cbuil

Cameras ASI en très faible flux - questionnement

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Ci-après deux images d'un bout du spectre de l'étoile eta UMa, prisent toutes deux dans
des conditions très similaires (télescope C11, spectro Lhires III, même TI), mais l'une avec une ASI178MM cooled (capteur CMOS), l'autre avec une caméra CCD ATIK460EX. Les niveaux pour la visualisation sont harmonisés.

Le temps de pose cumulé pour l'image ASI178MM est de 18 x 10 sec. Le temps de pose cumulé pour l'image ATIK460EX est de 3 x 60 sec.

(le spectre en 2D de l'étoile est la trace horizontale - l'affichage est fait à haut contraste pour bien voir le bruit
et les défauts cosmétiques, il s'agit d'un extrait).

Le réglage "gain" de la caméra ASI est de 410 (usage de la possibilité de réglage offerte par le
logiciel Prism, ici employé pour les acquisitions). La ASI est lue en binning 3x3 (pseudo binning en fait), alors que la ATIK est exploitée en binning 2x2.

L'effet négatif des pixels baladeurs (télégraphique) est bien visible dans l'image ASI178MM. Comparativement, le fond de l'image CCD est bien plus propre. Les conséquences sont bien visibles aussi lorsqu'on affiche le profil spectral (ici autour de la raie Halpha) :

L'image CMOS est significativement plus bruitée que l'image CCD. On remarque aussi que le profil réalisé avec la caméra CMOS est affectée d'un phénomène de franges d'interférences, surement car il s'agit d'un composant aminci éclairée par l'arrière. Ceci empêche quasiment d'employer ce type de caméra pour les applications spectroscopie, ce qui est fâcheux.

La suprématie du CCD demeure en imagerie faible flux. Pourvu que le CCD continu à vivre à coté de ces nouveaux CMOS...

Autres éléments de comparaison :

ASI178MM
Gain de conversion = 0,017 e-/ADU (avec réglage gain 410)
Bruit de lecture = 3,3 e- sur mon exemplaire (indépendant du gain)
Rendement quantique à 656 nm = 51%

ATIK460EX
Gain de conversion = 0,260 e-/ADU
Bruit de lecture = 5,1 e-
Rendement quantique à 656 nm = 63%

La mesure comparative du rendement quantique a été faite avec un peu de soin.

Bien sur commentaires welcome.

Christian B

[Ce message a été modifié par cbuil (Édité le 28-04-2017).]

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Franchement : je ne suis pas étonnée.
Factuellement :
le capteur est conçu pour de la vidéo de surveillance en basse lumière, pas pour de la longue pose. http://www.sony-semicon.co.jp/products_en/IS/sensor0/technology/starvis.html
Pour chercher une référence, la gamme Pregius, plus adaptée semble limitée à 30s de pose. (source IDS imaging)
Effectivement en refroidissant on améliore le bruit thermique, mais si les concepteurs du chip n'ont pas prévu ou éludé cet usage, tout peut se produire.

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Christian,

Très intéressant ta comparaison et l'on voit que ce genre de caméra doit rester pour une utilisation d'imagerie en planétaire...

On peut se poser la question sur la réalité du faible bruit annoncé dans les caractéristiques de l'ASI 178 et autre caméra de la même marque quant on voit que l'ATIK 460EX est donné pour un bruit bien supérieur à l'ASI178MM !!!

Olivier GARDE

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Je suis un peu étonné par ta mesure de RON Christian, j'ai mesuré moi même une ASI 178 à 2.1e- pour une dynamique de 77 dB à gain mini et avec offset pour éviter l'écrétage.

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Bonsoir et merci pour ce fil qui conforte mon opinion ...

Christian

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Christian_d et le autres, a vrai dire le test de la ASI178MM que j'ai fait est très sévère.
Le fait de "binner" 3x3 + le fait de pousser le gain très fort me place
dans une gamme d'usage passablement hors norme de ce composant en vérité. Disons
que l'on peut ainsi mettre en évidence plus aisément l'électroluminescence...
Et il y a pas mal de piège lorsqu'on cherche à mesurer le bruit effectif...
Le fait d'agglomérer 3x3 les pixels fausse s'en doute quelque peu la statistique, il y a aussi
le fait que les logiciels ou le firmware tendent à faire croire que l'on emploie une
caméra 16 bits (alors que dans le cas de la 178MM, on numérise en 14 bits),
il y a encore le problème du faux zéro potentiel...

