大像素还是高像素？

主题：大像素还是高像素？ [主题管理员:法无定法]

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imareal

泡菜

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2010-01-19 13:18

原文由法无定法在2010-01-19 09:44发表
一、非常欢迎imareal兄对我的推理提出质疑，我希望无论是imareal兄还是其他专家，如果发现我的观点或对电工学基本原理的理解有问题和错误都能向我指出。如果我确实是错的，绝不会羞于承认，一定会向指出我错误的专家表示衷心的感谢！

电工学推理的顺序是什么我确实不知道。而我做这样推理的原因很简单，因为此前讨论的要点是传感器输出的信号电压是通光量（流明.时间）的函数还是光强（照度.时间）的函数？而无论是哪一种观点，都认同像素在一次曝光中积累（积分）的电荷数与通光量或光强成正比。因此，问题就变成像素输出的信号电压是否是像素在一次曝光中积累（积分）的电荷的函数？

非也，只能断定像素的光电子能量与入射的光能量相等（不计损失）。

公式：电荷能量 = 电荷量 X 电压，给出了电荷能量、电荷量以及电压三者之间的关系，但也引入了一个新的量——电荷能量。在这三个量中，电荷量已知，其它两个是未知量。所以，电荷能量与电荷量之间的关系无法从这个公式中直接推断。因为如果先假定电压不变，推出电荷能量与电荷量成正比，然后再用这个公式来推断电压与电荷数无关就陷入了循环定义的逻辑错误。所以，必须用另外的公式来计算或推断电荷能量与电荷量之间的关系。

电荷能已知。根据电容可算出电压和电量。

二、“大像素的面积大，电容成比例增加”，我其实是注意到了，并且在第一次发帖的时候是有这句话的，但后来删掉了。删掉的原因是我不知道这个关系是否是正比关系，电容公式C=εS/4πkd在这种情况下是否适用。而电容的大小不影响我的推论，因为V = Q/C这个公式中C无论取什么值都是一个常量。换句话说，公式：V = Q/C 我们可以说电压（V）与电荷量（Q）成正比，而不能说电压（V）与电容（C）成反比，因为此时电容是不能变的，是一个固定值。

从电容公式可看出电容量只与物体的几何形状和电介质有关。
任何与能量守恒定律相悖的结论都是错的。

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第 1016 帖

dvcam

资深泡菜

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帖子: 560

2010-01-19 11:54

原文由 lwl525 在2010-01-19 02:20发表
本人一个关于欠曝和提高ISO选择的测试（有图），引用了LZ的一些话。只看结果，猜测结论。当参考
https://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=699444

这个实验在一定程度上证明了“高ISO = 低ISO欠曝 + 拉曲线”

原文由 spot 在2010-01-02 18:05发表

呵呵，楼主还在嘴硬啊，我来问你，模拟信号做乘法有损失，数字从1变到10，信息有损失吗？那么高ISO的画质损失还有噪点是怎么来的？

难道你真的认为，相机提高ISO，只是在机内拉了一下曲线？

[spot 编辑于 2010-01-02 18:07]

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第 1015 帖

糊涂终结者

禁言中

泡网分: 78.07

主题: 37

帖子: 28238

2010-01-19 10:57

引用:
--------------------------------------------------------------------------------
原文由法无定法在2010-01-11 15:47发表

1、请看清楚，DXO测试的是宽容度吗？或者你也认为宽容度与动态范围是一样的？

2、强信号不溢出或不饱和是最大阱容决定的，而最大阱容是面积的函数，面积大最大阱容也大。因此，大像素不会比小像素容易饱和。不知道这个简单的逻辑关系想得通吗？

3、我说过ISO范围是宽容度了吗？二者之间的关系我前面已经论证过多次了，如果要从逻辑上反驳我，就直接指出我逻辑上的错误，比如前提不正确，不符合形式逻辑等等，不是说你认为不够充分，而是要说出你认为不够充分的理由或者说明必要和充分条件。

4、关于DXO也好或者其它网站的数据我已经看到了，而且前面已经说过会给出解释的，请稍安勿躁。当然，如果你能根据DXO或者其它网站给出的测试结果来论证我的论点不成立也是可以的，但前提是你必须说清楚其测试的方法和数据的含义是什么。不要像那位糊涂兄一样，连DXO所说的动态范围是什么含意？以什么为单位都没有搞清楚就自以为是不断地发帖。

5、在本贴发帖最好具备一定的逻辑能力和专业知识，否则既浪费无忌的资源也浪费我的时间。如果不回帖对你不尊重，如果回帖我确实没有那么多的时间。
--------------------------------------------------------------------------------
糊涂终结者:

动态范围和宽容度是互相依存的２个独立的概念。一般来说，宽容度是一个输入范畴的观念，是载体纪录影调的能力的一种体现。也就是图像传感器（或胶片）“看”景物的能力；而动态范围是一个输出范畴的量，即是一个给我们人的眼睛观看的一个表现范围，也就是说我们看到的图片上黑到底有多黑，白又有多白。

DXO测试的是动态范围，因为测试图像传感器的宽容度对于大众来说没有什么意义（因为人们最终是要看其输出的图像的）。

既然你说偶“连DXO所说的动态范围是什么含意”都不知道，那请你解释一下自己说的所谓的“ISO范围大的相机其传感器动态范围也要大”是什么意思啊？你的这个动态范围指的是什么啊？！

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第 1013 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-19 10:51

原文由 lwl525 在2010-01-19 02:20发表
本人一个关于欠曝和提高ISO选择的测试（有图），引用了LZ的一些话。只看结果，猜测结论。当参考
https://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=699444

到lwl525兄的楼里看了一下，谢谢dvcom兄和lwl525兄提供相关的证据。

原文由 lwl525 在2010-01-19 02:10发表
如果“法无定法”的说法成立，可见最低最高ISO取决于传感器的宽容度。那就产生疑问，相对于5Dmark2，D700,甚至D3,1DS MARK 3,为什么a900如此高的动态范围（动态范围与宽容度应该是一个概念吧？）,却是如此糟糕的噪点表现呢。机内算法？无论如何人家比较过RAW的噪点a900也完败也...

