Cosmic Rays und sonstige Artefakte

    Hallo allerseits,
    beim Erstellen von langbelichteten Darks sind mir bei meinen derzeit verwendeten 2 Kameras einige Unterschiede bezüglich der auftretenden Cosmics aufgefallen.


    Die erste Kamera ist eine IXONEM+ DU897D EMCCD mit einem E2V CCD97 Sensor, welche als EMCCD oder wahlweise als normale Frame-Transfer-CCD betrieben werden kann. Der Sensor kann bis auf maximal -95°C gekühlt werden kann. Normalerweise verwende ich sie aber bei -85°C.
    Das nachfolgende Bild zeigt die Summation von 10x3600s + 10x1800s + 40x180s Dark-Frames, in Summe also 18h Belichtungszeit.



    Zu erkennen sind hier die unterschiedlichen Typen der Cosmics. Es gibt Spots (hochenergetische Myonen), Worms (Sekundärelektronen) und Straights (hochenergetische Myonen). Thermisches Rauschen und Hotpixel sind hier kein Problem.
    Ich habe die Darks mal statistisch ausgewertet, wobei als Schwellwert 100Elektronen gesetzt sind. Hierauf sind insgesamt 1611 Events zu sehen was einer Gesamtrate von 2,2(+-0,5) Events/Minute/cm^2 entspricht. 3 Events (große runde Blobs, alle auf 5Uhr) sind richtig hochenergetisch, mit jeweils aufkommuliert etwa 500ke-. Der Rest liegt bei <5ke- und beeinflusst durchschnittlich 3-4 Pixel.



    Die zweite Kamera ist eine Sensovation CoolSamba HR-320 mit einem Kodak KAF-3200ME Sensor, welcher im Vakuum maximal bis auf -48°C gekühlt werden kann. Normalerweise verwende ich sie aber bei -35°C.


    Das nachfolgende Bild zeigt die Summation von 40 x 1800s Dark-Frames, also 20h Belichtungszeit. Hier war ein Darkabzug notwendig, da selbst bei -35° vereinzelt einige Hotpixel stören.



    Dieses Bild ist ein 512x512 Crop des obigen Summenbildes, was einen besseren Vergleich mit der ersten Kamera ermöglicht (Bild nochmal rechts).



    Auch hier sind die unterschiedlichen Typen der Cosmics zu erkennen, wobei die Worms (hochenergetische Sekundärelektronen, hauptsächlich durch Beta- oder Gamma-Strahlung) bei der HR-320 gehäuft auftreten.
    Auch hier habe ich die Darks statistisch ausgewertet, mit Schwellwert 100Elektronen. Hierauf sind insgesamt 14762 Events zu sehen, was einer Gesamtrate von 8,1(+-0,5) Events/Minute/cm^2 entspricht. Also liegt etwa Faktor 3 zwischen den beiden.
    Die erhöhte Rate Worms beim KAF-Sensor ist möglichweise durch radioaktive Kalium-Isotope im Deckglas (vermutlich BK7) oder durch radioaktive Isotope im ITO(Indium-Zinn-Oxid) für die spezielle transparente Pixel-Kontaktierung verursacht.
    Wie relevant das für reale Langzeitbelichtungen ist, ist natürlich die Frage. Interessant ist´s allemal.


    Viele Grüße Tino

    Hallo Tino,


    danke für den Hinweis mit den verschiedenen Cosmics.


    Vor kurzem hab ich mit einer Digitalkamera die Region um die Plejaden aufgenommen. Dort ist mir ein <i>einmalig aufleuchtender Stern</i> aufgefallen, der mich verwundert hatte. Bisher dachte ich nämlich, das Cosmics immer als Strichspur zu sehen sind...


    In der Überlagerung der Bilder ist dieser Stern zu sehen. Nun kann ich davon ausgehen, das es ein Cosmics-Spot ist?


    Gruß aus der Pfalz

    Servus Tino,


    sehr interessanter Beitrag!
    Insbesondere dass man von den Spuren auf den Verursacher schließen kann! Hast du dazu evtl. einen Link zu den "worms" und Co.?
    EDIT: hab was gefunden http://snap.lbl.gov/ccdweb/ccdrad_talk_spie02.pdf


    Ich hab auch immer wieder mal Cosmics gesammelt, sind von der ASI 120MM, auffällig finde ich die Paare und die Doppelpaare.