J'ai essayé de caractériser ma propre ASI178MM dans le mode "normal" d'usage, c'est à dire en binning 1x1
et avec un gain raisonnable, voici ce que je trouve :

L'acquisition est faite avec le logiciel Prism, en sélectionnant dans celui-ci le gain
de 100 et ajoutant un offset de 100 (je pense que ce sont des unités arbitraires)
pour absolument éviter de clipper les valeurs négatives. Je ramène aussi la
dynamique à 14 bits en divisant l'intensité dans les données brutes par 4
(car Prism (ou le firmware ?) cale artificiellement la dynamique sur 16 bits).
On obtient alors le vrai gain de la caméra. Voici le résultat avec ce protocole :

Gain caméra (réciproque) : 0,29 électron / ADU (14 bits)
Bruit de lecture : 1,53 électron

Cosmétiquement, l'image est bien sur bien plus agréable à l'oeil par rapport aux conditions de mon
test initial.

J'ai testé aussi aussi un ASI1600MM et ASI1600MC dans une situation équivalente.

Dans Prism, si le paramètre "gain" est fixé à 100 et le paramètre "offset" à 20, (et en faisant
attention au fait que la numérisation native de la caméra est en 12 bits), on trouve :

Gain caméra (réciproque) : 1,57 électron / ADU (12 bits)
Bruit de lecture : 1,86 électron

On note ici que le bruit est très proche du gain, ce qui signifie que le bruit de quantification doit être
sensible pour ce point de fonctionnement. Pour m'en assurer, j'ai monté un peu le gain
caméra, en fixant (toujours sous Prism) la valeur à 200 (l'offset reste à 20, pas de valeurs
négatives constatée dans cette situation). Le résultat est alors pour ma ASI1600MM :

Gain caméra (réciproque) : 0,48 électron / ADU (12 bits)
Bruit de lecture : 1,34 électron

Cela signifie que le bruit RMS en pas codeur est de 2,8 ADU, ce qui nous sort de la zone dangereuse du bruit digital (lorsqu'on
travaille à faible flux). On remarque que le bruit passe
de 1,9 à 1,3 électrons en adoptant le réglage 200/20, que j'ai tendance à
recommander aux utilisateur de ce logiciel lorsqu'on travaille en très faible
flux (je remercie ici C. Cavadore d'avoir prévu les bonnes options d'acquisition
dans ce soft).

Ma petite surprise à ce stade est de constater que le capteur CMOS Panasonic qui équipe la
ASI1600MM/C est finalement un peu meilleur que le Sony de la ASI178MM lorsqu'on se place
sur le point du vu du bruit (faut encore regarder le rendement quantique pour être objectif).
Les images Panasonic sont aussi légèrement plus propres sur le plan cosmétique
(moins de "hot" pixels baladeurs, offset plus régulier).

Encore un truc, une chose que je ne m'attendais pas à voir. Voici l'aspect à haut contraste de l'offset
d'une caméra ASI1600MC-cool (matrice de bayer donc) :

On remarque une trame qui reproduit la matrice de Bayer (alors qu'il n'y a aucune lumière qui parvient
au détecteur). C'est comme si la technologie employée pour réaliser le filtrage CFA
au niveau pixel modifiait l'offset de ces pixels. Ce n'est pas gênant dès lors que l'on
traite des images dans les règles, mais c'est une chose que vous avez déjà constaté
par vous même ?

Christian

[Ce message a été modifié par cbuil (Édité le 29-04-2017).]

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Bien joué Christian, je note l'effet de l'offset sur la 1600MC, peut-être un rapport à voir avec la transmittance de la matrice pour chaque type de photosite de la 1600MC (et peut-être d'autres cam..).
En réfléchissant un peu, je constate que la taille de pixels a sans doute un effet sur le bruit, je veux dire que plus ils sont petits plus l'électronique de conversion autour du rectangle de capture a un effet perturbant, sans doute une question de proximité.

[Ce message a été modifié par lyl (Édité le 29-04-2017).]

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Bonsoir,

C'est toujours délicat de comparer des capteurs aux caractéristiques assez différentes.
Le fait que le gain soit variable sur la 178, ne facilite pas.
Néanmoins et afin de diminuer l'influence du bruit de quantification, il me semble opportun de régler le gain inverse à une valeur proche de 0.25 e/ADU sur la 178 : voir les courbes constructeur.
Puis de comparer des images obtenues à des temps de pose unitaire identiques.
Les gains affichés sont en 0.1db.
Ce qui veut dire qu'entre 200 et 400 affichés, il y a un rapport de 10 en absolu.
C'est comme comparer deux APN, l'un affichant 1000 Iso et l'autre 10000 Iso, pour donner une idée.
Pour ce qui est de la trame, je pense que c'est du à l'algorithme de reconstruction du signal Bayer et qui n'est pas très soigné.
On devrait pouvoir le vérifier en sortant au format SER sans debayer et en utilisant d'autres programmes de debayer.
Mais ceci c'est une hypothèse que je puis vérifier car je n'ai pas cette 178mc et de plus je suis en déplacement et avec mon seul téléphone portable.