这个问题是我下面准备探讨的一个主要问题，目前还没有写出来。主要是想等等看有没有比较有力的反驳和质疑？既然lwl525兄问到了,我就先说结论吧，论证过程以后再补充。如果有同学对此有不同看法，欢迎加入讨论。

我以前也是认为动态范围与宽容度是一个概念，是在这次讨论中才发现二者其实是不同的。

动态范围的定义一般是：传感器的噪声电平与饱和电平之间的范围。

宽容度是从胶片引申过来的一个概念，一般是指：传感器可感知的最暗光线和最亮光线之间的范围。

二者之间有密切联系，上限基本相同而下限有区别。

[法无定法编辑于 2010-01-19 10:55]

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第 1012 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

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2010-01-19 09:44

原文由 imareal 在2010-01-19 04:14发表
楼主真执着。电工学中是与你完全相反的顺序推理的。

你没有注意到大像素的面积大，电容成比例增加这一事实。

一、非常欢迎imareal兄对我的推理提出质疑，我希望无论是imareal兄还是其他专家，如果发现我的观点或对电工学基本原理的理解有问题和错误都能向我指出。如果我确实是错的，绝不会羞于承认，一定会向指出我错误的专家表示衷心的感谢！

电工学推理的顺序是什么我确实不知道。而我做这样推理的原因很简单，因为此前讨论的要点是传感器输出的信号电压是通光量（流明.时间）的函数还是光强（照度.时间）的函数？而无论是哪一种观点，都认同像素在一次曝光中积累（积分）的电荷数与通光量或光强成正比。因此，问题就变成像素输出的信号电压是否是像素在一次曝光中积累（积分）的电荷的函数？

公式：电荷能量 = 电荷量 X 电压，给出了电荷能量、电荷量以及电压三者之间的关系，但也引入了一个新的量——电荷能量。在这三个量中，电荷量已知，其它两个是未知量。所以，电荷能量与电荷量之间的关系无法从这个公式中直接推断。因为如果先假定电压不变，推出电荷能量与电荷量成正比，然后再用这个公式来推断电压与电荷数无关就陷入了循环定义的逻辑错误。所以，必须用另外的公式来计算或推断电荷能量与电荷量之间的关系。

二、“大像素的面积大，电容成比例增加”，我其实是注意到了，并且在第一次发帖的时候是有这句话的，但后来删掉了。删掉的原因是我不知道这个关系是否是正比关系，电容公式C=εS/4πkd在这种情况下是否适用。而电容的大小不影响我的推论，因为V = Q/C这个公式中C无论取什么值都是一个常量。换句话说，公式：V = Q/C 我们可以说电压（V）与电荷量（Q）成正比，而不能说电压（V）与电容（C）成反比，因为此时电容是不能变的，是一个固定值。

以上推论是否正确，还望imareal兄和各位专家指教。

[法无定法编辑于 2010-01-19 09:46]

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第 1010 帖

imareal

泡菜

泡网分: 11.278

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2010-01-19 04:14

原文由法无定法在2010-01-18 22:55发表
电功（W）等于电流（I）乘电压（V）乘时间（T)，而电流（I）等于电荷量（Q）除以时间（T), 因此电功（W）等于电荷量（Q）乘电压（V）。如果将电功（W）视为电荷能量，则有：电荷能量 = 电荷量 X 电压。这个推理符合电学原理，应该是没有问题的。

楼主真执着。电工学中是与你完全相反的顺序推理的。

关键是电荷能量与电荷量是否成正比？如果电荷能量与电荷量成正比，即电荷能量除以电荷量是一个常数，而这个常数按照公式是电压（V），那么，电荷量的变化与电压无关。而数码相机传感器像素的输出信号电压必须与电荷量正相关，因为电荷量与像素接收到的光子数成正比（假设量子效率为常量），如果电荷量不能与输出信号电压正相关，则数码相机将无法工作。所以，如果公式没有问题那就是电荷能量与电荷数成正比这个假设不能成立。如果没有这个假设，就无法确定电荷能量与电荷量之间的关系，因此也无法确定电压与电荷量之间的关系，因此需要考虑其它的公式。

实际上，从CMOS-APS像素的电路图中可以看出，光电二极管、Mrst管和Msf之间构成了一个电容，在快门开启时光电二极管接收到的电荷都在这个电容内积累，在快门关闭后这个电容中的电荷就是像素在本次曝光中接受到的电荷量。

根据公式电容（C）等于电荷量（Q）除以电压（V），而电容C是一个常量，可以得到电压（V） = 电荷量（Q）/电容（C）。也就是加在Msf管栅极上的这个电压与电荷数成正比，这个电压被Msel管放大后做为像素的输出电压。

将电容公式代入上述电荷能量公式后有，电荷能量 = 电荷数（Q）的平方/电容（C）。可见电荷能量与电荷量不是正比关系而是平方关系。

你没有注意到大像素的面积大，电容成比例增加这一事实。

假定大像素的面积是小像素的两倍，在同样照度下，大像素获得的电荷数也是小像素的两倍。大象素的电荷能量是小像素的4倍，按照电压（V） = 电荷能量/电荷量，大象素的输出信号电压也是小像素的两倍。所以，像素的输出电压与其感光面积成正比。

