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Test sulla linearità della SXp SXVR-H18

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

Messaggioda Giorgio Clemente » 31 gen 2021, 1:33

Ciao a tutti. Per evitare confusione tra la versione sbagliata e quella giusta, ho rieditato il testo correggendolo...
Prima che il mio fidato e "datato" CCD della Starlight Xpress (il modello SXVR-H18) presentasse dei problemi di alimentazione (non solo lui a dire il vero... :ymblushing: ), discutendo con Paolo sulla "strana" risposta spettrale misurata di alcuni filtri per fotometria (ma questo sarà da me affrontato in un altro topic =; ), è nata l'idea di testare come l'H18 riesca ad acchiappare fotoni con il variare dei tempi di posa a parità di sorgente di illuminamento.
Visto che ora grazie alla BREXIT la CCD è ferma da giorni per lo sdoganamento necessario al viaggio verso la casa madre (e pensare che con Terry Platt tra rappresentargli il problema, fare due test da lui suggeriti e spedire il tutto sono state necessarie meno di 24h...) mi sono deciso a riportarvi quanto da me osservato.
Innanzitutto il setup

Il setup per il test.jpg

Ho posto alla distanza di circa 1 metro dal CCD una flat field box (FFB) autocostruita

Flat field box.jpg


poi davanti alla finestra in quarzo (a protezione del sensore) dell'H18, priva di ottiche di focalizzazione, ho posto della carta opalina (da disegno tecnico) si da avere, grossomodo, la luce incidente sul sensore uniformemente diffusa almeno sull'area centrale (un rettangolo di circa 24000 pixel) del CCD per poi procedere con le misure...

La SXVR-H18.jpg


Ovviamente tutte le misure sono state fatte al buio, di notte, con la luce della FFB "messa al minimo" e con lo schermo del PC disattivato durante le riprese.
Le misure, sia di taratura del flusso che di analisi del suo andamento in funzione del variare delle esposizioni, sono sempre statistiche e riferite al valore medio (average) degli ADU registrati entro un rettangolo (piccolo di 24090 pixel) posto al centro del frame. In buona sostanza "l'average ADU" è uguale alla somma di tutti gli ADU dei pixel del riquadro divisa per il numero degli stessi pixel.
Allego, quale esempio, il jpg derivato da un FIT di una ripresa della luce proveniente dalla FFB; in questo caso l'ADU average era di 3108 ADU.Al centro, in rosso, il riquadro di 24090 pixel utilizzato in ogni frame per l'analisi statistica di quanto percepito dal CCD.

E40c statistics.jpg


Il primo problema che ho dovuto affrontare, per dare coerenza alle misure fatte, è stato quello di uniformare nel tempo la sorgente di illuminamento.
Difatti la FFB, alimentata dalla rete elettrica domestica, poteva variare (anche impercettibilmente) il suo flusso luminoso irraggiato con una conseguente poca accuratezza delle misure.
Per far questo, ad intervalli "regolari", tra un gruppo di riprese ed un altro, ho fatto delle riprese di taratura (sempre di 30 sec) e degli ADU percepiti ne ho fatto la media (nel senso sopra citato) e ho stimato lo scostamento di ogni ripresa (di taratura) rispetto tale valore medio (lo scostamento in percentuale, è stato poi tradotto in un fattore di normalizzazione: ΔFL).
Quindi ho raccolto per determinati intervalli l'andamento del flusso luminoso proveniente dalla sorgente e ho trascritto su di una tabella e riportati su di un grafico i valori letti :-B .

Tabella taratura flusso luminoso.png


questo il grafico

Grafico taratura flusso luminoso.png


Come si vede durante tutto il test, la massima variazione registrata di flusso luminoso proveniente dalla FFB è stata sempre inferiore all'1.5%. Quindi, con "buona" approssimazione, sono stati trovati i coefficenti di correzione per normalizzare le riprese fatte (in ADUc dove c sta per ADU corretti della variazione di flusso; vds tabella seguente).
Prima di parlare delle riprese, preciso che, ovviamente, ho sottratto a queste l'offset della camera (o bias) mentre non ho tenuto conto del dark frame vista l'onerosità della cosa (innumerevoli riprese di tempi diversi) rispetto il reale vantaggio di sottrarre anche la corrente di buio ai singoli frame acquisiti. Difatti da conti fatti con AA7 (tool "statistica" di un riquadro) anche nelle esposizioni più lunghe del test, lo scostamento statistico tra gli ADU (average) di un frame sottratto del solo bias e quelli dello stesso sottratto del bias e del dark era in ragione di una differenza di una parte su diecimila circa... quindi trascurabile per questo test.

