CMOS vs CCD for spectroscopy applications

[Christian Buil]

Comparison of CCD ATIK460EX and a ZWO ASI178MM Cooled (Sony back side CMOS detector)

Je présente ici un test comparatif (pas trop évident à réaliser) entre une caméra CCD classique (ATIK460EX) et
une de ces nouvelles caméras à capteur CMOS (origine Sony) économiques de la marque ZWO, ici une ASI178MM refroidie.

Ci-après donc, deux images d'un bout du spectre de l'étoile eta UMa, prisent toutes deux dans
des conditions très similaires (télescope C11, spectro Lhires III, même TI), mais l'une avec
une ASI178MM cooled (capteur CMOS), l'autre avec une caméra ATIK460EX (capteur CCD Kodak). Les niveaux pour la visualisation sont harmonisés.

Le temps de pose cumulé pour l'image ASI178MM est de 18 x 10 sec. Le temps de pose cumulé pour l'image ATIK460EX est de 3 x 60 sec.



(le spectre en 2D de l'étoile est bien sur la trace horizontale - l'affichage est fait à haut contraste pour bien voir le bruit
et les défauts cosmétiques, il s'agit d'un extrait).

Le réglage "gain" de la caméra ASI est de 410 (usage de la possibilité de réglage offerte par le
logiciel Prism, ici employé pour les acquisitions). La ASI est lue en binning 3x3 (pseudo binning en fait), alors que la ATIK est exploitée en binning 2x2.

L'effet négatif des pixels baladeurs (bruit "télégraphique") est bien visible dans l'image ASI178MM. Comparativement, le fond de l'image CCD est bien plus propre. Les conséquences sont bien visibles aussi lorsqu'on affiche le profil spectral (ici autour de la raie Halpha) :



L'image CMOS est significativement plus bruitée que l'image CCD. On remarque aussi que le profil réalisé avec la caméra CMOS est affectée d'un phénomène de franges d'interférences, surement car il s'agit d'un composant aminci éclairée par l'arrière. Ceci empêche quasiment d'employer ce type de caméra pour les applications spectroscopie, ce qui est fâcheux.

La suprématie du CCD demeure en imagerie faible flux. Pourvu que le CCD continu à vivre à coté de ces nouveaux CMOS...

Autres éléments de comparaison :

ASI178MM
Gain de conversion = 0,017 e-/ADU (avec réglage gain 410)
Bruit de lecture = 3,3 e- sur mon exemplaire (indépendant du gain)
Rendement quantique à 656 nm = 51%

ATIK460EX
Gain de conversion = 0,260 e-/ADU
Bruit de lecture = 5,1 e-
Rendement quantique à 656 nm = 63%

La mesure comparative du rendement quantique a été faite avec un peu de soin.

Christian B

[Olivier GARDE]

Ce qui reste surprenant, c'est que le bruit mesuré supérieur de l'ATIK 460Ex donne des résultats bien meilleurs que l'ASI 178MM malgré son faible bruit mesuré.
Est ce dû aux pixels déviants de l'ASI ? Ou encore à la différence de dynamique entre les 2 Caméra (16bits vs 14 bits ?).

D'ailleurs il me semble qu'il y a une différence entre le bruit annoncé par le constructeur et celui que tu as effectivement mesuré sur ton exemplaire de l'ASI 178 MM ?

[Ken Harrison]

Interesting.
I "invested" in a fast frame ASi 174MM for the spectroheliograph and found the same interference fringes....
They extend across the visible spectrum....
ZWO had no ideas about the possible cause, but I'm pretty sure they are caused by interference between the cover plate and the chip. The spectral spacing of the bands should allow us to determine the effective etalon gap.

ASI 174 Interference banding at Ha

ASI174_ha_banding.JPG (45.91 KiB) Viewed 18486 times

ASI174 Interference banding at Na

ASI174_Na_banding.JPG (48.49 KiB) Viewed 18486 times

[Robin Leadbeater]

My bet is on the fringes being from internal reflections in the cover glass.
http://www.astrosurf.com/aras/fringing/ ... ripple.htm
The same has been seen at similar spacing in many (but not all) Sony CCD


Robin

[Christian Buil]

The fringing is not a real problem for spectroheliography applications, more problematic for standard spectroscopy... The cover glass can be the primary source (in the near infrared the back-side technology adopted by Sony for its recent CMOS can be also at the the origin of fringes, TBC).

Olivier, j'ai vraiment fait ici un test très sévère de la caméra ASI178MM en l''employant en binning 3x3 et avec un gain très élevé. Je suis
un peu hors limite d'usage, et s'en doute dans un régime qui n'optimise pas le meilleur fonctionnement (je ne recommande pas en fait
le binning avec ce type de capteur, car il n'emmène que des problèmes).

Sous le logiciel Prism, si j'adopte le gain 100 (et l'offset à 100 pour éviter le clipping des valeurs négatives par le convertisseur analogique numérique),
je trouve de fait :

Gain caméra (reciproque) : 0,29 électron / ADU (ramené à une dynamique de 14 bits)
Bruit : 1,53 électron

A noter que pour la caméra ASI1600MM/ASI1600MC avec un réglage gain de 200 et offset de 20 sous Prism je trouve :

Gain caméra (reciproque) : 0,48 électron / ADU (ramené à une dynamique de 12 bits)
Bruit : 1,34 électron

Voir aussi ici :

http://www.astrosurf.com/ubb/Forum2/HTML/043269.html

Christian

[Robin Leadbeater]

Hello Christian,

des conditions très similaires (télescope C11, spectro Lhires III, même TI), mais l'une avec
une ASI178MM cooled (capteur CMOS), l'autre avec une caméra ATIK460EX (capteur CCD Kodak).