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Salut Christian. Si tu passe en région Parisienne, je peux te prêter une QHY163 mono avec le même capteur que la ZWO1600 pour essayer.

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En mesurant le bruit d'une ASI224MC, je me suis rendu compte qu'en fait le
gain électronique appliqué au capteur est environ 1,8 plus élevé pour les pixels
bleu de la matrice de Bayer comparativement aux pixels recouverts d'un filtre rouge et
d'un filtre vert.

Sur l'offset (capteur dans l'obscurité) de la ASI224MC on voit la même trame
que sur l'ASI1600MC, ce qui indique
un signal d'offset un peu plus important sur les pixels bleu (B) que sur les pixels R et V.
L'idée de ce traitement différencié en les pixels B et RV est manifestement de compenser le
rendement quantique du bleu, comparativement plus bas par rapport au rouge et vert
(l'idée sous jacente semble être un équilibre quasi naturel en éclairage
disons naturel). C'est un truc assez malin, que l'on
ne peut pas faire nativement avec un CCD. Faut savoir que cela existe sur ce type de détecteur.

Voici le résultat des courses pour la ASI224MC (toujours ramené à une numérisation sur 12 bits) :

Réglage gain capteur : 200 (20 dB) - offset 200
Pixel rouge : gain = 0,457 e-/ADU (12 bits) - Bruit = 0,94 e-
Pixel vert : gain = 0,475 e-/ADU (12 bits) - Bruit = 0,95 e-
Pixel bleu : gain = 0,255 e-/ADU - (12 bits) - Bruit = 0,98 e-

Réglage gain capteur : 300 (30 dB) - offset 200
Pixel rouge : gain = 0,145 e-/ADU - (12 bits) - Bruit = 0,81 e-
Pixel vert : gain = 0,151 e-/ADU - (12 bits) -Bruit = 0,82 e-
Pixel bleu : gain = 0,081 e-/ADU - (12 bits) - Bruit = 0,84 e-

Réglage gain capteur : 400 (40 dB) - offset 200
Pixel rouge : gain = 0,047 e-/ADU - Bruit = 0,74 e-
Pixel vert : gain = 0,049 e-/ADU - Bruit = 0,75 e-
Pixel bleu : gain = 0,028 e-/ADU - Bruit = 0,83 e-

Réglage gain capteur : 500 (50 dB) - offset 200
Pixel rouge : gain = 0,014 e-/ADU - Bruit = 0,65 e-
Pixel vert : gain = 0,015 e-/ADU - Bruit = 0,66 e-
Pixel bleu : gain = 0,008 e-/ADU - Bruit = 0,66 e-

Comme cela est bien connu, le bruit est inférieur à 1 e-. Il continu à décroitre inversement au gain (pas pu tester le 60 dB).

Une valeur du bruit inférieure à 1 électron m'impressionne tout de même pas mal, et
même, beaucoup ! Cela explique bien pourquoi on fait avec un capteur de ce type de
très bonnes images (planétaire) avec des temps de pose court, alors que le
signal est faible et le temps de pose est réduit.

L'offset est d'aspect très propre, y compris au fort gain, ce qui montre le proges accompli récemment par Sony.

En imagerie ciel profond, la plupart du temps, le bruit du signal du fond de ciel doit submerger
le bruit de lecture. Pour la spectro, bien dommage qu'il n'y ai pas une version non couleur, ... greeeuuuu

On voit bien dans ces tables le cas particulier des pixels bleus de la matrice de Bayer.

Faut prendre conscience de ce que représente un bruit sub-électronique. Par exemple avec un gain de 400, le bruit à 1 sigma représente 15 ADU (0,75 / 0,049 = 15) ce qui ne mange que modéremment la dynamique d'image (sur 4096 ADU, la dynamique est 4096 / 15 = 270).

En outre si on considère un rendement quantique de 60%, cela signifie que l'on est capable à 1-sigma, de détecter l'arriver de 0,75 / 0,60 = 1,25 photon. A 3 sigma, on doit pouvoir statiquement détecter l'arrivée de 4 photons environ durant la pose. Ce sont des valeurs assez étonnantes - on n'est pas si loin du comptage de photons ! Etonnant (et aussi assez logique) ces progrès dans le CMOS.

