Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

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Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Christian Buil » Sat Feb 09, 2019 5:13 pm

A short review of a recent color CMOS camera - ASI294MC - in the field of spectrography. The performances are really exceptionnal for spectrography (readout noise inferior to 1.5 electron (the key parameter), high QE, 14 bits...). But it is a color sensor (Bayer matrix)... but I am impressed by the results (test on UVEX(3) spectrograph and Celestron 9.25 at the direct f/10 focus)...


Il n'est pas vraiment courant d'utiliser un capteur couleur (à matrice de Bayer) pour prendre des spectres. C'est même normalement non recommandé...

Mais voila, la caméra ASI294MC pro (ZWO) est arrivée sur le marché avec son capteur Sony IMX294GJK.
Donc un capteur couleur, le seul défaut, car pour le reste :

Pixels relativement larges pour du CMOS (4,63 microns), 65000 e- de dynamique, numérisation sur 14 bits, rendement quantique au pic surement proche de 70% (ce qui m'a taper dans l'oeil c'est la noiceur du capteur, jamais vu cela pour les amateurs, signe que la lumière est bien absorbée, c'est ce qui m'a fait acheter cet objet sur le champ aux RCE de cette année !), très faible électroluminesence, et puis... le bruit. Voici mes mesures (avec réglage gain 20 dB) :

Canal rouge : gain (réciproque) de 0,362 e-/ADU, bruit de 1,49 e-
Canal vert : gain (réciproque) de 0,379 e-/ADU, bruit de 1,34 e-
Canal bleu : gain (réciproque) de 0,197 e-/ADU, bruit de 1,42 e-

Le gain est extraordinaire : rendez-vous compte, il suffit de 0,37 électrons pour sauter d'un ADU ! On s'approche aussi de l'électrons de bruit. Pour mémoire le capteur Kodak d'une ATIK460EX possède un bruit de 5,1 à 5,2 électrons. Avec les 1,4 électron du capteur Sony c'est comme si on multiplié la taille du télescope par deux en gros !

Quelques tests avec le spectrographe UVEX(3). Une image du Soleil, en couleur donc, restituée sans traitement particulier :

Image

La dynamique d'affichage des images couleurs ne rend pas ce que le détecteur enregistre. Voici en forçant un peu :

Image

Ici, il y a une très bonne nouvelle, le capteur laisse passer l'UV (raies H&K) et l'IR. Coté IR justement, en mettant un filtre d'ordre OG580 :

Image

On voit le doublet du sodium dans le jaune (avantage du capteur, on a les "vraies" couleurs !). En forçant le contraste, on attrape sans problème le triplet du Ca II et on arrive jusqu'à 1 micron de longueur d'onde (en fait la matrice de Bayer fonctionne alors presque comme un capteur N&B) :

Image

Et en poussant comme toujour du coté des faibles lumières, un truc que j'avais jamais vu avec un spectro de ce type :

Image

...tout à droite, c'est l'ordre 3 du réseau que l'on observe, avec le sodium, cette fois dédoublé. C'est un cas d'école du principe de la sélection des ordres dans un spectrographe à réseau. Noter que toutes ces vues ont été réalisées sans effectuer la moindre refocalisation grave à l'achromatisme de UVEX.

Et maintenant passons aux choses sérieuses. Le spectre de l'étoile Castor pris avec UVEX(3) (fente 23 microns et réseau 300 t/mm), la caméra + ASI294MC le tout sur un C9.25 :

Image

L'étoile est brillante, certes, mais le temps de pose est à noter. A vrai dire, la turbulence était si forte (5 arcsec au moins) que j'estime que le temps de pose effectif équivalent avec un seeing normal (2-3 arcsec) doit être de 4 à 5 secondes seulement !

La voisine, Pollux de type K0III :

Image

Pour les sceptiques, qui pourraient penser qu'un capteur couleur doit générer des artefacts et du bruit, j'ai mis pour comparaison un spectre MILES d'étoile équivalente, en rouge. Tout est bon, on peut faire de la science avec un capteur CMOS couleur ! Le temps de pose est de moins d'une minutes et toujours avec un mauvais seeing).

L'étoile carbonée W Ori :

Image

détails des parties faibles :

Image

Une vue couleur du spectre 2D de cet objet :

Image

(il y a ici un coté pédagogique qui est l'esprit d'un projet expérimental comme UVEX).

L'image spectrale de la nébuleuse d'Orion M42 :

Image

et le profil (le pouvoir de résolution est de R = 1000 à 650 nm) :

Image

Image

(noter la détection de l'intense raie [OIII] à 3727 A avec un profil bien fin).

Tous ces traitement ont peu être faits avec ISIS en rusant un peu.

Pour un capteur non idéal, je trouv ces premiers tests fort encourageant (on imagine, ce que cela donnerait une version N&B !).
Même en couleur (donc par exemple 1 pixel actif sur 4 dans le bleu), j'ai trouvé une "pèche " dans les acquisitions brutes qui m'impressionnent, possible que ce soit aussi bon qu'une caméra ATIK460EX exploitée dans les mêmes conditions. A consolider bien sur. La clefs c'est que l'on est pas loin de compter les photons un à un...

