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[产品使用评测] ASI533MC初印象—简单上手测评

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本帖最后由 bill44026a 于 2020-2-1 16:44 编辑

去年一直忙于其他事情使得天文摄影处于半出坑状态,直到年底才逐步回归。放眼望去,近几年冷冻cmos相机产品已经日新月异,这主要得益于cmos芯片技术的换代革新以及国内天文相机厂商产品研发能力的提升

以SONY公司为例,早期的IMX 0和IMX 1系列大多为前照式cmos,QE较低,并且不可避免的存在较为明显的辉光问题(例如IMX83、IMX071等等);随后推出的IMX 2和IMX 3系列逐步采用较新的背照式cmos,使得QE效率大幅度提升至80%以上,这样即使是将彩色cmos刮刮乐成黑白cmos也不用过分担心QE下降问题。然而,cmos的辉光问题仍得不到有效解决;从2018年开始,SONY公司推出最新的IMX 4和IMX 5系列背照式和堆栈背照式cmos,其QE不仅可以达到80%以上,值得欣喜的是辉光问题终于得到了完美解决。从目前天文相机厂商发布的测评来看,IMX533(14bit,仅彩色)、IMX571(16bit,仅彩色)和IMX455(16bit,彩色黑白可选)型号的冷冻cmos相机辉光问题似乎已经解决,并且IMX455(对应ASI6200MM和QHY600M产品)的原生黑白16bit已经下放,相信对于天文同好来说是个不小的福利

话说回自己,作为手头一向紧张的我来说,APS-C的IMX571和全画幅的IMX455自然与我无缘,最终还是决定下手ASI533MC。趁着拿去改黑白之前先初步测评一下这款IMX 5系的cmos,趁机学习一下如何测试常见的技术参数

Part1 外观印象和简单上手感受

ASI533MC的外观自然不用多说还是保持一贯的骚红色,在相机背后有两个USB输出口用于导星摄像头和滤镜轮的数据和指令中转,功能类似于USB hub,还有一个USB输入口用于将数据传送给电脑或者天文电脑(ASIAIR或ASIAIR Pro)

这里不得不称赞一下振旺很贴心的附送一些常见的转接环、USB数据线和垫片,方便我们用在不同的望远镜系统上

简单提及一下技术参数方面,ASI533MC像素不大,仅3.76um,适用于短焦比的快镜系统,如果是长焦比(>F10)的慢镜可以考虑BIN2拍摄;在unity gain设置下,相机的满井大概在16k(与14bit对应),加上较小的读出噪声使得相机的动态范围可以达到13bit以上

笔者通过将ASI533MC接入ASIAIR中进行测试,刚开始一直显示找不到相机,顿时有点惊慌。不过,后来将平板上的AIR app更新至1.4版本后就顺利连上了,这一点要稍加注意。通过几次的开机发现,这一款相机温度下降至-10度(与环境温差约25度)并保持±0.1度范围稳定大约需要10分钟,属于接受范围内

1.jpg

图1 ASI533MC接入ASIAIR测试现场

这里简单说几个不足之处
1)无法对相机的offset进行设置(似乎振旺Pro系列相机都被定死),导致bias余量偏大(映射在16bit下约2800Adu,图6和7有均值数据),损失一定的动态范围;

2)在拍摄bias帧时容易出现AIR app搜索ASIAIR wifi信号情况,而拍摄暗场时则未曾出现;
3)ASI533相机上可以考虑安装电源开关方便单独通断控制

Part2 暗场/偏置场测试


对于冷冻CCD而言,信号由一个ADC进行转换,暗场通常呈现对称分布(参考可喵的QHY367C测试帖子:http://www.astrocn.org/thread-2782-1-1.html)然而,对于冷冻cmos,一个像素对应一个ADC,对于暗场的一致性控制就显得尤为重要,表现为暗场的旗型分布(类似于非对称泊松分布)或在3σ之外出现明显的椒盐噪声,两者对于后期处理的坏点处理产生不利的影响

另一方面,暗场下的辉光效应同样也是本次测试的重点考察内容,因为在辉光的影响下,后期处理的暗场优化基本上难以实施

为此,我们首先测试了ASI533MC在-10度制冷,Gain=100(unity gain)下300s(图2),600s(图3)和900s(图4)的暗场,结果显示三个暗场均没有出现辉光现象,说明SONY新一代cmos的辉光问题已经解决。从分布上看,暗场分布比较对称均匀,绝大多数的暗噪声都落在3σ范围内,当然在3σ外还是存在少量的椒盐噪声。总体来说,除了分布形态上的差异之外,暗场分布与冷冻CCD相似