最后得到一个违反能量守恒的结论，说明推理有误。

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第 1009 帖

lwl525

资深泡菜

泡网分: 27.364

主题: 69

帖子: 1566

2010-01-19 02:20

本人一个关于欠曝和提高ISO选择的测试（有图），引用了LZ的一些话。只看结果，猜测结论。当参考
https://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=699444

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第 1008 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-18 22:55

虽然关于CMOS-APS传感器的像素输出的信号电压是否是光通量（流明X时间）函数的讨论已经结束。但imareal兄提出的电荷能量的计算公式我考虑了一下，可能是这样推理的，即：

电功（W）等于电流（I）乘电压（V）乘时间（T)，而电流（I）等于电荷量（Q）除以时间（T), 因此电功（W）等于电荷量（Q）乘电压（V）。如果将电功（W）视为电荷能量，则有：电荷能量 = 电荷量 X 电压。这个推理符合电学原理，应该是没有问题的。

关键是电荷能量与电荷量是否成正比？如果电荷能量与电荷量成正比，即电荷能量除以电荷量是一个常数，而这个常数按照公式是电压（V），那么，电荷量的变化与电压无关。而数码相机传感器像素的输出信号电压必须与电荷量正相关，因为电荷量与像素接收到的光子数成正比（假设量子效率为常量），如果电荷量不能与输出信号电压正相关，则数码相机将无法工作。所以，如果公式没有问题那就是电荷能量与电荷数成正比这个假设不能成立。如果没有这个假设，就无法确定电荷能量与电荷量之间的关系，因此也无法确定电压与电荷量之间的关系，因此需要考虑其它的公式。

实际上，从CMOS-APS像素的电路图中可以看出，光电二极管、Mrst管和Msf之间构成了一个电容，在快门开启时光电二极管接收到的电荷都在这个电容内积累，在快门关闭后这个电容中的电荷就是像素在本次曝光中接受到的电荷量。

根据公式电容（C）等于电荷量（Q）除以电压（V），而电容C是一个常量，可以得到电压（V） = 电荷量（Q）/电容（C）。也就是加在Msf管栅极上的这个电压与电荷数成正比，这个电压被Msel管放大后做为像素的输出电压。

将电容公式代入上述电荷能量公式后有，电荷能量 = 电荷数（Q）的平方/电容（C）。可见电荷能量与电荷量不是正比关系而是平方关系。

假定大像素的面积是小像素的两倍，在同样照度下，大像素获得的电荷数也是小像素的两倍。大象素的电荷能量是小像素的4倍，按照电压（V） = 电荷能量/电荷量，大象素的输出信号电压也是小像素的两倍。所以，像素的输出电压与其感光面积成正比。

[法无定法编辑于 2010-01-18 22:32]

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第 1007 帖

spot

陈年泡菜

泡网分: 33.646

主题: 47

帖子: 4121

2010-01-18 18:48

原文由法无定法在2010-01-18 14:35发表

......其次，如果按照你说的在接近“比较黑暗的情况,甚至是趋向全黑的情况”，比如说接收到的光子数等于4的情况下，这时光子噪声产生的噪点是2个，而此时的本底噪声与spot实验出来的一、两万个一样，因为本底噪声不受光线强弱的影响。所以，此时的信噪比等于4/（2+170131），光子噪声只相当于本底噪声的万分之一。如果你认为这种影响是比亮的时候还要高的话，我也无话可说。......

几天没来，这个话题已经不知道跑哪了。

不过，楼主还是真的要好好审视一下自己的数学跟逻辑水准了，不然叫这个小白、那个小白的，岂不最后打的都是自己的脸

就看看上面引用的这段内容，这个算式“4/(2+170131)”里，170131是某次全黑ISO100拍摄中超过AD转换下限的噪点总数，2、4都是某个象素上假设的光子数，这怎么能在一起计算呢？170131已经是全局性质的统计数据，跟单个象素比，出一个万分之一已经太少了

那个数据正确的估算方法应该是这样：

假设AD转换下限是2个光电子，那么全黑拍摄下超过该下限的象素总数才170131，跟总象素数1200万相比不到2%，这说明绝大多数象素的本底噪声水平也不过是1、2个光子，那么如果光子噪声能达到2个，当然在暗光下会对噪声水平有很大影响了。

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第 1005 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-18 14:37

原文由 imareal 在2010-01-18 14:14发表

光通量是空间单位立体角中的光功率，单位是流明。光能的单位是流明秒。
电荷能的计算公式是电相关的专业的必须的基础知识，不可能这里详细说明，有兴趣可以学一下。
对这个问题的理解还需要正确的思维方法，这个问题就到这里吧。

好吧，这个问题到此结束。谢谢imareal兄参与讨论。

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第 1003 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-18 14:35

原文由 qiezhuan 在2010-01-16 23:17发表
是啊我知道, 光线=0的时候当然没有光子噪声, 信号也没有了,为什么又去讨论这种情况了呢? 我们说的暗部噪声, 亮部噪声以及光子噪声不是为了这种绝对黑暗的极端情况, 你举的全黑的例子不合适。但可以说比较黑暗的情况,甚至是趋向全黑的情况,这个时候光子噪声的作用如何,对信噪比影响大不大? 虽然暗时光子噪声很小，但并不等于影响小，实际上影响比亮的时候更大，反而信噪比更低。

比如说,EOS 7D的像素的光电子容量full well capacity是25,000个, 假定用 14bit = 16384 级线性均匀量化(量化实际上可能不是线性均匀的),那么大致: 25000个/16384级 = 约2个电子算一级。这个时候讨论光电子噪声在暗部的影响，在靠近最暗的那些亮度级，噪声应该是很厉害的。所以此时不能说量子噪声没有影响。