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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Robin Leadbeater » Sat Feb 09, 2019 6:06 pm

The ATK460 also has a Sony sensor of course (an ICX694 CCD) but the read noise of this CMOS sensor (importantly measured at a sensible gain figure) is very impressive. I hope they bring out a mono version. (even at 70% QE/pixel, the sensitivity must still suffer with only 1/4 of the sensor area sensitive in the red and blue.)

How smooth is the instrument response? (I generally find it difficult to get a good instrument response at low resolution with colour cameras because of the bad match between the sensitivities of the 3 colours)

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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby etienne bertrand » Sun Feb 10, 2019 9:54 am

Merci pour ce compte rendu.
C'est vrai que c'est un peu surprenant de pouvoir faire de la science avec un capteur couleur (matrice bayer), mais tant mieux ! Pour le coté pédagogique c'est super parlant !

Par contre vu la taille de capteur on ne peut pas aller plus loin dans le bleu pour le spectre d'étoiles avec le réseau 300tt/mm aller de 3500 à 8000A pour avoir un vrai gain par rapport à l'Alpy ?
Ou avec le réseau 600tt/mm aller de 3600-7500A ? pour améliorer la résolution.

Au niveau des magnitudes, peut on attraper les galaxies, QSO et supernovæ (m~16) avec ce spectro ?
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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Robin Leadbeater » Sun Feb 10, 2019 12:16 pm

I have been reading the specification on the ZWO page
https://astronomy-imaging-camera.com/pr ... -pro-color
The low read noise is only for the "high conversion gain" (HCG) mode. Does anyone know what this means ?
https://astronomy-imaging-camera.com/wp ... -gain2.jpg

Cheers
Robin
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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby James Ley » Sun Feb 10, 2019 5:25 pm

Hello Robin,
I feel that astrophotographers have a better understanding of how to maximize the interplay between gain and exposure time to their advantage. With the ASI294MC the relation between gain and read noise has an abrupt change.

I am a novice, but I thought one should avoid extremely short acquisition times in spectroscopy due to scintillation. For bright objects, sometimes I lower the gain to zero to extend the exposure time and increase the dynamic range. I find this especially useful to get a good spectral response. Usually I use about 13.5 dB gain (roughly 20%, a middle-of-the-road gain setting) and extend the time until the max value is about 2/3 maximum. But for faint objects, when even at 600 s the maximum pixel value is less than 1/3 maximum, maybe I should increase the gain to 40%. But I feel that I should have prepared darks with this higher gain value.

For some comparison, here is a spectrum of W Ori with ASI178MM-Cool (monochrome). 0.150 m telescope, 1 x 40s. Alpy with 23 µm slit.
W Ori 1 x 40s.png
W Ori 1 x 40s.png (13.96 KiB) Viewed 363 times

That is less than 1/10 of the time of Christian's spectrum!
Shelyak Alpy 600 (spectroscope, guiding module and calibration module) | GSO 6" f/6 | Orion Atlas Pro | ZWO ASI178MM-Cool (mono) | ZWO ASI290 Mini (mono)
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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Christian Buil » Sun Feb 10, 2019 8:34 pm

Etienne, je ne pense pas qu'il faille systématiquement comparer les spectrographes, les mettre en concurrence en quelque sorte, genre Alpy vs UVEX.
Chacun d'eux a sa personnalité, ces spécificités propres, avec une multitude de points à considérer qui ne pourront dégager vraiment une supériorité de l'un sur l'autre.

Mon opinion est que UVEX est clairement à ce stade un spectrographe expérimental, qui peut intéresser les utilisateurs qui n'ont pas de soucis à mettre les "mains dedans". C'est fort loin d'être une chose partagé par les observateurs, et c'est normal. Une spécificité de UVEX est la polyvalence, et je ne me prive pas d'utiliser cette possibilité : pouvoir par exemple passer de l'UV à l'IR en un claquement de doigt, cela me plait bien. Mais à coté de ce genre de chose, UVEX version impression 3D est un instrument difficile à régler, et il faut se creuser la tête pour l'exploiter au maximum des possibilité. On est très loin ici d'un Alpy 600 !

Je crois que chacun doit ce faire son idée avec tout ce qui est dit ici.

Concernant l'usage d'une caméra couleur, il y a bien sur le coté ludique et challenge à retenir. Là encore, il est difficile de comparer avec les autres modèles de caméras je pense. Cependant, il y a des tendances qui se dessinent et je rappelle que le CCD tel qu'on en dispose aujourd'hui, c'est je pense fini dans disons 2 ans, peut être 3 ans (on verra si j'ai raison), et comme j'aime bien anticiper, j'investi pas mal dans le CMOS (en fait l'écrasante majorité des personnes qui investissent dans l'imagerie numérique s'équipent en CMOS, plus du tout en CCD, cela va ce passer aussi en spectrographie).