[Ce message a été modifié par cbuil (Édité le 01-05-2017).]

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j'ai trouvé des valeurs presque identiques à tes valeurs bleues pour ma 224 mais j'avais travaillé sur tous les pixels d'images fits brutes (obtenues avec oacapture sous linux) et non sur la sortie débayérisée.

gain affiché / gain en e-/adu / bruit en e-
0 / 2.62 / 2.72
100 / 0.84 / 1.21
150 / 0.50 / 1.11
200 / 0.28 / 0.98
250 / 0.16 / 0.91
300 / 0.085 / 0.80
350 / 0.050 / 0.79
400 / 0.027 / 0.75
450 / 0.015 / 0.74

[Ce message a été modifié par asp06 (Édité le 01-05-2017).]

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Christian, pour la 1600, sous Prism divise par 16 l'image d'offset, et tu constatera que la valeur moyenne de l'offset correspond à la valeur de réglage de l'offset. c'est le constat que je fait sur la mienne.

Laurent Bernasconi

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On est très proche sur la valeur du bruit. Pour trouver la valeur précise du gain
il faut effectivement travailler sur les images RAW avant développement CFA à cause de
ce différentiel de gain en fonction de la couleur (sous IRIS, j'utilise la commande SPLIT_CFA
pour ceux qui connaissent).

Tout à fait Laurent, Prism retourne effectivement la valeur affichée
pour l'offset (après être revenu à 12 bits, y compris pour la 224MC et quelque soit le gain).
Au passage, à part quelques choix contestables coté
ergonomie (trop de cases à cocher, pas toutes les mémorisations de configuration, certains
aspects de l'organisation de fenêtre d'acquisition),
qui ne sont en fait que des détails, Prism ce révèle un logiciel pour moi particulièrement
efficace pour l'acquisition (pour le traitement, je demeure fidèle à mes propres outils ;-))

Christian

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(car Prism (ou le firmware ?) cale artificiellement la dynamique sur 16 bits)
Je prends les valeurs comme elles viennent, Prism ne fait pas de post processing sur les valeurs de pixel.

J'avais regardé en detail le capteur Panasonic de l'ASI1600xx sur ce lien
http://www.alcor-system.com/common/allSky/tests/TEST_ASI_1600MM_COOLED_CCA_ALCOR-SY STEM.pdf

en filtre étroit ca se passe pas si mal.

Sur ce post aussi -> http://www.astrosurf.com/ubb/Forum2/HTML/042922.html

On retrouve certaines de tes constatations.


Concernant l'IMX178MM, tes messages sont très intéressants, compte tu rassembler cela dans une page web ?
Que penses tu de l'ASI1600MM-Cooled pour la spectro ?

Je serais hautement intéressé par la courbe de rendement quantique absolu de ce capteur en fonction de la longueur d'onde... J'ai cherché sur le net, mais rien trouvé.

Cyril

[Ce message a été modifié par Cavadore (Édité le 01-05-2017).]

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Cyril, je n'ai sous la main pour le moment qu'une ASI1600MC-cooled, donc pas vraiment exploitable
en spectro. Un bout d' image faite sur le pouce la semaine dernière avec celle-ci et une FSQ106ED sous
mon ciel particulièrement pollué toulousain, donc vraiment pas optimal, avec en plus un seeing
médiocre et aussi... oublié de mettre un filtre anti-IR, indispensable avec ce modèle (25 x 120 s), bof donc :

Il est sur que l'efficacité de la version Noir et Blanc est supérieure, mais c'est un autre usage.

Ce serait intéressent d'avoir effectivement le rendement quantique. Avec nos spectros (genre Alpy600),
on peut s'y attaquer. Je le ferais pour ma part dans qq temps. Ma méthode est toujours un peu la même, je compare en au moins un point du spectre le signal par rapport à une caméra CCD supposée bien
connue (genre ATIK460EX), puis je propage à l'ensemble du spectre à partir du spectre théorique
de l'étoile, de l'estimé de la transmission atmosphérique et du rendement instrumental.
Faut utiliser une fente photométrique, ou pas de fente du tout. On ne fait pas une grosse erreur.