989帖的概念似乎有问题，应该是噪声给人的主观感觉取决于信噪比而不是单单是噪声本身。我不知道你说的"与信噪比关系不大"是什么意思，怀疑你是不是搞混了。两个系统的噪声电荷比如说同样是5个，而信号电荷是100个或者是10个，得到信号并不因为噪声都是5个电荷而清晰度同样大，而是取决于那个有用信号强，这里当然是前者清晰而更容易识别，这是信噪比决定的，而不是具体的噪声电荷或电压。

首先，盖上镜头盖拍片看看有没有噪点是SPOT和某小白提出来要做的实验，我已经说过了，这种实验只能证明数码相机会有本底噪声（按某小白的说法这叫做本体噪声），spot实验的结果也证明确实会有不少噪点。由于是盖着镜头盖拍的，所以这些噪点与光子噪声无关，也与信噪比无关。

其次，如果按照你说的在接近“比较黑暗的情况,甚至是趋向全黑的情况”，比如说接收到的光子数等于4的情况下，这时光子噪声产生的噪点是2个，而此时的本底噪声与spot实验出来的一、两万个一样，因为本底噪声不受光线强弱的影响。所以，此时的信噪比等于4/（2+170131），光子噪声只相当于本底噪声的万分之一。如果你认为这种影响是比亮的时候还要高的话，我也无话可说。

第三、噪点的数量就是噪声的数量，这是实际存在的。信噪比影响的是看不看得见这些噪点，信噪比低这些噪点就容易被看到，信噪比高这些噪点就不容易被看到。而不是说信噪比高噪点就不存在。

第四、最大阱容（full well capacity）只与饱和点和最大信号有关，也就是容不容易过曝，与暗部噪点和信噪比没有什么关系。

[法无定法编辑于 2010-01-18 14:38]

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第 1002 帖

imareal

泡菜

泡网分: 11.278

主题: 19

帖子: 885

2010-01-18 14:14

原文由法无定法在2010-01-18 09:49发表
在引入新的概念和术语时，首先要说清楚自己所使用的概念、术语是什么含义，单位或量纲是什么，这样才有可能让对方知道自己在说什么。我此前已经说过光通量和照度的标准定义，如果你对此没有异议，就应该采用这两个概念来表达你的观点。如果你觉得光通量这个概念不是你说的光能或光能量的概念，就应该说明你说的光能是什么？单位是什么？在引入新的概念或术语的时候，也应该说清楚你说的这个概念的定义是什么？其单位又是什么？比如你提到的电荷能量，这个电荷能量是怎么计算的？单位是什么？

你给出了一个公式说电荷能量=电荷数X电压。而我们讨论的问题是电荷数与电压的关系，如果不给出电荷能量的具体定义和计算方法，又怎么能知道电压与电荷数的光系？按照你给出的这个公式，实际上是先假定了电荷能量与电荷数成正比。按照这个假定，不但面积与电压无关，电荷数也与电压无关，无论有多少电荷，电压都是不变的，这可能吗？按照这个假定，数码相机是不可能的事物。因为无论光线如何变化，光圈快门如何，传感器输出的信号电压都是恒定的，所以拍出来的片子只会是一片空白。

大小盆的例子我已经说过了，我不是不知道如果下的雨是均匀的，大小盆的水位是一样的，但这与我们在讨论的电荷数与电压的关系不是一回事。这个例子可以用来说明另一个问题，就是大像素与小像素的饱和点是一样的。但不能说明大像素与小像素在同样照度下的输出信号电压是一样的。因为输出信号电压是与电荷的总数正相关，而不仅是与单位面积电荷数正相关。

光通量是空间单位立体角中的光功率，单位是流明。光能的单位是流明秒。
电荷能的计算公式是电相关的专业的必须的基础知识，不可能这里详细说明，有兴趣可以学一下。
对这个问题的理解还需要正确的思维方法，这个问题就到这里吧。

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第 1001 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-18 09:49

原文由 imareal 在2010-01-18 04:30发表
曝光结束后，传感器接收到了一定量的光能。光能转换成电荷。你已提到，大像素转换的电荷多，应该和面积成正比，这是因为像素捕获的光子和面积成正比。
我们假定两个像素面积比是2比1，光源是均匀的，曝光后它们得到光能是2比1，电荷比也是2比1。电荷的能量等于电荷量和电动势（电压）的积。如果它们的电压相同，它们的电荷的能量也是2比1。如果大像素的电压高，估计你会认为是2比一的关系，那电荷的能量比就会是4比1，和光能2比1相矛盾，不符合能量守恒定律。所以只要是均匀照度，曝光值相同，不管像素的大小，他们的光生电压一定相等。

大盆和小盆同时去接雨水是个贴切的例子。你知道大盆接到的雨水多，但是它的面积也大，所以水位不比小盆高。

有趣的是这个例子还可帮助理解光子噪音的原因。你把两个大盆放在雨中一秒钟，他们接到的雨滴数目不会完全相等，但是相差的百分比很少。如果是两个小盆，它们的相差数目的百分比就大多了，盆越小，差越多。如果同一传感器的两个像素在均匀光线下曝光，捕获的光子数目不同，它们最终显示在荧光屏上亮度不同，这就是噪点。

既然是讨论技术问题，那我就直言吧。

在引入新的概念和术语时，首先要说清楚自己所使用的概念、术语是什么含义，单位或量纲是什么，这样才有可能让对方知道自己在说什么。我此前已经说过光通量和照度的标准定义，如果你对此没有异议，就应该采用这两个概念来表达你的观点。如果你觉得光通量这个概念不是你说的光能或光能量的概念，就应该说明你说的光能是什么？单位是什么？在引入新的概念或术语的时候，也应该说清楚你说的这个概念的定义是什么？其单位又是什么？比如你提到的电荷能量，这个电荷能量是怎么计算的？单位是什么？

