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Test sulla linearità della ZWO ASI174MM

La nuova frontiera. Parliamo di questi sofisticati strumenti e di come hanno cambiato il mondo dell'astrofotografia.

Messaggioda Giorgio Clemente » 11 feb 2021, 12:41

In attesa del rientro della H18 mi sono cimentato nel testing del CMOS ASI174MM (non raffreddato) anche perché tale sensore verrà utilizzato (almeno per il momento) per le riprese fotometriche in abbinata ad un rifrattore Vixen A80ss, dotato sul piano focale di filtri B-V standard JC, e messo in parallelo al C8 (utilizzato con l'ALPY600 e l'SXVR).
Tale camera è dotata di un CMOS Sony IMX174LLJ che ha, stando al costruttore ZWO, un picco della QE intorno ai 500 nm che sfiora l'80%. In effetti, stando alle prove fatte la camera sembra di buona qualità e la sua linearità, come si evince dalle riprese fatte, non è affatto male...
A premessa di quanto scrivo, debbo dire che ho delle perplessità sulla dinamica dello studio fatto perché il campionamento dell'ASI174 è fatto da un ADC a 12 bit (settabile via software a 10 bit per ridurre il peso della memoria occupata dalle riprese e per aumentarne il "frame rate"). L'analisi condotta, del tutto simile a quella fatta per la SXVR-H18 (ADC a 16 bit), è stata supportata dall'elaborazione dei frame in FIT portati a 16 bit via software (con AA7).
Inoltre il CMOS è diverso dal CCD, sia per l'amplificazione del segnale ricevuto dai fotoni incidenti (i millivolt generati) sia per il registro di lettura (o meglio per l'indicizzazione dei pixel), etc..., e difatti per tali motivi, data la sua "maggior" complessità di funzionamento (e di sorgenti di rumore più numerose e quindi di incertezza dei risultati) non viene preferito al rozzo e spartano CCD.
Ad ogni buon conto, al netto dei limiti di cui sopra (che possono essere considerati alla stregua di sorgenti di errori sistematici), visto che quanto registrato sul piano focale durante una ripresa fotometrica subirà gli stessi limiti tecnologici di cui sopra, confido nel fatto che il range di linearità apprezzato sia comunque quello realmente sfruttabile. :-?
Ad ogni buon conto ogni contributo di pensiero/suggerimento/correzione a quanto detto risulterà quanto mai gradito per chiarezza dell'argomento.
Comincio col dirvi che stavolta ho cercato di mappare l'andamento del flusso luminoso proveniente dalla sorgente, una Flat Field Box autocostruita, con maggior cura riprendendolo con ben 107 misure nei 20m circa del test. Per far questo ho messo una ASI290MC (settata in monocromatico) molto vicina alla sorgente lasciando 10 secondi tra una ripresa di taratura del flusso e l'altra (esp. costante di 1.5 sec)

20210207_014115.jpg


e questa è la tabella in Excel della taratura fatta

Data testing ASI174MM 210207_Taratura.pdf
(330.33 KiB) Scaricato 6 volte


dalla quale, misure fatte, ho trovato i coefficienti (FL) di normalizzazione del flusso luminoso in funzione del tempo (durata del test) da applicare poi alle riprese fatte con la ASI174 per stimarne la linearità. Come si vede dal grafico non ci sono stati sbalzi notevoli di tensione (e quindi di luminosità della FFB) durante il test

Diapositiva3.PNG


Il massimo scostamento rispetto il valore medio di tale flusso è stato inferiore allo 0.6%.
Ad ogni buon conto, nel testing della 174, per far si di avere delle misure confrontabili da sorgente di luminosità costante al variare dei tempi d'esposizione, sono stati comunque considerati i coefficenti (FL) al terzo decimale.
Queste le misure fatte

Diapositiva4.PNG


e questo l'andamento qualitativo della linearità del sonsore

Diapositiva5.PNG


ed il dettaglio della zona dei bassi ADU

Diapositiva6.PNG


Per tali misure, ho scelto di fissare, cautamente, lo studio del range di linearità da 620 ADU (L1) a poco sopra i 45000 ADU (L2). Vi riporto la retta d'interpolazione trovata per le misure contenute tra questi due limiti

Diapositiva7.PNG


A seguire gli scostamenti tra i valori degli ADU trovati (normalizzati o ADUc) e quelli "veri" (ovvero della retta d'interpolazione assunta come trasposizione del reale andamento della sorgente luminosa)

Diapositiva8.PNG


e questo un dettaglio per i bassi ADU

Diapositiva9.PNG


ed è proprio per tale regione della dinamica del CMOS che ho provveduto a fare un'altra serie di misure stavolta riducendo la luce proveniente dalla FFB ed aumentando i tempi di posa della ASI174, sia per vedere come risponde il sensore variando (in più) i tempi di posa per bassi illuminamenti del sensore (cosa che avviene tipicamente durante le riprese astronomiche di oggetti di debole luminosità) che per avere un riscontro ulteriore di quanto fatto (farò un seguito a questo messaggio con tale test).
La qual cosa, come detto, mi piacerebbe farla anche per l'H18 (lavoro, figli, pazienza e tempo libero che non c'è permettendo...).
Da ultimo (vds tabella precedente riferita alle riprese fatte con l'ASI174) applicando la media quadratica (che contiene sempre quella aritmetica) agli scostamenti citati e riportando nella nota relazione di Pogson tale misura ho stimato la Linearità di questo sensore come capace di percepire la luminosità di una sorgente celeste con un errore pari (o minore) di 0.013 magnitudini. Tale valore, in linea con i CCD utilizzati, mi è sembrato (per ora), migliore di quello dell'H18...
Giorgio
Giorgio Clemente
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Messaggioda Paolo » 11 feb 2021, 14:07

Bella camerina Giorgio!