En spectro, pour le moment, c'est le problème des franges qui me pose soucis, surement induit par le hublot du détecteur. Faut voir si ce problème persiste avec une ASI1600. Je pense que dans la gamme ZWO, c'est encore cette dernière qui offre la meilleure performance. Malgré le faible bruit
prometteur, on reste je trouve en deçà du CCD, surtout à cause des pixels baladeurs, et généralement de l'aspect cosmétique. Je m'attend aussi à un rendement de 50% dans le rouge pour
une 1600MM, donc moins bon qu'un CCD correct. Mais faut
continuer à investiguer dans ce domaine malgré tout, car la petite taille
des pixels peu emmener à réaliser des spectros de nouvelles générations intéressent.

Christian B


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Il y a aussi la 174 (avec un sony IMX174) qui me semble avoir un rendement quantique tres elevé (mais je ne sais pas combien) et qui pourrait etre interessant en spectro.

Cyril

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Trouvé ça pour l' IMX174

65% @530nm

https://fr.ids-imaging.com/sony-imx174.html

-----------------
et j'avais engrangé ça aussi, ça à l'air d'être pour la version brute en N&B, 76% @ 525nm (source Sony + PR Grey 2017-Q1 mono camera)

version couleur
64% @470nm, 73% @525nm, 51% @640nm (source PTGrey 2017-Q1, color camera)

http://atom.lylver.org/AstroSurf/ZWO%20ASI%20185MC/capteurs/review/imx174.pdf

Vous pouvez aussi trouvez quelques revues périodiques là-dedans
http://atom.lylver.org/AstroSurf/ZWO%20ASI%20185MC/capteurs/review/

Pas facile d'avoir une information correcte, faut recouper.

[Ce message a été modifié par lyl (Édité le 04-05-2017).]

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Bernard, c'est le QE relatif ou absolu ?
Merci

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Le QE du 174 monochrome plafonne à 78% en absolu et à 500nm.
La courbe est sur le site de ZWO.

Lucien

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Je pense que le rendement donné par Philippe Bernhard est en valeur absolu (issu de mesure faite de ton coté ?). Je remarque QE = 45% au niveau de Halpha pour le CMOS Panasonic qui équipe la ASI1600MM (taille pixel = 3,8 microns, RON = 1,34 e-). A comparer au rendement du capteur CCD Sony qui équipe une ATIK460EX : environ QE = 65% (taille pixel= 4,54 microns, bruit de lecture (RON) de 5,1 e-).

Bonne nouvelle pour la ASI1600 employée en spectro, il ne semble pas apparaitre de phénomène de franges, contrairement à ce qui est vu avec une ASI178 (vu sur un Lhires III 2400 t/mm).

Pour un même éclairement des détecteurs dans le rouge, et en tenant compte de l'écart en QE et en taille de pixels, le seuil de sensibilité de la ASI1600MM est de 4,3 photons (à 1 sigma) et celui de la ATIK460EX est de 7.8 photons. Autrement dit, sur le papier la ASI1600MM possède une détectabilité meilleure dans le rapport 7,8/4,3 = 1,8. Mais attention, c'est sans compter sur les pseudo-bruits du CMOS (défauts cosmétiques). Faudra faire des tests comparatifs plus direct pour juger vraiment, j'ai encore des petits doutes...

Noter qu'en binning 2x2, le calcul indique que les deux caméras ont une détectabilité équivalente. Le CMOS est pénalisé par rapport au CCD par le fait qu'il ne réalise pas un vrai binning physique.

Christian

[Ce message a été modifié par cbuil (Édité le 05-05-2017).]

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C'est très intéressant tout cela !
Je vais peut être donc mettre un peu de gain en ciel profond avec la 1600.

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Super ce fil que je suis avec beaucoup d’intérêt, même si je suis un peu perdu parfois, mais je m'accroche et je creuse.

Je suis un aficionados des ZWO. J'ai ou j'ai eu les 224, 178, 1600 MC, 120 et 290 MM.

Le post de Christian sur la différence de gain électronique entre les pixels Bleu/rouge est une découverte pour moi. Mais j'y vois un lien avec les réglages d'usine de ces cameras. Sous firecapture et SharpCAp, il y a un paramètre d'équilibre des blancs (WRouge WBleu) nativement réglé à 52/90 sur la 1600MC par exemple. On retrouve ce rapport de 1,8.

Ces paramètres sont variables et je les ai établi pour chacun de mes filtres (IR, Skyglow, CLS). En particulier, avec un filtre IR cut, il faut pousser les rouges pour avoir une balance correcte.

Enfin, de toutes celles que j'ai essayé, la 290 MM est la plus impressionnante en détection. Mais elle ne sort pas la couleur.

JF

[Ce message a été modifié par jeffbax (Édité le 05-05-2017).]

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