你给出了一个公式说电荷能量=电荷数X电压。而我们讨论的问题是电荷数与电压的关系，如果不给出电荷能量的具体定义和计算方法，又怎么能知道电压与电荷数的光系？按照你给出的这个公式，实际上是先假定了电荷能量与电荷数成正比。按照这个假定，不但面积与电压无关，电荷数也与电压无关，无论有多少电荷，电压都是不变的，这可能吗？按照这个假定，数码相机是不可能的事物。因为无论光线如何变化，光圈快门如何，传感器输出的信号电压都是恒定的，所以拍出来的片子只会是一片空白。

大小盆的例子我已经说过了，我不是不知道如果下的雨是均匀的，大小盆的水位是一样的，但这与我们在讨论的电荷数与电压的关系不是一回事。这个例子可以用来说明另一个问题，就是大像素与小像素的饱和点是一样的。但不能说明大像素与小像素在同样照度下的输出信号电压是一样的。因为输出信号电压是与电荷的总数正相关，而不仅是与单位面积电荷数正相关。

[法无定法编辑于 2010-01-18 09:57]

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第 999 帖

imareal

泡菜

泡网分: 11.278

主题: 19

帖子: 885

2010-01-18 04:30

原文由法无定法在2010-01-17 19:05发表
对数码相机而言，光通量是通光面积、照度和快门开启时间的函数，因为数码相机在按下快门后接收到的光通量是光圈大小、快门速度和照度的函数，其中光圈的大小与通光面积正相关，也就是数码相机传感器接受到的光通量是通光面积、照度和时间的函数。所以，认为图像传感器的输出信号电压与通光面积无关是不能成立的，其只能是光通量的函数而不仅是照度与时间的函数。

至于大盆和小盆同时去接雨水的情况，由于平时没有注意观察，不知水位是否一样的，但可以肯定的是大盆装的水一定比小盆多。而大像素接受到的光子多，转换的电荷也多，在同样时间内，积累的电荷也比小像素多，因而在Msf管的栅极上产生的电压也较高，被放大后输出的信号电压也会较高。

经过你上次的提醒，我对光的度量单位也加倍的小心，不可以凭感觉使用。
光通量（Luminous flux）和照度一样，都是光的功率单位。一个是用于空间立体角，一个是用于平面。所以你提到的光通量实际应该是光能量，这个能量和镜头上的照度，光圈，速度线性相关，是像素上的照度和时间的乘积。如果直接用传感器的照度，光圈的因素就没有了。

“认为图像传感器的输出信号电压与通光面积无关是不能成立的”这句话中的通光面积根据我们以前的讨论，应该该是受光面积吧。

曝光结束后，传感器接收到了一定量的光能。光能转换成电荷。你已提到，大像素转换的电荷多，应该和面积成正比，这是因为像素捕获的光子和面积成正比。
我们假定两个像素面积比是2比1，光源是均匀的，曝光后它们得到光能是2比1，电荷比也是2比1。电荷的能量等于电荷量和电动势（电压）的积。如果它们的电压相同，它们的电荷的能量也是2比1。如果大像素的电压高，估计你会认为是2比一的关系，那电荷的能量比就会是4比1，和光能2比1相矛盾，不符合能量守恒定律。所以只要是均匀照度，曝光值相同，不管像素的大小，他们的光生电压一定相等。

大盆和小盆同时去接雨水是个贴切的例子。你知道大盆接到的雨水多，但是它的面积也大，所以水位不比小盆高。

有趣的是这个例子还可帮助理解光子噪音的原因。你把两个大盆放在雨中一秒钟，他们接到的雨滴数目不会完全相等，但是相差的百分比很少。如果是两个小盆，它们的相差数目的百分比就大多了，盆越小，差越多。如果同一传感器的两个像素在均匀光线下曝光，捕获的光子数目不同，它们最终显示在荧光屏上亮度不同，这就是噪点。

请把这个例子好好想想，如果觉得我说的有任何不对，欢迎指出。

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第 998 帖

法无定法

资深泡菜

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2010-01-17 19:05

原文由 imareal 在2010-01-17 13:36发表
1 传感器处于线性区内，图像传感器产生的电压与单位面积接受的光能量成正比，与其面积的大小无关。
也就是说，在传感器的线性区内，曝光值（EV）相同，大面积像素和小面积的像素产生的电压是一样的。
比如用大盆和小盆同时去接雨水，只要不溢出，盆中水的高度是一样的。雨水对应光
线，盆对应像素，水的高度对应光电压。
这个盆接雨的例子比较准确地表达了我的意思。我的要表达的都清楚了，就是个人理解的问题了。
不当之处，望赐教。

赐教不敢当，imareal兄是电子工程专业的，我不是这个专业，只在基础课的时候学过点电路原理，肯定是外行，是我在向你学习。

既然是外行，就说一些外行话吧，还请imareal兄指教为盼。

此前说过，我认为CMOS-APS像素的输出信号电压是光通量的函数。推理如下：

对数码相机而言，光通量是通光面积、照度和快门开启时间的函数，因为数码相机在按下快门后接收到的光通量是光圈大小、快门速度和照度的函数，其中光圈的大小与通光面积正相关，也就是数码相机传感器接受到的光通量是通光面积、照度和时间的函数。所以，认为图像传感器的输出信号电压与通光面积无关是不能成立的，其只能是光通量的函数而不仅是照度与时间的函数。

至于大盆和小盆同时去接雨水的情况，由于平时没有注意观察，不知水位是否一样的，但可以肯定的是大盆装的水一定比小盆多。而大像素接受到的光子多，转换的电荷也多，在同样时间内，积累的电荷也比小像素多，因而在Msf管的栅极上产生的电压也较高，被放大后输出的信号电压也会较高。

[法无定法编辑于 2010-01-17 19:06]

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第 997 帖

imareal

泡菜

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帖子: 885

2010-01-17 13:36

原文由法无定法在2010-01-16 12:33发表

既然imareal兄还想就这个问题继续讨论，那也可以。不过在讨论前我们需要将概念明确才能进一步开展讨论。

1、光强按照国际标准是有明确定义的，摄影界一般是用照度（Illuminance），其定义为每单位面积所接受可見光的光通量，用于入射光。单位为勒克斯（lx= lm/m2）。

2、光通量按照国际标准也有明确定义，光?......

