wijze wegrolbaar en niet als blokkerige punten. Deze classificatie is vooral handig voor studiofotografie, waarbij de belichting nauwkeurig wordt geregeld en maximale informatie vereist is.
De ISO definieert een andere waardetest die minder vaak wordt gebruikt, maar is nuttiger voor scenario's in de echte wereld, namelijk de op geluid gebaseerde snelheidstest.
Dit is een nogal subjectieve test, omdat de beeldkwaliteit en testcriteria enigszins willekeurig zijn; de gebruikte signaal / ruis (S / N) verhoudingen zijn 40: 1 voor "uitstekend" IQ en 10: 1 voor "acceptabel" IQ, gebaseerd op het bekijken van een 180 dpi-afdruk op 25 cm afstand. De S / R-verhouding wordt gedefinieerd als de standaardafwijking van een gewogen gemiddelde van de luminantie- en chrominantiewaarden van meerdere individuele pixels in het frame.
Standaardafwijking is een manier om de variatie in waarden in verzamelde gegevens wiskundig af te leiden van de gemiddelde of verwachte waarde. Het is de som van alle verschillen in het kwadraat, gedeeld door het aantal gegevenspunten in de set, vierkantswortel. In wezen een gemiddelde van de afwijkingen.
Op een fotografische manier, wat dit betekent dat de testpixels worden uitgemiddeld om de "verwachte" waarde van het lichtsignaal te vinden. Vervolgens definieert de standaarddeviatie hoe ver weg de afzonderlijke testpixels de neiging hebben om van dit gemiddelde af te wijken. Ervan uitgaande dat de pixels relatief uniform in waarde zijn, is deze afwijking van het gemiddelde ruis, hetzij van de sensor of de verwerkingselektronica.
De verhouding tussen de gemiddelde waarde (signaal) en de standaardafwijking (ruis) is de S / N-verhouding. Hoe hoger deze verhouding, hoe minder ruis er is in het signaal. Voor de "uitstekende" standaard voor beeldkwaliteit van 40: 1 betekent dit dat gemiddeld voor elke 40 bits beeldsignaal er slechts één is van ruis. Het grote verschil tussen de afbeelding en de ruis maakt het beeld schoon.
Ruis kan op verschillende manieren worden geïntroduceerd: verzadiging / donkere stroom over de fotodiodes, willekeurige thermisch vrijgemaakte elektronen in de fotodiodes of verwerkingselektronica (thermische ruis), beweging van de ladingsdrager over het uitputtingsgebied van de fotodiodes (beeldruis) en onvolkomenheden in de fotodiodes kristalstructuur of verontreinigingen die resulteren in willekeurige afvang en afgifte van elektronen (flikkerruis).
De toename van ruis door het verhogen van de ISO-instelling op de camera is een gevolg van het verhogen van de versterking van de voorversterkers tussen de sensor en de A / D-omzetter. De S / N-verhouding is noodzakelijkerwijs verlaagd, omdat om een "correcte" belichting met een hoge versterking te produceren, er minder belichting moet zijn. Minder belichting betekent minder signaal, dus relatief meer ruis als een fractie van dat verminderde niveau.
Een eenvoudig wiskundig voorbeeld; zeg bij ISO 100, een correcte belichting wordt bereikt door een bepaalde pixel te vullen tot een putcapaciteit van 80%, en de S / N-verhouding is 40: 1, dus +/- 2% van de huidige uitlezing is door ruis geïnduceerd. Het verhogen van de ISO naar 800 betekent dat de versterkers het signaal met 8x versterken en dus wordt de juiste belichting bereikt bij slechts 10% putcapaciteit. Het +/- 2% ruisniveau blijft echter ongeveer hetzelfde en wordt samen met het signaalniveau versterkt. Nu is de 40: 1 S / N-verhouding een verhouding van 5: 1 geworden en is het beeld nutteloos.
Je kunt zien waarom het belangrijk is om te schieten met zoveel belichting en zo min mogelijk versterking. Schakel- en sensortechnologie, evenals ruisonderdrukkende algoritmen, verbeteren voortdurend; denk maar aan het verschil tussen een ISO 800-opname van 2008 versus een ISO 800-opname van vandaag. De meeste afbeeldingen worden nu ook online op relatief kleine formaten bekeken en vergroten of verkleinen vermindert ook de ruis.
Maar voor grootformaatafdrukken zie je waarom het van essentieel belang is om met veel licht te fotograferen en bij de ISO-basis. Vandaar ook de stelregel "naar rechts blootstellen", wat betekent dat het beeld zo helder mogelijk op het histogram moet worden weergegeven zonder dat de hoogtepunten worden weggeknipt. Dit maximaliseert niet alleen de hoeveelheid lichtsignalen in vergelijking met het redelijk vaste geluidsniveau van de beeldvormingselektronica, maar de manier waarop de gegevens worden gedigitaliseerd, betekent dat meer informatie in de hooglichten kan worden opgeslagen dan in de schaduw..
Dat is het zo'n beetje, denk ik. Ik hoop dat dit artikel voor sommigen van u van belang is, mogelijk zelfs gebruikt, en dat u niet te verdwaasd bent geworden in de technische details van solid-state fysica!
Opmerkingen? Vragen? Sla de reacties hieronder op!
Accentsconagua