Шум

Чрезмерное переэкспонирование элемента ПЗС ведет к перетечке зарядов в смежные элементы или расплыванию изображения. За счет этого вокруг участков, дающих блики отраженного света, на изображении образуются засвеченные места. Расплывание изображения может происходить в элементах сдвиговых регистров, а также в фотоэлементах. Этим и объясняется то, почему по обеим сторонам переэкспонированного участка получается длинный след; перетечка зарядов может иметь место вдоль обеих сторон сдвиговых регистров. Когда уровни расплывания изображения в КЗС элементах будут разными, след станет цветным.

При недоэкспонировании заряды или сигналы, сформировавшиеся под действием света, будут слишком слабыми по отношению к вредному самовозникающему темновому току (шуму). Обычно при калибровке отдельных элементов производится удаление темнового тока из зарядов, образующихся под действием света. Однако в условиях слабой освещенности отношение сигнал-шум будет настолько малым, что точное считывание информации становится невозможным. Более всего подвержены действию шумов участки в тенях, что ведет к искажению окраски пикселей.

Чувствительность ПЗС связана с количеством зарядов, формируемых в отдельных элементах или центрах формирования деталей фотоизображения, в зависимости от имеющейся интенсивности освещения. Большие по размеру центры формирования деталей фотоизображения обладают большей чувствительностью, однако фотоаппараты имеют ограниченные возможности: произвести подкачку (swamp) их ПЗС, по аналогии с повышением чувствительности фотопленки, нельзя. Увеличение значений ISO достигается усилением более слабых сигналов, поступающих от каждого элемента, что можно сравнить с повышением чувствительности фотопленки (film pushing), снятой с заведомо более высоким значением ISO и проявленной специальным образом для достижения этой чувствительности. Если сигнал будет усилен после того, как он был преобразован в цифровой формат, диапазон передачи тональности, как и в фотопленке, уменьшится. Потеря разрешения из-за увеличения размера зерен, имеющая место в фотопленках, в ПЗС не происходит: расстояние (шаг = pitch) между соседними элементами – есть величина постоянная. Общий цветовой баланс сохранится, так как зависимость КЗС в ПЗС останется линейной.

Формирование зарядов в ПЗС имеет линейную зависимость. Чем больше время экспозиции или время интеграции (integration time = допустимое время накопления центрами формирования ПЗС деталей фотоизображения до того, как они считываются и преобразуются в цифровые данные), тем больше величина зарядов. Полностью заряженный или насыщенный элемент может вместить до 110000 электронов. Дальнейшее увеличение зарядов под действием света регистрироваться не будет, поэтому самые светлые из совещенных участков "выгорят" до белизны. Чтобы исключить такую проблему, заполнение элементов обычно производится до точки насыщения (saturation point). "Безопасно" приемлемый (full well) уровень насыщения установлен равным 90%, что составляет примерно 100000 электронов. Минимальное значение насыщения ISO для ПЗС, за которое зачастую принимается значение, близкое к ISO 100, основано на использовании этого приемлемого уровня. Сильное переэкспонирование обычно приводит к образованию расплывчатого изображения (blooming). Этому, как правило, препятствует использование уровней насыщения ПЗС. Существуют и другие способы недопущения выцветших изображений, один из которых заключается в том, чтобы отсечь заряды любые заряды, формируемые выше уровня насыщения ПЗС.

Использование более высоких значений ISO либо сокращает время интеграции (эквивалентно сокращению скорости затвора), либо уменьшает интенсивность освещения за счет уменьшения отверстия диафрагмы. В каждом элементе в пропорциональной степени аккумулируется меньше зарядов, поэтому для получения полного тонального диапазона их нужно усилить. Применение более высоких значений ISO позволяет исключить возможность образования расплывчатых изображений, но это ведет также к снижению качества изображений. При отсутствии достаточного количества света в элементах ПЗС образуется небольшой фоновый заряд, именуемый как темновой ток (dark current) или шум. Если уровень заряда (сигнала), сформированного под действием света, не намного выше, чем этот шум, изображение будет неприемлемого качества. Максимальное значение ISO (минимальный заряд) – это, таким образом, самое низкое приемлемое отношение "сигнал/помеха" (signal-to-noise ratio). При постоянной температуре шум растет в линейной зависимости от времени. Однако при увеличении темепературы примерно на 10оС шум возрастет в два раза. По этой причине важно, чтобы тепловые источники, например, студийное освещение, находились как можно дальше от цифровых фотоаппаратов. ПЗС, используемые для длительных экспозиций, могут иметь электронное охлаждение с помощью элементов Пелтиера.