谢谢指正。如你所说，这些词有严格定义。我用这些词没有注意到这一点。
我想说的是能量，应该是照度和时间的乘积。
再说一遍，你再挑挑毛病：

1 传感器处于线性区内，图像传感器产生的电压与单位面积接受的光能量成正比，与其面积的大小无关。
也就是说，在传感器的线性区内，曝光值（EV）相同，大面积像素和小面积的像素产生的电压是一样的。
比如用大盆和小盆同时去接雨水，只要不溢出，盆中水的高度是一样的。雨水对应光
线，盆对应像素，水的高度对应光电压。
这个盆接雨的例子比较准确地表达了我的意思。我的要表达的都清楚了，就是个人理解的问题了。
不当之处，望赐教。

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第 996 帖

qiezhuan

泡菜

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帖子: 942

2010-01-16 23:17

是啊我知道, 光线=0的时候当然没有光子噪声, 信号也没有了,为什么又去讨论这种情况了呢? 我们说的暗部噪声, 亮部噪声以及光子噪声不是为了这种绝对黑暗的极端情况, 你举的全黑的例子不合适。但可以说比较黑暗的情况,甚至是趋向全黑的情况,这个时候光子噪声的作用如何,对信噪比影响大不大? 虽然暗时光子噪声很小，但并不等于影响小，实际上影响比亮的时候更大，反而信噪比更低。

比如说,EOS 7D的像素的光电子容量full well capacity是25,000个, 假定用 14bit = 16384 级线性均匀量化(量化实际上可能不是线性均匀的),那么大致: 25000个/16384级 = 约2个电子算一级。这个时候讨论光电子噪声在暗部的影响，在靠近最暗的那些亮度级，噪声应该是很厉害的。所以此时不能说量子噪声没有影响。

989帖的概念似乎有问题，应该是噪声给人的主观感觉取决于信噪比而不是单单是噪声本身。我不知道你说的"与信噪比关系不大"是什么意思，怀疑你是不是搞混了。两个系统的噪声电荷比如说同样是5个，而信号电荷是100个或者是10个，得到信号并不因为噪声都是5个电荷而清晰度同样大，而是取决于那个有用信号强，这里当然是前者清晰而更容易识别，这是信噪比决定的，而不是具体的噪声电荷或电压。

原文由法无定法在2010-01-16 21:25发表

没有光还会有图像吗？在这种时候信噪比为0，能看到的只剩噪声了，而且这些不可能是光子噪声，只会是本底噪声。换句话说，信噪比=0就是没有信号只有噪声，而且这些噪声不是光子噪声。

[法无定法编辑于 2010-01-16 21:26]

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第 995 帖

法无定法

资深泡菜

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2010-01-16 21:25

原文由 qiezhuan 在2010-01-16 21:10发表
是,光子噪声是噪声的一部分。

注意前面那个公式了吧，我们现在讨论的基点定在信噪比，抛弃信号大小而讨论噪声大小没有意义。我们不能一会儿谈信噪比说着说着又换到单说噪声。

暗部的光子噪声仍然是致命的，这是由公式决定的。类似你举的例子，当光线趋向100%黑暗的时候，此时量子噪声是很少但是，信号也很微弱，信噪比趋向于0。在很黑暗的时候量子噪声也会决定信噪比很低，得到的图象会淹没在量子噪声里。换句话说，即便此时其他所有的噪声都是0，由于量子噪声造成的极差的信噪比，图象也已经被淹没在一片噪声中。

没有光还会有图像吗？在这种时候信噪比为0，能看到的只剩噪声了，而且这些不可能是光子噪声，只会是本底噪声。换句话说，信噪比=0就是没有信号只有噪声，而且这些噪声不是光子噪声。

[法无定法编辑于 2010-01-16 21:26]

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第 993 帖

qiezhuan

泡菜

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帖子: 942

2010-01-16 21:10

是,光子噪声是噪声的一部分。

注意前面那个公式了吧，我们现在讨论的基点定在信噪比，抛弃信号大小而讨论噪声大小没有意义。我们不能一会儿谈信噪比说着说着又换到单说噪声。

暗部的光子噪声仍然是致命的，这是由公式决定的。类似你举的例子，当光线趋向100%黑暗的时候，此时量子噪声是很少但是，信号也很微弱，信噪比趋向于0。在很黑暗的时候量子噪声也会决定信噪比很低，得到的图象会淹没在量子噪声里。换句话说，即便此时其他所有的噪声都是0，由于量子噪声造成的极差的信噪比，图象也已经被淹没在一片噪声中。

原文由法无定法在2010-01-16 16:41发表

这个意思是说光子噪声只是噪声的一种，其多少与信号的强弱（光子的多少）正相关。而暗部的信号较弱，因此光子噪声不是主要原因。比如盖上镜头盖拍的片子就与光子噪声无关，因为此时是没有光信号（光子）的，当然也不会有光子噪声。此时本底噪声是噪点的主要来源，这与信噪比的关系不大（在盖上镜头盖的时候信噪比为0）。

[qiezhuan 编辑于 2010-01-16 21:13]

