光ショットノイズとはなんですか?

本ガイドの対象者 :

光ショットノイズについて知りたい方

本ガイドの内容 :

光ショットノイズについて視覚的に説明します。

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ノイズとCMOS技術についてさらに詳しく知りたい方は、こちらをご覧ください。 Changing the Game.

光子(および光電子)は量子であるため、整数しか存在せず、カメラが端数の光子を収集することはありません。この統計的なランダムなゆらぎのために、例えば20分間に30秒間隔で10回、一定の光量を出力する光源から光子を集める場合、毎回20個の光子を検出するということは非常に困難です。これは、コイントスをしたときに表が出る確率は1/2ですが、10回コイントスをしたときに、10回のうち表が5回だけ出るとは限らないのと同じです。

その代わり、最初の区間では20個、次の区間では23個、次の区間では18個といった具合に光子が得られることがあります。そして、その光子数の分布をプロットするとポアソン分布になります。この30秒間隔における光子数の変動が光ショットノイズです。

光子の分布

では、なぜ光子のランダム性を考慮する必要があるのでしょうか? また、それはいつ考慮する必要があるのでしょうか?

信号が限られている場合、信号に含まれる光ショットノイズの量はその信号量の関数であり、信号が多ければ多いほど、信号に由来する光ショットノイズの割合は小さくなります(以下のグラフを参照)。

\[ 光ショットノイズ=\sqrt{\mathstrut 信号} \]

そのため、信号量が少ないときには光ショットノイズを考慮する必要があります。そして、定量的な研究をする場合、光ショットノイズのモデルには通常ポアソン分布を使用します。

実際に収集された光子の分布

(A) 低光量域では、光ショットノイズによってもたらされる分散が、信号の大きな割合を占めています。(B、C) 高照度域では、光ショットノイズによってもたらされる分散は、信号全体に占める割合が小さくなっています。

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