Valutazione del rumore nelle camere digitali

[Paolo]

Qualche tempo fa disquisivamo sull'argomento... Per avere dei numeri affidabili che "misurano" alcuni aspetti qualitativi delle nostre camere digitali (l'entita' del rumore introdotto dalla camera e' molto importante ma naturalmente non e' tutto) possiamo servirci di ISIS, il pacchetto di Christian Buil nato per la spettroscopia ma che puo' tranquillamente essere usato per effettuare il pre-processing di normali foto astronomiche e per fare, appunto, l'analisi del rumore di lettura, del segnale termico e la valutazione del gain.

L'analisi e semplicissima. Tutto cio' che occorre e una coppia di bias, una coppia di flat ed una di dark. I sei frames vanno dati in pasto ad ISIS in questa videata:

Christian mantiene aggiornata la sua pagina dove e' illustrato il metodo e sono riportati i valodi di numerose camere che montano diversi tipi di sensori (c'e' anche il link al tutorial pratico):

http://www.astrosurf.com/buil/isis/noise/result.htm

Questa estate ho fatto una prova quando la temperatura era "caraibica", potendo lavorare con il sensore ad una temperatura minima di zero gradi (la temperatura ambiente era sui 28-29°C). Di conseguenza il segnale termico (elettroni/pixel/secondo) rilevato era piuttosto alto. Provvedo quanto prima a ripetere le misure con il sensore almeno a -10° C. Le mie prove sono state integrate nella tabella di Christan (che pero' riporta erroneamente l'indicazione di T=-10°).

Questi i miei risultati

CCD SXVR-H694 s/n H694RL-037 (no binning) con sensore a 0°C:
Camera gain (inverted) : 0.319 e-/ADU
Read Out Noise (RON) : 6.08 électron(s)
Offset mean level : 2148.9 ADU
Dark mean level : 2165.5 ADU
Dark signal : 0.0110 e-/s

Raccomandaazioni:
- tempo di esposizione del flat non tanto lungo (max 20-30 sec) per non far alzare troppo il rumore termico.
- il segnale del flat entro 1/2 - 2/3 della gamma dinamica.
- tempo di esposizione del dark da 300 a 600 sec.
- fare attenzione alle infiltrazioni di luce nella camera per i dark/bias (operare se possibile in un ambiente buio).

Sono verifiche molto interessanti dato che le camere, anche dello stesso produttore, non sono tutte uguali. Altro dato interessante, specie in fase di scelta della CCD, la resa di camere di marca differente ma che utilizzano lo stesso sensore. Ponendo costante la temperatura alla quale lavora il sensore, si valuta la bonta' dell'elettronica.

Se vi va e quando avete tempo...

Il link per ISIS:
http://www.astrosurf.com/buil/isis/isis_en.htm

Ciao
Paolo

[Pering]

Molto interessante, mi ci tuffo subito.
Potresti comunque descrivere i risultati in parole povere?
Per esempio qual'è la grandezza più rappresentativa di ciò che noi astrofili intendiamo come rumore. e forse sarebbe bene anche definirlo per bene questo maledetto rumore che tanto ci perseguita.

[Paolo]

Grazie Edo! Il risvolto pratico di queste valutazioni e' la magnitudine limite raggiungibile. Nota che il valore riportato in tabella e' relativamente basso perche' si parla di spettri in determinate condizioni operative e non di immagini stellari classiche. Tuttavia il discorso qualitativo e' perfettamente trasportabile in astrofotografia (la migliore camera per gli spettri e' anche la migliore per le foto). E' interessante notare che la differenza di 0.4 magnitudini e' quanto separa un C14 (355 mm di apertura) da un C11 (280 mm).

Unica considerazione da fare e' che siamo prevalentemente in un regime dominato dal rumore elettronico essendo il fondo cielo pressoche' trascurabile. La dispersione spettrale infatti "diluisce" moltissimo il fondo cielo il cui segnale spesso e' invisibile oppure appena percettibile sopra il rumore. Tra l'altro proprio per questo la spettroscopia puo' essere efficacemente praticata anche da siti inquinati. Il rumore "fotonico" (quello statistico associato al segnale del target) non entra in gioco per il fatto che stiamo parlando di segnali al limite (prossimi al background) per cui sarebbe lieve o meglio trascurabile rispetto a quello elettronico. Nella pratica astrofotografica la situazione descritta e' quella in cui si riprende con filtri a banda stretta o anche senza questi ma in presenza di un basso inquinamento luminoso (ad esempio lavorando sotto un cielo di montagna). In presenza di un forte inquinamento che solleva il fondo cielo ed il suo rumore associato, le cose sono un po' diverse.