Hai fatto bene a controllare in modo frequente il flusso della lampada alimentata da rete elettrica. A quanto pare e' un discreto elemento di "disturbo", non tanto qui ma nell'altro test di linearita' della H18 in cui si evidenzia che qualcosa e' variato. D'altra parte in certi momenti si percepisce anche ad occhio l'abbassamento di luce delle lampade quando parte un elettrodomestico un po' "pesante".

Ti toglierai la curiosita' con la H18 appena torna...

Paolo
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Messaggioda Giorgio Clemente » 11 feb 2021, 16:51

Grazie Paolo per i preziosi consigli dati.
Spero vivamente che rifacendo il test per l'H18 la linearità possa migliorare anche se i margini sono po' strettini (ma spero di sbagliarmi #-o ).
Adesso sto lavorando sull'elaborazione delle altre riprese (già fatte) della zona bassa della dinamica dell'ASI174MM.
Vediamo come si comporta per pose più lunghe in condizioni di basso illuminamento del sensore.
Giorgio
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Messaggioda Giorgio Clemente » 12 feb 2021, 10:58

Ho finito di elaborare le riprese della sorgente campione (della quale ho volutamente abbassato al limite la luminosità) tramite l'ASI174MM e nello specifico, per poter registrare i frame nella zona bassa della sua dinamica, ho dovuto aumentare i tempi di posa di un ordine di grandezza.
Vediamo i risultati...
Innanzitutto, come per gli altri test fatti, l'andamento della luminosità della FFB (con circa 60 campioni ripresi durante l'arco del test) al fine di determinare i coefficienti correttivi per uniformare il flusso come da una sorgente costante.

Diapositiva3.PNG


Diapositiva2.PNG


l'andamento della tensione di rete/luminosità della Flat Field Box, o FFB, è stato grossomodo costante ed i maggiori scostamenti sono comunque confinati nelle fasi iniziali delle riprese di taratura (comunque esterne ai frame oggetto di studio). Ad ogni buon conto sono stati trovati i correttivi da apportare e questa è la tabella riassuntiva del test

Diapositiva4.PNG


da questi valori poi i grafici:
quello qualitativo sull'andamento della linearità nel range scelto da 600 ADU a 7500 ADU circa

Diapositiva5.PNG


e questa la retta d'interpolazione determinata in tale range (L1L2)

Diapositiva6.PNG


mentre lo scostamento dei valori trovati rispetto l'andamento "reale" (o vero) di tale retta assunta come riferimento è

Diapositiva7.PNG


Direi molto buono e, tirando le somme, l'errore sulla quantificazione degli ADU rilevati dal flusso luminoso proveniente dalla sorgente (la FFB), applicando una media quadratica, è pari a 0.0057 ADU ovvero un errore massimo sicuramente non superiore ad 1/100 di magnitudine (valutato per eccesso poiché in realtà è pari a 0.006).
Per chiudere il cerchio sull'ASI174MM, riporterò in un altro messaggio una comparazione sulla valutazione delle linearità trovate.
Giorgio
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Messaggioda Giorgio Clemente » 12 feb 2021, 12:26

Dunque, in buona sostanza l'andamento della linearità del CMOS è stato analizzato per la prima volta in un range L1L2 da 600 a 46000 ADU circa (che per chiarezza chiameremo test A). Poi utilizzando le stesse riprese di A ma rielaborando questa volta la linearità in un range L1 ed L2 tra 600 a 7300 ADU, si è trovata la retta d'interpolazione e la media quadratica degli scostamenti (detto test B; e di questo riporto direttamente il risultato finale trovato senza dettagliare il percorso fatto con grafici e tabelle) e infine il test ultimo (quello del messaggio precedente, detto C) dedotto da nuove riprese acquisite (di maggior esposizione e minor flusso proveniente dalla FFB).
In sintesi

Test A linearità ASI174 grafici e tabelle.png

A: in questo caso l'errore sulla porzione di flusso registrato è pari a 0.0124 ADU che tradotto per riprese fotometriche di oggetti celesti (tramite la relazione di Pogson) risulta pari a 0.013 magnitudini (errore stimato pari, o inferiore a 1/100 di mag. per difetto)

Test B linearità ASI174 grafici e tabelle.png

B:In questo caso 0.00223 ADU e 0.0024 magnitudini (errore di 1/100 di mag. valutato per eccesso)

Diapositiva7.PNG

C:Infine 0.0057 ADU e 0.006 magnitudini (errore di 1/100 di mag. anche in questo caso per eccesso).

Tirando le somme di questo tormentone paranoico #:-s, diciamo che il CMOS dell'ASI174MM se utilizzato per riprese di sorgenti celesti (stelle in genere) in un range da 600 ADU a 7000 ADU sicuramente è capace di registrare una magnitudine con un'incertezza pari ad 1/100.
Quindi, stando a quanto stimato, per illuminamenti deboli del sensore le esposizioni più lunghe non danno sostanziali miglioramenti alla sua linearità (anzi, di poco sotto di 3 parti su diecimila).
Per un range più vasto, che copre grossomodo la "dinamica" del CMOS (stirata via software), l'errore risulta sempre, o giù di li, pari a poco più di un 1/100 di mag.
Giorgio

PS: l'H18 adesso è tra le amorevoli mani di Terry Platt :-* e quando torna vedrò di valutarne nuovamente la linearità.
Giorgio Clemente
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