Questa la tabella delle riprese fatte

Tabella ADU registrati.PNG



dai valori ADUc (normalizzati per una sorgente di illuminamento costante) si ottiene il grafico

Grafico ADU registrati.PNG


e questo è un dettaglio dello stesso nella regione "dei conteggi bassi" degli ADU registrati

Grafico ADU registrati dettaglio.PNG



La zona di linearità del sensore si colloca tra le misure L1 (660 ADU circa) ed L2 (intorno a 56000 ADU). Dalle misure fatte, prima di 600 ADU l'andamento è pressoché "lineare" anche se sono presenti delle piccole, ma non trascurabili, variazioni della pendenza della curva (che è una retta) lungo il tratto delle misure fatte. Dopo i 56000 ADU, il CCD non si comporta più in maniera lineare e ad un crescente bagno di fotoni vi è un incremento, via via di sempre meno ADU.
Nella posa più lunga (80 sec) quando il valore medio degli ADU si attesta a poco meno di 57000, tutte le colonne vanno in blooming.

E800c.jpg



La linearità di un CCD, di solito viene misurata valutando lo scostamento tra le caratteristiche ideali (di risposta lineare in termini di volt, poi tradotti in ADU, in funzione dell'esposizione del sensore a parità di illuminamento I) e quelle reali (o misurate). Quindi, campionando a 16 bit, in un range (con buon peso) tra 600 e 57000 ADU tale CCD può essere utilizzata con profitto anche per indagini fotometriche degli oggetti della volta celeste. Si tratta ora di valutare la bontà di tale linearità.

Giorgio
Ultima modifica di Giorgio Clemente il 5 feb 2021, 14:24, modificato 4 volte in totale.
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Messaggioda Paolo » 31 gen 2021, 11:18

Ciao Giorgio, grazie per il report!

Volevo solo dirti, per poter valutare lo scostamento rispetto ad un andamento lineare, di graficare i conteggi in funzione del tempo di esposizione (non del frame della sequenza). Questo, oltre a tranquillizzarti sulla linearita' ai bassi ADU, ti consente di trovare gli scostamenti rispetto ad una retta che interpola i dati. Nel tuo grafico i cambi di pendenza sono dovuti (anche) alla differente risoluzione temporale.

Mostraci il nuovo grafico quando puoi (se usi excel, grafico x-y o a dispersione).

Paolo
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Messaggioda Giorgio Clemente » 31 gen 2021, 17:19

OPSS!
Grazie Paolo.
Ero convinto di aver associato ad ogni punto delle ascisse (numero delle pose) i valori relativi alle esposizioni.... :ymblushing:
Non è un segreto che per me EXCEL sia al 90% ancora territorio vergine ed inesplorato. :(
Ovviamente non ha significato valutare quanti ADU registri la camera CCD al variare dei frame della sequenza...
D'altra parte, come detto nel report che vi ho girato, per vedere come si comporta il sensore (nel senso degli ADU registrati) bisogna necessariamente valutarlo, a parità di sorgente d'illuminamento, al variare dei tempi di esposizione ovvero per determinarne la linearità (o meno) nell'accumulare le cariche generate.
Oggi sono un po' indaffarato... appena posso correggo il tiro e vi mando il report completo e corretto.
Grazie ancora
Giorgio
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Messaggioda Giorgio Clemente » 31 gen 2021, 22:58

A scanso di equivoci volevo avvisarvi che ho rieditato il post di partenza correggendolo; sta vecchiaia... :-\
In particolare, ho potuto apprezzare un range di linearità della mia SXVR-H18 ben più vasto :-* di quello che erroneamente (ed a malincuore :(( ) ritenevo possedesse dall'elaborazione "sbagliata" delle misure.
Quindi grazie ancora Paolo per avermi segnalato la svista.
Giorgio
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Messaggioda Paolo » 1 feb 2021, 11:30

Figurati Giorgio!

Adesso c'e' da fare l'ultimo passo. Infatti la bonta' della linearita' non si evince dall'ultimo grafico perche' la scala non lo consente. Come ti dicevo, per ogni esposizione bisogna calcolare la deviazione dalla linearita' effettiva. E' la stessa operazione che hai fatto per stimare lo scostamento dei sette frame di controllo rispetto al valore medio. Stavolta il valore di riferimento medio non e' una costante ma e' un dato che si misura per ogni valore di esposizione sull'andamento teorico lineare (la retta che interpola i punti del grafico).

Con excel puoi procedere in questo modo. Evidenzia la serie del tuo grafico e con un click destro del mouse seleziona la funzione "Aggiungi linea di tendenza", specifica l'opzione "Lineare" e spunta "Visualizza l'equazione sul grafico". E' molto importate aumentare il numero dei decimali dell'equazione per evitare che gli errori di approssimazione del foglio elettronico diventino troppo grandi (click destro sull'equazione -> formato etichetta tendenza -> numero -> posizioni decimali -> 5 o piu').