Detto questo, la sintesi che fa Christian e' che un sensore deve avere principalmente due caratteristiche ottimali, l'efficienza (percentuale di conversione in elettroni dei fotoni incidenti) e il RON, ovvero il rumore di lettura. Non e' che il rumore termico (quello cioe' associato al segnale termico che vediamo nei dark) non conti, il fatto e' che nelle camere di nuova generazione e' cosi' ridotto (per tecnologia e/o raffreddamento) che il suo contributo e' minimo comparato al RON. I primi sensori KAF della Kodak sono ormai un lontano ricordo con i loro frame costellati da una miriade di pixel attivi tanto da nascondere il soggetto se prima non venica sottratto almeno un dark. Ovviamente, in presenza di una anomalia nel rumore termico, il discorso cambia e anche questo deve essere tenuto in considerazione. Ma e' proprio questo test a dirci se va tutto bene, o meglio, se i parametri misurati rientrano nelle specifiche del costruttore.

Concludo citando una frase di Christian: "On notera que le déficit en rendement quantique du CCD ICX285AL par rapport à l'excellent KAF-3200 est largement compensé par le faible bruit de lecture du premier par rapport au second."

Tradotto a grandi linee: "Si noti che il deficit di efficienza quantica del sensore ICX285AL rispetto all'eccellente KAF-3200 e' largamente compensato dal basso rumore di lettura del primo sul secondo".

Stiamo dicendo che una Atik 314L, che ha un'efficienza globale molto piu' bassa della QSI 532 (44% rispetto a 79% nel rosso), ha una resa sulla magnitudine limite molto simile (se non superiore in alcuni modelli), cio' grazie al suo rumore di lettura piu' basso, 4.5 contro 11.5 elettroni.

Ciao
Paolo

PS: se ISIS non si installa puo' darsi che nel sistema operativo del computer manchino le librerie del .NET Framework 4. Il pacchetto si scarica da qui:

http://www.microsoft.com/en-us/download ... x?id=17851

[Pering]

Fatto: STL 11000M T=-30° Fonte Vetica Luglio
Che significa?
Camera gain (inverted) : 0.831 e-/ADU
Read Out Noise (RON) : 9.67 électron(s)
Offset mean level : 731.4 ADU
Dark mean level : 733.8 ADU
Dark signal : 0.0033 e-/s

[Paolo]

Che la camera rispetta le specifiche e che ha un RON migliore della QHY11 nell'elenco delle camere. Il gain inverso di poco differente da questa camera e' normale in quanto ogni costruttore stabilisce, entro certi limiti, il valore. Se vuoi contribuire alla raccolta dati manda le tue misure a Christian, la sua e-mail e' indicata al termine della pagina:

http://www.astrosurf.com/buil/isis/noise/result.htm

Ciao
Paolo

[Pering]

L'indirizzo non l'ho trovato.
Nelle istruzioni in francese c'è un rettangolo selezionato, io non l'ho fatto secondo te devo ripetere l'analisi? e se si come devo selezionare il rettangolo?

[forcina.rosara]

Dalla descrizione che ho trovato sul sito di Christian Bull, mi pare di capire che la procedura che lui usa per il calcolo del gain non utilizzi i dark dei flat; si tratta di una approssimazione di cui farei a meno. Invece, la coppia di dark che richiede gli servono solo, mi pare, per confrontare il background con quello dei bias.
La procedura corretta per il calcolo del gain è descritta in queste mie due paginette
http://www.stat.unipg.it/forcina/download/gain.pdf

Inoltre, sarebbe opportuno distinguere il fenomeno termico che produce un incremento del backgruìound nelle pose prolungate, da quello che produce un aumento dei disturbi random dovuto ad un certo numero di pixel caldi per caso che non fanno aumentare il background ma fanno aumentare di molto il rumore. Dagli esperimenti fatti con Edoardo Perenich è risultato che, sebbene le moderne camere raffreddate non soffrano più del primo problema, soffrono e anche molto del secondo.

[mmorri2]

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