A small correction. The ATIK460EX uses a Sony CCD, not Kodak

Cheers
Robin

[Christian Buil]

You are right Robin for the ATIK460EX (Sony ICX 694)!

Here a quantum efficiency measure tentative on a ASI1600MM CMOS camera (Panasonic detector).
The result is near QE=46% at 656 nm. Here the explanation (in french sorry)...

Voici de nouvelles mesures sur le capteur de la ASI1600MM (et ASI1600MC).
Il s'agit du rendement quantique autour de la raie Halpha (656 nm). La mesure a
été faite avec l'aide d'un spectrographe LHIRES III et en s'aidant d'une caméra CCD ATIK460EX, faisant office de référence.
Les deux capteurs sont éclairé par un même signal. Je vous décompose le calcul (comme cela vous avez tout).

Les paramètres adoptés pour la ATIK460EX sont :

Taille pixel = 4,54 microns (Pref)
Gain (mesuré) = 0,269 e-/ADU (Gref)
Rendement quantique (656 nm) = 57% (Qref)
Bruit de lecture (mesuré pour info) = 5,41 e-
Le signal mesuré est de 6290 ADU (Sref) en 10 secondes de pose (Tref) pour le signal envoyé.

Les paramètres adoptés pour la ASI1600MM sont :

Taille pixel = 3,80 microns (P)
Gain (mesuré au réglage g=200) = 0,494 e-/ADU (G)
Bruit de lecture (mesuré pour info) = 1,38 e-
Le signal mesuré est de 640 ADU (S) pour un temps de pose de 30 secondes (T)

Le rendement quantique (Q) de la ASI1600MM recherché est donné par :

Q = Qref x (S x G x Pref^2 x Tref) / (Sref x Gref x P^2 x T)

Tout calcul fait on trouve le rendement quantique de Q = 46% pour la ASI1600MM autour de Halpha.

Noter que la clef du calcul est la valeur du rendement quantique de la caméra ATIK460EX, qui sert
de référence. J'ai adopté la valeur de 57%, que j'ai eu l'occasion de mesurer par
ailleurs à 656 nm et pour laquelle j'ai une assez bonne confiance. Mais c'est
une valeur significativement plus basse que celle que l'on voit souvent affichée pour
ce composant (capteur Sony ICX694), à savoir 65% environ - que je pense optimiste (?).

J'ai aussi mesuré le canal R d'une ASI1600MC dans les mêmes condition. J'ai trouvé Q = 25%
(donc une valeur assez basse, ce qui signifie que ce n'est tout de même pas simple
d'observer Halpha avec une telle caméra a filtre CFA, même si le résultat n'est
pas calamiteux en même temps).

Pour revenir à la 1600MM (CMOS), le rendement quantique est en retrait par rapport à une caméra CCD de base,
mais on note aussi que le bruit de la 1600MM est notoirement plus faible... Pour autant, est-ce que
ces nouvelles caméra CMOS sont efficace en spectrographie ? Au delà des chiffres, il y a encore
pas mal de manips à faire pour répondre (dommage par exemple que l'on ai un peu de ce fichu RTS (Random
Telegraph Signal) sur ces CMOS)...

Christian B

[Christian Buil]

Measured Absolute Quantum Efficiency of some detector

Après un peu d'effort en utilisant un Lhires III 150 t/mm sur table, voici le rendement quantique
mesuré de 3 capteurs classiques (le CMOS de la camera ASI1600MM/MC est moins couramment
employé en spectro). Ce sont des données pas simple à obtenir (facile de faire des erreurs),
mais j'ai essayé de faire attention, et assez rarement disponibles dans les faits.

Capteur CCD Kodak KAF 3200MM (le meilleur rendement quantique actuellement a un prix
à peu près raisonnable) :



Le détecteur Sony de la caméra Atik460EX :



Le détecteur CMOS de la caméra ASI1600MM (et MC en couleur) :



Dans tous les cas, on remarque des variations de l'efficacité, qui imposent la réalisation
d'un flat-field spectral.

Christian B

[etienne bertrand]

Par rapport au test avec l'ASI178MM et le LhiresIII réseau 2400tt/mm, est ce que la caméra en bin1x1 donnerait le même résultat de franges ?
Les franges seraient-elles aussi marquées ?
Ce problème est il rédhibitoire pour la spectro-héliograhie ? Est ce que ce phénomène de franges se pose-t-il pour d'autres longueurs d'ondes ; je penses au raies H&K CaII, raies du Sodium, ...?
Si on change de réseau, les franges apparaissent aussi (réseau 1800tt/mm ou 150tt/mm) ?
Un test serait super.

[Christian Buil]

La caméra ASI178MM (capteur CMOS) s'utilise toujours en binning 1x1 (faire du binning 2x2 par exemple réduit la taille de l'image, mais n'apporte aucun gain réel). Donc toujours des franges visible (à moins de faire un binning 10 x 10, en gros, elles seront toujours visibles).

Les franges me semble peu critiques en spectrohéliographe car on travaille sur un tout petit intervalle spectral - donc oui la caméra ASI178MM peut convenir pour cela.

Utiliser un réseau moins dispersif (1200, t/mm, 600 t/mm, ...) n'enlève pas les franges à proprement parler, c'est leur pas qui change. A 150 t/mm, elles sont si serrées qu'on ne les vois plus.

En général les franges sont plus visibles dans le rouge que dans le bleu, mais ce n'est pas systématique.

Christian