在MDL做bad pixel remove后,我们进一步比较暗场与偏置场的Std. Dev.(标准差值),在3σ排异标准下,300s,600s和900s暗场的标准差跟偏置场几乎保持一致,均在6-7之间,这一特点与冷冻CCD保持一致。换句话说,冷冻cmos暗电流增加时(排异情况下),涨落同样增加得很慢


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图2 在-10度下的300s暗场分布及Information数据

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图3 在-10度下的600s暗场分布及Information数据

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图4 在-10度下的900s暗场分布及Information数据

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图5 暗场(排异后)与偏置场的标准差值对比

Part3 技术参数测试

有了暗场和偏置场数据,实际上已经可以自行计算出读出噪声、暗电流等常见的技术参数,原理和方法主要参考可喵(http://www.astrocn.org/thread-2782-1-1.html)和椰风大师的帖子(http://bbs.imufu.cn/?mod=viewthr ... tra=page%3D1&page=1)。当然,这些参数厂家一般会在官网给出,这部分技术参数测试主要是看看参数是否存在虚标或个体差异情况,顺便也学习下技术参数测试的方法,如有纰漏请大家指正

3.1 暗电流

根据暗电流计算公式,需要分别得到暗场和偏置场的平均值,这个可以在MDL的information中得出,根据Q博士和椰风大师等人的经验,暗场和偏置场拍摄时环境温度应尽量保持一致以避免ADC温漂引入的误差,所以在测试过程中尽量使暗场和偏置场在1小时内拍摄完成

暗电流 = (暗场平均值 - 偏置场平均值)*gain/暗场曝光时间

这里,偏置场平均值采用5张偏置场平均值的平均数,gain值采用0.25e/Adu代入计算(数据来源于振旺官网,注意14bit映射在16bit时gain值需要除以4)。从图6的结果来看,ASI533MC在-10度制冷下算出来的暗电流是0.000492e/s,这个数值与振旺官网标称的0.00049e/s保持一致。如果分别计算出300s、600s和900s下的暗电流大小,似乎随着曝光时间增加,暗电流呈现减小的趋势,换句话说暗噪声增长是一个非线性的过程,这对于后期做暗场系数优化可能带来不利的影响

笔者进一步比较了不同时间拍摄的暗场其暗电流大小,结果表明同一曝光时间下的暗电流大小变化不大(图7)


6.png
图6 ASI533MC的暗电流大小及计算过程(1.30测试数据)

7.jpg
图7 ASI533MC的暗电流大小及计算过程(1.31测试数据)


3.2 读出噪声
本测试采用单张偏置场与40张偏置场相减得出标准差值,然后计算读出噪声,计算结果显示ASI533MC在-10度制冷下计算得出的读出噪声是1.1e,比振旺官网标称的1.5e(unity gain)略小。这一结果相比于业余冷冻CCD有较大的优势(普遍在5e以上),换句话说通过较短的曝光时间即可获得良好的信噪比

读出噪声 = 标准差(主偏置场 - 偏置场)/√2*gain

从图8数据上看,不同拍摄时间的偏置场代入公式中对读出噪声的影响并不明显,差异<0.03e。另一方面,我们发现偏置场在减去主偏置场后的读出噪声分布依然是均匀对称的,形态类似于高斯分布(图9)


8.jpg

图8 ASI533MC读出噪声大小及计算过程

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图9 偏置场减去主偏置场后的读出噪声分布及Information数据


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Part4 总结

在经过简单上手和初步测试过后,最后从技术层面简略总结一下ASI533MC冷冻cmos相机的特点
1)像素小,动态范围较大  适用于快焦比(F4-F6)的主镜系统,亦兼容长焦比的主镜;
2)暗场无辉光,分布形态良好,暗电流表现优异(实测在-10度下低至0.000492e/s)但暗噪声增长为非线性过程;
3)读出噪声小  实测在unity gain下的读出噪声为1.1e,读出噪声分布形态与高斯分布相似
4)14bit的ADC转换  不利于拍摄高光比的目标,仅能通过缩短曝光时间部分弥补缺陷

写在最后的最后,期待SONY公司可以进一步下放16bit的原生黑白cmos,同时进一步解决cmos的一致性问题,相信在不就的将来冷冻cmos将取代冷冻CCD成为业余天文相机的主力


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