Signaalien tasot CCD:llä (oikean valotuksen määritys)

Lauri Kangas · 07.02.2010, 20:21:53

Minkäslaisia pikselien arvoja taustataivaalle tai kohteelle käytätte CCD-kameroilla? CCD:llä kun ei näe suoraan samanlaista histogrammia kuin järkkärillä, niin valotuksen arvioiminen on vähän hankalaa. Onko 2000-3000 adua taustataivaalle liikaa vai liian vähän?

PetriKe · 07.02.2010, 23:23:34

Katsopa linkistä Sub-exposure Calculator. Se antaa vähän osviittaa myös noista sopivista taivaan aduista.

http://www.ccdware.com/resources/

Vesa Kankare · 09.02.2010, 19:53:58

Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 07.02.2010, 20:21:53
Minkäslaisia pikselien arvoja taustataivaalle tai kohteelle käytätte CCD-kameroilla? CCD:llä kun ei näe suoraan samanlaista histogrammia kuin järkkärillä, niin valotuksen arvioiminen on vähän hankalaa. Onko 2000-3000 adua taustataivaalle liikaa vai liian vähän?

Kyllä CCD:stäkin histogrammin näkee, riippuu tietty ohjelmasta.

Petrin linkki antaa tällä hetkellä HTTP 500:sta. Täytyy kokeilla myöhemmin uudestaan. Taustataivashan tulisi valottaa reilusti lukukohinan yli, jolloin lukukohina jää merkityksettömäksi valotuksia pinotessa. Eli periaatteessa kamerakohtainen ominaisuus mihin tuo tulisi asettaa. Järkevän ylärajan lienee määrittää taustataivaalta jäljelle jäävä dynamiikka?

Starizonan CCD oppaassa on käsitelty aihetta fyysikolle sopivin hieroglyfein... Starizona - Optimum Exposures

Lauri Kangas · 09.02.2010, 20:10:56

Lainaus käyttäjältä: Vesa Kankare - 09.02.2010, 19:53:58
Kyllä CCD:stäkin histogrammin näkee, riippuu tietty ohjelmasta.

Mahtaako tuo histogrammi olla samalla tavalla logaritminen mihin järkkärien takanäytössä on totuttu? Tokihan monessa ohjelmassa sellainen löytyy kuitenkin.

Lainaus käyttäjältä: Vesa Kankare - 09.02.2010, 19:53:58
Petrin linkki antaa tällä hetkellä HTTP 500:sta. Täytyy kokeilla myöhemmin uudestaan. Taustataivashan tulisi valottaa reilusti lukukohinan yli, jolloin lukukohina jää merkityksettömäksi valotuksia pinotessa. Eli periaatteessa kamerakohtainen ominaisuus mihin tuo tulisi asettaa. Järkevän ylärajan lienee määrittää taustataivaalta jäljelle jäävä dynamiikka?

Starizonan CCD oppaassa on käsitelty aihetta fyysikolle sopivin hieroglyfein... Starizona - Optimum Exposures

Itse kun testasin niin linkki toimi. Noukin siihen 314L+:n arvot gainille sun muille Craig Starkin bench-testistä Astrophoto Insightistä ja sain ihmeellisen pieniä lukemia sopiviksi taivas-aduiksi (pari kolme sataa). No, pitää tarkistaa luvut vielä.

Löysin myös nuo starizonan artikkelit ja kahlasin muutamia muitakin joissa oli vielä enemmän hieroglyfejä. Nyrkkisääntönä ilmeisesti käytetään jotakin sellaista että lukukohinan määrä olisi n. 5% taustataivaan kohinasta. Muuan sälli, ilmeisen kokenut kaveri, oli sitä mieltä että kannattaa laskea optimaalinen valotusaika ja sitten ottaa sitä puolet lyhempiä osavalotuksia tuplamäärä. Ilmeisestikin valotusten pituudella alkaa olla tuossa vaiheessa sen verran vähän merkitystä että ruutujen määrää kasvattamalla saadaan isompi etu. Tämä tottakai olettaen, että sirottelu (!) on käytössä. Toisaalta jäi vähän epäselväksi, että meinasiko se optimiaika nimenomaan sitä valotusaikaa jolla päästään 5% sky limittiin?

Laitanpa linkin noihin muihinkin artikkeleihin jos löydän ne vielä.