Aggiungi una nuova colonna nella tabella dati dove riporti l'equazione della retta trovata da excel. Per ogni esposizione ti restituisce i punti sulla retta. Aggiungi infine una colonna subito a destra di quella contenente i valori di esposizione dove inserisci una semplice formula di sottrazione che calcola lo scostamento. Il grafico finale e' lo scostamento in funzione del tempo di esposizione. Mostrera' i piccoli scostamenti enfatizzati, permettendo la corretta valutazione sulla linearita' della camera.

Ti mostro un esempio con dati inventati. In alto il grafico al quale sei gia' arrivato, a cui e' sovrapposta la linea di tendenza di tipo "lineare". Sopra e' descritta l'equazione della retta. Sotto la tabella dati completa per stimare gli scostamenti. Nota come nel grafico sotto vengano enfatizzati gli scostamenti, prima appena accennati.

LIN.JPG


Piu' la camera e' lineare, piu' i punti del grafico tenderanno ad essere disposti orizzontalmente intorno allo zero. Sui conteggi alti vedrai sicuramente una decisa flessione per problemi di saturazione, sui bassi e' da verificare. Nel mezzo dovrebbe essere ok anche se l'abbassamento dei livelli che hai riscontrato durante le riprese nei frame di controllo (probabile anomalia della rete elettrica) potrebbe aver creato qualche problema.

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Messaggioda Giorgio Clemente » 1 feb 2021, 12:51

Ok. Roger
Adesso al lavoro, dunque, per valutare concretamente quanto sia lineare il CCD quantificandone gli scostamenti rispetto la "linearità effettiva". :ymhug:
Giorgio
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Messaggioda Paolo » 1 feb 2021, 14:13

Ciao Giorgio, credo sia conveniente escludere i dati sicuramente devianti prossimi alla saturazione (diciamo da 50K in su) nel calcolo della retta che interpola i punti con i minimi quadrati e che fungera' da riferimento per gli scostamenti.

Volevo anche dirti che l'equazione della retta si puo' creare direttamente in tabella (senza lavorare sul grafico), usando le formule excel "pendenza" e "intercetta" che corrispondono rispettivamente al coefficiente e all'offset. Penso che sia piu' semplice.

Nel solito esempio:

lin2.JPG

Ovviamente il contributo degli altri amici del forum e' assai gradito!

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Messaggioda Giorgio Clemente » 5 feb 2021, 13:09

Scusate il ritardo, ma proprio non ho avuto tempo de dedicarvi.
Ad ogni buon conto ecco il risultato che ho ottenuto...
Ho valutato la linearità dal frame L1 al frame L2

Tabella misure Linearità A1.PNG


riferiti alla curva "qualitativa" sull'andamento della linearità

Grafico ADU registrati.PNG


questo un dettaglio dei minimi

Grafico ADU registrati dettaglio.PNG


il valore massimo L2 (poco sotto i 50000 ADU) è stato scelto come limite superiore perché da questo punto in poi i frame cominciavano ad evidenziare una saturazione dei pixel (FWC) :-s
questo il frame di L2

E640c.jpg


ebbene, ecco la retta d'interpolazione (o di tendenza come viene detta in EXCEL).

Retta interpolazione.png


Da questa, lo scostamento dei valori trovati degli ADU rispetto quelli ideali della retta d'interpolazione (per il range dei valori da L1 a L2)

Scostamento linearità.PNG


e questo un dettaglio per la zona sotto i 7000 ADU

Scostamento linearità dettaglio.PNG


Tale risulterebbe l'andamento della linearità del sensore tra i 700 e i 48000 ADU.
Rimangono ovviamente dei dubbi circa la calibrazione del flusso luminoso... :| difatti 7 misure sono un po' pochine per stabilire il reale andamento del flusso luminoso durante il test. La stima del flusso fatta può essere ritenuta, a mio avviso, solo qualitativa e indicherebbe, grossomodo, il suo andamento nel corso del test. Tra le sette misure (di taratura ad esposizione costante) non ci sono stati comunque notevoli sbalzi di illuminamento registrati il che suggerirebbe una certa rispondenza delle misure fatte alla realtà di quanto ripreso.
Ad ogni buon conto, quando riavrò la CCD operativa (ora è ancora in dogana dopo 10gg X( ), vorrei rifare tutte le misure, campionando stavolta in tempo "reale" (diciamo ogni 3,4 sec, dipenderà da come mi risponderà la ASI174), con una camera dedicata (la ASI174 appunto), l'andamento della tensione di rete (riprendendo una lampada campione) e quindi della luce sul sensore oggetto del test.
Vedremo se vi saranno grosse sorprese (non credo comunque visto il range dei valori trovati) e comunque tale doppio sforzo servirà anche per avere un ulteriore riscontro su quanto fatto e sulla procedura utilizzata.

Giorgio
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