¿El f-stop y el tiempo de exposición se cancelan perfectamente?

Estoy fotografiando una escena con elementos blancos y negros. Comenzando en la parada f / 22, amplío la apertura una parada y disminuyo el tiempo de exposición en un factor de 2, tomo una foto y sigo haciendo esto para todas las f-paradas en la lente. Mi expectativa es que los recuentos sin procesar deberían permanecer iguales dentro de una región blanca o una región negra ya que reducir a la mitad el tiempo de exposición compensa la ampliación de la apertura . Pero cuando selecciono una región blanca y promedio sus recuentos brutos de píxeles para cada imagen, existe una variabilidad entre las imágenes(La desviación estándar de los recuentos brutos es ~ 5% de la media). Lo mismo si selecciono y promedio una región negra. No estoy cambiando deliberadamente nada más (iluminación, posición de la cámara), y la cámara es un CMOS científico. ¿Qué podría estar causando esta variación: ruido o algo más sistemático?

Este es un comportamiento normal, causado por:

1. Imperfecciones de apertura. Por lo general, hay variaciones del proceso tecnológico que hacen que no se tenga el tamaño exacto del agujero. En la lente f4 de 50 mm, debe tener una abertura de 12.5 mm, pero puede ser de 12.4 mm o 12.6 mm
2. Imperfecciones en la velocidad de obturación. El obturador también es una unidad mecánica y se basa en algunos factores como la temperatura, qué tan precisas son las cuchillas y otros elementos en el interior, la velocidad no será 1 / 100s, pero puede ser 1 / 110s o 1 / 90s.
3. Lo mismo es cierto sobre el sensor en sí (desde el punto de vista electrónico)

Al final, incluso dos fotos consecutivas pueden tener una exposición (ligeramente) diferente.

Y agregue fluctuación de su fuente de iluminación ...

En teoría, sí, las paradas son intercambiables. En la práctica, no se cancelan perfectamente para completar la precisión.

la desviación estándar de los recuentos brutos es ~ 5% de la media

En términos fotográficos, esto es básicamente nada . Está muy por debajo de la percepción humana, e incluso cuando la diferencia es notable, el flujo de trabajo generalmente esperado implica trabajar con cada imagen individualmente, por lo que el fotógrafo puede compensar en el campo o en la postproducción.

Las cámaras destinadas a la fotografía no son dispositivos de medición; usarlos como tal es prepararse para la decepción. Hacer que los dispositivos sean mucho más precisos sería mucho más costoso y no proporcionaría ningún beneficio para el mercado objetivo. Incluso si tiene una cámara hecha con fines científicos, estas tolerancias particulares podrían no estar dentro del área relevante de preocupación.

Si está tratando de obtener la perfección para algo como un lapso de tiempo u otra serie de fotos, su mejor opción es el procesamiento posterior para igualar las fluctuaciones.

La respuesta corta es sí ... se cancelan. Pero hay algunos matices.

Cada vez que el diámetro de un círculo aumenta (o disminuye) en un factor igual a la raíz cuadrada de 2 (aproximadamente 1.4), el área de ese círculo se duplica exactamente (o se reduce a la mitad si se reduce). Los números f-stop se basan en potencias de la raíz cuadrada de 2 (p. Ej. F / 1 = √2 ^ 0; f / 1.4 = √2 ^ 1; f / 2 = √2 ^ 2; f / 2.8 = √ 2 ^ 3; etc.)

Las exposiciones del obturador son más intuitivas. 1 / 500th sec es obviamente la mitad de 1 / 250th sec, etc.

Los matices:

Las cámaras redondean un poco. Por ejemplo, si tiene una lente de 100 mm, probablemente no sea exactamente de 100 mm (pero probablemente no esté muy lejos) y, al volver a enfocar, la lente puede respirar un poco (para una buena lente que se mantenga con el 5% de la distancia focal establecida. ... pero algunas lentes tienen problemas de enfoque-respiración bastante fuertes ... por ejemplo, 30%. Cuando esto sucede, significa que el f-stop no es estrictamente preciso.

Las paradas F no son estrictamente precisas como son. Pero están "lo suficientemente cerca" como para que el margen de error no afecte la exposición de manera notable.

Hay otros problemas Cuando dispara fuertemente parado (por ejemplo, f / 22), toda la luz proviene de un área muy pequeña cerca del centro del eje del objetivo y se distribuye a través del sensor de manera más uniforme. Cuando disparas de par en par, la luz proviene de una amplia gama de ángulos. Las áreas del sensor cerca del centro pueden recoger la luz desde muchos ángulos, pero las áreas del sensor cerca de un borde o esquina son más limitadas en la cantidad de caminos que la luz puede atravesar la lente para llegar a ese punto en particular. Esto resulta en viñetas. Entonces, si bien puede tomar dos fotos usando "exposiciones equivalentes" (cambiar una parada de apertura por una parada de la duración del obturador), los cambios en los patrones de viñeteado pueden hacer que los píxeles tengan una cantidad diferente de luz recolectada dependiendo del píxel que elija inspeccionar.

Creo que no se mencionó: con el aumento en el tiempo de exposición viene el aumento en el ruido térmico de Dark Shot. Puedes leer más aquí , por ejemplo

Con respecto a los problemas sistemáticos: ¿está teniendo en cuenta que con la apertura disminuye la profundidad de enfoque y, por lo tanto, los bordes de las partes de la escena fuera de foco se desdibujan? Además, con pequeñas aberturas, es posible que se vea borroso debido a la difracción.

Si tiene un obturador mecánico, en realidad puede obtener difracción con grandes aberturas de los tiempos de obturación cortos resultantes cuando se pasa una cantidad significativa del tiempo de exposición cerca de al menos una de las cortinas del obturador que se mueve.