Vesa Kankare · 09.02.2010, 20:13:56

Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 09.02.2010, 20:10:56
Mahtaako tuo histogrammi olla samalla tavalla logaritminen mihin järkkärien takanäytössä on totuttu? Tokihan monessa ohjelmassa sellainen löytyy kuitenkin.

Tuskin ainakaan Nebulosityssä on. Epäilisin sen olevan melko lailla lineaarinen, sen verta hankala sitä liukusäädintä on vedellä siellä 0-1000 välillä.

oksanen · 10.02.2010, 11:33:19

Hieman tarkennusta edelläolevaan: taustaivaan kohinan (=neliöjuuri elektroneista) täytyy olla enemmän kuin kameran lukukohinan. Eli taustataivaan ADUt elektroneiksi (GAIN arvolla kertomalla) ja sitten luvusta neliöjuuri.

Esimerkki:

taustan arvo 500 (biasilla vähennetty), kameran (STL-1001E) gain 2 e ja lukukohina 14.8 e

taustan kohina elektroneina on sqrt(500*2) = 31.6

tässä tapauksessa kuva on ns. sky-limited eli kuvan kohina tulee pääosin taivaalta tulleista fotoneista.

Samalla tavalla voi laskea myös sen kysytyn minimivalotusarvon joka esimerkkitapauksessa on

14.8*14.8 /2 = 109

Huomattavaa että CCD-kamerat (tai niiden ohjausohjelmat) lisäävät valotusarvoon yleensä jonkun vakion (SBIG kameroissa 100) joka pitää tietty huomioida. Tämän pohjatason saa selville ottamalla bias-kuvan. STL-1001E kameralla kuvattaessa taustan on oltava siis enemmän kuin 209 (ADU).

Itse kohteen valotusarvon on tietysti oltava mahdollisimman suuri jotta sen signaali/kohina -suhde olisi mahdollisimman hyvä. Fotometriassa pyritään usein yhden prosentin (0.01 mag) tarkkuuteen jolloin SNR>100. Kohina on taas neliöjuuri signaalista eli valotusarvon tulee olla vähintään 10000 elektronia. Käytännössä tämä arviointi kannattaa tehdä ADUina, jolloin jää hieman 'pelivaraa' muiden häiriölähteiden suhteen. Millimagnituditarkkuudessa signaalivaatimus kasvaa jo miljoonaan elektroniin.

arto

Lauri Kangas · 10.02.2010, 16:16:43

Lainaus käyttäjältä: oksanen - 10.02.2010, 11:33:19
taustan arvo 500 (biasilla vähennetty), kameran (STL-1001E) gain 2 e ja lukukohina 14.8 e
taustan kohina elektroneina on sqrt(500*2) = 31.6
tässä tapauksessa kuva on ns. sky-limited eli kuvan kohina tulee pääosin taivaalta tulleista fotoneista.

Eli lasketko siis tuossa että se minimivalotusaika sky-limited kuvaan pääsemiseksi tulisi sellaisella valotuksella, jolla taivaan Poisson-kohina on yhtä suuri kuin kameran lukukohina? Ja taivaan esimerkkiaduillasi lukukohina on puolet tuosta fotonikohinasta? Eikö optimaalinen valotusaika olisi kuitenkin vielä enemmän kuin tuo, jotta lukukohinan osuus jäisi mahdollisimman pieneksi? (esim. tuon mainitsemani 5% osuuden verran). Siihenhän tarvisi reilusti pidemmän valotuksen. (Viittaan tähän paperiin: http://www.hiddenloft.com/notes/SubExposures.pdf)

Ilmeisesti mitä tuossa yritetään sanoa olisi siis että lasketaan aika jolla lukukohinan osuus olisi 5% ja sitten otetaan siitä puolet lyhempiä valotuksia sirotellen, jotta saadaan paljon dataa tilastollisille pinoamismenetelmille.

Lauri Kangas · 10.02.2010, 17:11:34

Noniin, luulin jo tajuavani mutta esimerkkiarvoilla tulikin mystisiä tuloksia. Graig Starkin mukaan Atik 314L+:n lukukohina on 3.7e ja gaini 0.267e/ADU (http://www.atik-usa.com/usa_downloads/Atik-AstroPhoto-Vol5-Issue4.pdf).