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第 992 帖

法无定法

资深泡菜

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2010-01-16 16:41

原文由 qiezhuan 在2010-01-16 13:26发表
但是你话的后一部分提到的“而光子噪声对暗部噪点的影响不大。”这么说也有问题需要解释，不讨论信噪比可以这么说。如果考虑信噪比及最终效果，因为SNR = sqrt(N), 如果N（收集的平均光电子数）很小，就会信噪比恶化严重，噪声凸显。具体情况是当单个像素面积显著减小，或者在图像的暗部，或者使用了高ISO。所以光子噪声对暗部噪点的影响也可以说是还是很大的。

这个意思是说光子噪声只是噪声的一种，其多少与信号的强弱（光子的多少）正相关。而暗部的信号较弱，因此光子噪声不是主要原因。比如盖上镜头盖拍的片子就与光子噪声无关，因为此时是没有光信号（光子）的，当然也不会有光子噪声。此时本底噪声是噪点的主要来源，这与信噪比的关系不大（在盖上镜头盖的时候信噪比为0）。

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第 990 帖

cake1029

泡菜

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帖子: 156

2010-01-16 15:22

这个要学习~

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第 989 帖

qiezhuan

泡菜

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帖子: 942

2010-01-16 13:26

不是我混淆概念，单纯提噪声的大小没有什么意义，所以通常我们说的“噪声多”就意味着“信噪比差”，如果你说“噪声多”“信噪好”这就难免引起混乱。你的解释: '虽然噪声多了，但是信号更强了，所以信噪比反而提高！' 这么说就OK了。

但是你话的后一部分提到的“而光子噪声对暗部噪点的影响不大。”这么说也有问题需要解释，不讨论信噪比可以这么说。如果考虑信噪比及最终效果，因为SNR = sqrt(N), 如果N（收集的平均光电子数）很小，就会信噪比恶化严重，噪声凸显。具体情况是当单个像素面积显著减小，或者在图像的暗部，或者使用了高ISO。所以光子噪声对暗部噪点的影响也可以说是还是很大的。

原文由法无定法在2010-01-16 11:42发表

1、你在这里将噪声与信噪比这两个不同的概念混淆了。噪声增加不等于信噪比就一定会降低，如果信号增加的比噪声更高，信噪比反而会提高。而我在这里说的正是这样一种情况。大像素的感光面积大，所以接受到的信号（光子也要多），此时虽然光子噪声也会相应增加，但由于光子噪声增加的没有信号（光子）增加的多（因为光子噪声 ......

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第 988 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

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帖子: 8116

2010-01-16 12:33

原文由 imareal 在2010-01-16 04:59发表
第一个观点论述不严谨，光强用词不当，应该是单位面积上的光通量。即在一定的时间内单位面积对接受光强的积分。用电池比喻像素的面积容易引起误解，所以另换了个例子。
为防误解，再叙述补充如下。
1 传感器处于线性区内，图像传感器产生的光电压与其有效感光的单位面积接受的光通
量成正比，与其有效感光的面积的大小无关。
也就是说，入射光强恒定，曝光值一定，大面积像素和小面积的像素产生的电压是一
样的。
比如用大盆和小盆同时去接雨水，只要不溢出，盆中水的高度是一样的。雨水对应光
线，盆对应像素，水的高度对应电压。

既然imareal兄还想就这个问题继续讨论，那也可以。不过在讨论前我们需要将概念明确才能进一步开展讨论。

1、光强按照国际标准是有明确定义的，摄影界一般是用照度（Illuminance），其定义为每单位面积所接受可見光的光通量，用于入射光。单位为勒克斯（lx= lm/m2）。

2、光通量按照国际标准也有明确定义，光通量（Luminous flux）定义为每单位時間內由光源（/被照物）所发出（/吸收）的光。单位为流明（lm= cd·sr）。

从上述定义来看，你说的光强其实是照度,因为照度的定义正是单位面积的光通量。

按照上述定义，光通量与照度的关系是lm = lx·m2，也就是流明 = 照度乘以面积。所以，在照度不变的情况下，光通量与通光面积成正比，通光面积越大，光通量也越大。这也就是我在首贴说过的，窗户越大，进到屋里的光就越多的含义。

我想，如果要继续讨论的话我们最好还是将相关的概念、量纲（单位）以及相互之间的关系先统一起来，否则就变成你说的与我说的根本就不是一回事，不知imareal兄以为然否？

[法无定法编辑于 2010-01-16 12:40]

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第 986 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-16 11:42

原文由 qiezhuan 在2010-01-15 21:40发表
所以你的说法“信号越强，光子噪声也越多”的说法和“pixel size doubles from 4 um to 8 um, the signal to noise ratio limited by the random arrival of photons (referred to as photon shot noise) will also double.”有矛盾了，按你说的：
1。增加感光面积，信号增强，噪声增加；-〉大像素信噪比没意义或者会劣化？全幅D700比D300噪声更多？
2。增加感光时间，信号增强，噪声增加；-〉低ISO曝光时间长的时候信号强，噪声也增加？低ISO噪声更多？

无论如何得出的都是麻烦的结论。所以我觉得你那个说法儿问题很大。

1、你在这里将噪声与信噪比这两个不同的概念混淆了。噪声增加不等于信噪比就一定会降低，如果信号增加的比噪声更高，信噪比反而会提高。而我在这里说的正是这样一种情况。大像素的感光面积大，所以接受到的信号（光子也要多），此时虽然光子噪声也会相应增加，但由于光子噪声增加的没有信号（光子）增加的多（因为光子噪声是光子数量的平方根），所以信噪比反而提高了。例如，光子数量为4，其产生的光子噪声为2，信噪比为4/2=2。当光子数量为16时，其产生的光子噪声为4，比2多了一倍，但信噪比为16/4 = 4，反而提高了一倍。所以，噪声的增加不等于信噪比一定会降低，而是要看信号增加的速度如何。