Pas de raison de ne pas pouvoir faire des quasars ou autres SN, y compris avec le capteur couleur d'une ASI294MC (et encore plus en CMOS N&B). Mais Bon, dans le rouge, toute choses égales par ailleurs, la sensibilité dans le rouge d'un capteur couleur à matrice de Bayer est 1/4 de celle qu'elle est avec un capteur monochrome. Ca fait un peu mal, c'est clair... Le problème aussi est que de chez moi (Toulouse), on ne voit plus que très rarement les étoiles (il se passe des choses coté climat ;-) et je suis de plus en plus pollué, et là ça devient dur. Je laisse malheureusement plutôt ces à d'aux autres à présent, mieux situés (snif).

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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Christian Buil » Sun Feb 10, 2019 8:59 pm

Hello james,

The situation is complex when you want to compare B&W cameras and colors cameras.

Very clearly, the benefit is for monochrome cameras in spectrography. As Robin says, a detector with a Color Filter Array (CFA) structure is at least 2 to 4 times less efficient concerning global quantum efficiency.

But the quantum efficiency at the level of the individual pixels progresses and also, especially the readout noise.

To show that the comparisons are difficult, and also to show the potential of the new sensors, below, my color spectrum of W Ori by retaining only one image of the sequence, i.e. an exposure of 60 seconds only. My telescope is bigger (235mm vs 150mm), but my seeing was very bad. But also, I admit, the optical performance of UVEX is a bit higher than that of Alpy:

Image

...remember that only 1 / 4 (approximately) pixels records light versus a B&W sensor. As we see James, the result is quite comparable with your spectrum. It's a significant information I think (but again, this type of comparison is difficult, there are many parameters that come into play).

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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Christian Buil » Sun Feb 10, 2019 9:31 pm

Hi Robin,

Below my pipeline for extract global instrumental response (including atmosphere). Sorry, the text is in french... but illustrated (copies extracted from futureUVEX documentation - but this is applicable to all spectrographs and B&W sensors of course).

The key point is the use of a halogen lamp in front of the entrance of the telescope: a standard domestic 120W model for a color temperature of 3000K. The spectrum produced is really very similar to a 3000K black body. It's fundamental for me. The calibration module of Alpy 600 is very far from this situation (in blue particularly) and this poses many problems for users - including me. I definitely adopted a manual technique for the moment!

The second point is that I calculate two response. I separate well the responsivity related to the instrument (almost constant) and the responsively related to the atmosphere (variable on the time, with star angular elevation,...).

Do not panic, it is longer to explain than to do in practice.

Quelques planches qui expliquent ma méthode actuelle de traitement des spectres pris avec un capteur couleur (à ce stade c'est du "gadget'", car il vaut bien sur mieux travailler avec une caméra monochrome). Ces planches sont écrites comme une partie de la documentation UVEX, mais ce qui est dit là est bien sur applicable à tous les spectrographes et aussi aux capteurs N&B bien sur.

Noter le point clefs qui est l'utilisation d'une lampe halogène en face de l'ouverture du télescope : un modèle standard de 120W pour une température de couleur de 3000K. Le spectre produit est vraiment très similaire à celui d'un corps noir. C'est fondamental pour moi. Le module de calibration de Alpy 600 est loin de cette situation, singulièrement dans le bleu, et cela pose de nombreux problèmes aux utilisateurs - dont moi aussi). J'ai définitivement adoptée une technique manuelle pour le moment !

Le second point est que je calcule deux réponses. Je sépare bien la réponse liée à l'instrument (quasi constante) et la réponse liée à l'atmosphère (qui est variable en fonction des conditions du moment et de la localisation de l'étoile dans le ciel).

Pas de panique, c'est plus long a expliquer qu'a faire en pratique. Je pense que ce genre d'explications peut être utile au besoin


Christian Buil

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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Robin Leadbeater » Mon Feb 11, 2019 12:40 pm

Ah yes, of course, with slit spectrographs a good flat is the key, thanks !

It is a shame the flat does not help with slitless systems. I am looking for ideas for the Star Analyser user. Many Star Analyser users start with a colour camera. The instrument response is a problem for them. (The fine ripples in the QE of some mono sensors is also a problem) Hot stars can be used but at the very low resolution of the Star Analyser it can be difficult to separate the star spectrum features from the instrument response. You have given me an idea. Perhaps an answer could be to measure the instrument response with a Halogen artificial star and then use the hot star to fine tune it for the atmosphere.


Cheers
Robin
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Re: Color spectrograohy (ASI294MC camera + UVEX)

Postby Robin Leadbeater » Mon Feb 11, 2019 2:51 pm

Robin Leadbeater wrote:I have been reading the specification on the ZWO page
https://astronomy-imaging-camera.com/pr ... -pro-color
The low read noise is only for the "high conversion gain" (HCG) mode. Does anyone know what this means ?
https://astronomy-imaging-camera.com/wp ... -gain2.jpg

Cheers
Robin


I found this reference for HCG

http://www.photonstophotos.net/Aptina/D ... ePaper.pdf

It seems the HCG mode works by reducing the capacitance at the pixel.This increases the signal voltage, which reduces the read noise (less gain needed in the amplifier) but at the expense of full well depth. (ie you do not get the full 65k well depth in the low read noise mode)

Robin
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