Noilla siis tuo minimi ADU arvo (jotta fotonikohina ylittäisi lukukohinan) on lk^2/g = 3.7^2/0.267 = 52 ADU biassin päälle. (Ilmeisesti Atikin lukukohina on niin pieni että taivaan kohina ylittää sen tosi lyhyilläkin valotuksilla.) Nyt taas jos halutaankin että lukukohinan suuruus olisi vain p = 5% taivaan kohinasta, tavoite ADU taustataivaalle onkin lk^2/p^2/g = 3.7^2/0.05^2/0.267 = 20500 ADU. Aika reipas ero, eh? Arvolla p = 10% tulisi taivaalle tavoitteeksi n. 5000 ADU. CCDWaren laskurissa käytetään arvoa 9%.

Eli nyt jos tavoittelisin tuollaista about 10% arvoa ja tavoitetaivaani olisi 5000 ADU ja noudatan Smithin neuvoja että voin surutta puolittaa tuon optimivalotusajan, niin sillähän tulisi sitten taustataivaalle juuri about sen 2000-3000 counttia biassin päälle niinkuin aluksi arvailinkin. Käytän sitten jotain sellaista osavalotusaikaa.

Ne joita nuo linkkaamani paperin kaavat puistattaa, voivat halutessaan tutustua tähän: http://www.hiddenloft.com/notes/ShortExpAppNote.pdf Tuo on saman äijän esimerkkiselostus tietystä casesta ilman kaavoja ja konkreettisillä esimerkkiajoilla. Lopputulos on että verrattuna 4x10min = 40min pinoon täsmälleen sama SNR saavutetaan kuvaamalla 9x5min = 45min. Lyhempien osavalotusten aiheuttaman lukukohinan osuuden kasvamisen taklaamiseen riittää siis tuossa tapauksessa vain 5min pidempi kokonaisvalotusaika, eli ihan hyvä kompromissi. Samalla saadaan sigma clippingille reilusti enemmän ruutuja pureksittavaksi ja on paljon pienempi haitta jos johonkin ruuduista osuu lentsikka, satelliitti tai kosminen säde.

Näyttää tulevan selkeää, tänään taitaa vihdoin päästä harjoittelemaan sitä sirottelua ja tutkimaan millä ajoilla noita 2500 ADUn taustataivaslukemia saavutetaan.

Edit: Ei tullutkaan selkeää, ja taisin sittenkin laskea väärin. Noiden hifimpien kaavojen mukaan taustataivaan adut pitäisi sittenkin olla vain satasen tai pari siihen biassin päälle. Ei tästä meinaa ottaa selkoa. Pitäisi tulla kelejä, niin voisi keskittyä olennaiseen eikä tällaisten juttujen murehdintaan.

oksanen · 13.02.2010, 15:22:09

Lainaus käyttäjältä: Lauri Kangas - 10.02.2010, 16:16:43
Eli lasketko siis tuossa että se minimivalotusaika sky-limited kuvaan pääsemiseksi tulisi sellaisella valotuksella, jolla taivaan Poisson-kohina on yhtä suuri kuin kameran lukukohina? Ja taivaan esimerkkiaduillasi lukukohina on puolet tuosta fotonikohinasta? Eikö optimaalinen valotusaika olisi kuitenkin vielä enemmän kuin tuo, jotta lukukohinan osuus jäisi mahdollisimman pieneksi? (esim. tuon mainitsemani 5% osuuden verran). Siihenhän tarvisi reilusti pidemmän valotuksen. (Viittaan tähän paperiin: http://www.hiddenloft.com/notes/SubExposures.pdf)

Ilmeisesti mitä tuossa yritetään sanoa olisi siis että lasketaan aika jolla lukukohinan osuus olisi 5% ja sitten otetaan siitä puolet lyhempiä valotuksia sirotellen, jotta saadaan paljon dataa tilastollisille pinoamismenetelmille.

Joo, tuo on minimivalotusaika, jotta pinoaminen parantaa kuvan singnaali-kohina suhdetta. Toki pidempi valotus on aina parempi, jos vain seuranta sen sallii. Optimivalotusaika riippuu monesta (ulkopuolisesta) tekijästä. Mutta siis silloin kun merkittvin osa kohinasta tulee fotoneista niin silloin pidemmästä valotusajasta verrattuna pinoamiseen ei ole juurikaan hyötyä. Oleellista on ymmärtää että kohina on tilastollista ja taivaalta tuleva valokin 'kohisee'. Kuva muodostuu aina signaalista ja kohinasta.

Itse käytän yhden minuutin valotusaikaa lähes aina.

arto