2、曝光时间增加这个前提比较模糊，如果是指在光线较暗的情况下增加曝光时间，此时由于照度较低，传感器接收到的信号较弱（光子较少），光子噪声就更小（光子数的平方根），所以不是噪点的主要来源，此时起作用的是本底噪声。如果是在光线较强（光子较多）的情况下来增加曝光时间，此时出现的噪点主要是光子噪声。这与ISO的设置没有关系。

[法无定法编辑于 2010-01-16 11:47]

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第 985 帖

imareal

泡菜

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主题: 19

帖子: 885

2010-01-16 04:59

原文由法无定法在2010-01-15 18:32发表
既然imareal兄回复了，那我就再问最后一个问题吧。你现在是否还认为你下述第1条前提成立吗？
原文由 imareal 在2010-01-14 12:06发表
1 　在恒定光强下图像传感器的光电压是恒定的，与传感器面积无关。这与一号电池和五
号电池的电压相同的道理一样。当然指面积不同，其他相同的传感器。
２　传感器本 ......

楼主的这个帖子要重新回复一下。在862帖，我的第一条论述和举例都有不当之处，我把它修改了一下，转贴在这里。

第一个观点论述不严谨，光强用词不当，应该是单位面积上的光通量。即在一定的时间内单位面积对接受光强的积分。用电池比喻像素的面积容易引起误解，所以另换了个例子。
为防误解，再叙述补充如下。
1 传感器处于线性区内，图像传感器产生的光电压与其有效感光的单位面积接受的光通
量成正比，与其有效感光的面积的大小无关。
也就是说，入射光强恒定，曝光值一定，大面积像素和小面积的像素产生的电压是一
样的。
比如用大盆和小盆同时去接雨水，只要不溢出，盆中水的高度是一样的。雨水对应光
线，盆对应像素，水的高度对应电压。

[imareal 编辑于 2010-01-16 05:04]

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第 984 帖

qiezhuan

泡菜

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主题: 14

帖子: 942

2010-01-15 21:40

你说:"光子噪声与信号的强度正相关，信号越强，光子噪声也越多，也就是说光子噪声会出现在较亮的地方（亮部）。。。。。。"
那你也看到了：
As shown in figures 1a and 1b, this means the signal to noise ratio increases directly with an increase pixel pitch, so if the pixel size doubles from 4 um to 8 um, the signal to noise ratio limited by the random arrival of photons (referred to as photon shot noise) will also double. So larger pixels will provide higher useful ISO ratings for a digital camera.
http://www_outbackphoto_com/dp_essentials/dp_essentials_02/essay.html

所以你的说法“信号越强，光子噪声也越多”的说法和“pixel size doubles from 4 um to 8 um, the signal to noise ratio limited by the random arrival of photons (referred to as photon shot noise) will also double.”有矛盾了，按你说的：
1。增加感光面积，信号增强，噪声增加；-〉大像素信噪比没意义或者会劣化？全幅D700比D300噪声更多？
2。增加感光时间，信号增强，噪声增加；-〉低ISO曝光时间长的时候信号强，噪声也增加？低ISO噪声更多？

无论如何得出的都是麻烦的结论。所以我觉得你那个说法儿问题很大。

原文由法无定法在2010-01-15 18:18发表

这与我的观点并不矛盾啊。我说的就是你所指出的亮部噪声的主要来源是光子噪声，而光子噪声对暗部噪点的影响不大。暗部噪点的主要来源是本底噪声而不是光子噪声。并没有说暗部的噪点不明显或没有噪点，不知qiezhuan兄为何会认为我的意思是说暗部没有噪点或噪点不明显的？

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第 983 帖

编外

资深泡菜

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主题: 13

帖子: 7377

2010-01-15 20:15

法老，还在忙活啊？周末愉快～哈！

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第 982 帖

法无定法

资深泡菜

泡网分: 51.258

主题: 25

帖子: 8116

2010-01-15 19:57

原文由 imareal 在2010-01-15 19:40发表

实际是接受光的能量密度决定电压，不甚好理解。就不管它了吧。

好，这个问题就到此结束。如果imareal兄还愿意讨论其它有关问题，我会非常欢迎的，与你讨论问题让我学习到了很多东西，也使得我能更深入的考虑关于噪声的问题。非常感谢，祝周末愉快！

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第 980 帖

imareal

泡菜

泡网分: 11.278

主题: 19

帖子: 885

2010-01-15 19:53

原文由 prayingring 在2010-01-15 19:09发表
苍天啊我居然花了2h把28页帖子看了一遍旁观者清说说感受

学习到很多东西，呵呵，不过确实对提高摄影技术没啥用

全部看完后的感觉spot imareal基本知识比较好，观点比较明确，但是有点和法老较真的意思
其实，也许他现实中年龄较大，拉不下面子来认错，只好变着法修改自己的理论和发言，情有可原。所以还是要让让他 ......

谢谢夸奖。你怎么知道楼主年纪大？他对有些人刻薄了点。但对我还是比较谦虚礼貌，我也欣赏他这种劲头，所以我愿意尽量与之交流。否则我不会反复写这么多，绝无较劲的意思。
无忌吸引人的地方就在于它五花八门，不一定要和摄影有关。

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第 979 帖

imareal

泡菜

泡网分: 11.278

主题: 19

帖子: 885

2010-01-15 19:40

原文由法无定法在2010-01-15 19:27发表

看来我们的分歧主要是在光通量函数的自变量是否包括像素的感光面积，你认为不包括，而我认为包括。也许这一点我们无法达成共识，那就各自保留自己的观点吧。这个问题到此结束，不知imareal兄同意否？

实际是接受光的能量密度决定电压，不甚好理解。就不管它了吧。

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