    (==&gt;)Jörn: Dein "Stern" könnte auch von einem Satelliten stammen

    Hallo Jörn, hallo Stefan,
    danke für eure Rückmeldung. Ich habe mich zur Ursachenforschung haupsächlich mit dem Artikel http://snap.lbl.gov/ccdweb/groom.pdf vom Don Groom befasst. Entspricht inhaltlich dem oben angegebenen SPIE-Talk, ist aber noch etwas detaillierter ausgeschmückt. Die Pärchenbildung ist mir übrigens auch schon aufgefallen, eine richtige Erklärung dazu habe ich aber auch nicht. Sollten aber sicherlich auch Sekundärelektronen sein. Interessant ist, dass man gegen die Myonen wohl garnichts machen kann (außer in einen Bergwerksschacht ziehen), wohl aber gegen die Sekundärelektronen. Diese Sekundärelektronen entstehen ja hauptsächlich durch die Wechselwirkung hochenergetischer radioaktiver Strahlung (Gamma- bzw. Betastrahlung), welche durch Spuren radioaktiver Isotope in den Konstruktionsmaterialien der Kamera und den optischen Komponenten in der Nähe verursacht wird. Hier kann man beispielsweise auf die Verwendung unbdenklicher Materialien und u.u auch auch eine Bleifolie als Schirmung achten. Wie sinnvoll das ist, soll erstmal dahingestellt sein.
    Ich habe oben übrigens versucht die Rate der natürlichen Cosmics mit den in der Literatur angegebenen zu vergleichen, und die gemessenen 2,2events/cm^2/min für die erste Kamera passen ziemlich gut. Die Myonen kommen übrigens recht definiert aus dem Zenit, sodass hier die Sensororientierung (senkrecht, waagerecht) bspw einen Faktor 1,5 ausmacht. So sollten auch bei senkrechte Sensor mehr gerade Strichspuren im Verhältnis zu den Spots entstehen, als bei waagerechter Orientierung.
    Die Cosmics sind aber nicht nur von akademischen Interesse, sondern sie sind ein schwerwiegender und begrenzender Faktor für Langzeitbelichtungen jenseits der 10min-Marke. So sind dann in einem 10min Frame pro cm^2 etwa 22 Bildfehler, welche die Bildqualität schon merklich beieinflussen können. Zwar kann man beim Stacking zur Entfernung dieser Bildfehler statt der einfachen Mittelung oder Summation das Median-Stacking verwenden, aber dieses hat leider einen negativen Einfluss auf den Signal-Rauschabstand (SNR nur etwa 80% vom idealen (Summen)Stacking). Besser ist hier zwar das Stacking mit Kappa-Sigma-Klipping, welches die Artefakte auch ausmaskiert, aber auch hier verschenkt man SNR.
    Gruß Tino

    Servus Tino,


    zu den Cosmics als begrenzenden Faktor:
    Das Problem müssten doch die Profis auch haben. In Theli können Cosmics mit einem NN-Algorithmus weggerechnet werden: https://www.astro.uni-bonn.de/theli/gui/weighting.html -&gt; Cosmics threshold
    Wenn du Mischa fragst, dann hat der sicher das entsprechende Paper parat. Ich hab diese Funktion allerdings noch nie benutzt, da DSLR.


    EDIT: Theli verwendet auch eine gewichtete Addition mit "Outlier Rejection" statt Median oder Mittelwert.

    Hallo Tino,
    könnte der Unterschied nicht auch in der realen Dichte der Teilchen liegen, Sonnenwind, Bewegungsrichtung der Erde usw.
    Die Pixelgröße ist berücksichtigt? Du vergleichst 2 Bilder mit den selben Pixelmaßen, aber das sind wohl nicht die selben mm-Maße.
    Stefan, deine Zusammenstellung sieht echt klasse aus, ein hochenergetischer Genuss.
    Joern, dein "Stern" hat eine PSF, die der anderen im Bild sehr ähnlich ist. Ich tippe auf einen Satelliten, hier treten oft sehr kleine und kurzfristige Reflexe auf.
    Gruß,
    ralf

    Hallo Ralf,
    soweit ich gelesen habe habe, stammen die Myonen aus Stoßkaskaden von ultrahochenergetischen Protonen mit Luftmolekülen der Atmosphäre. Diese sind zumeist nicht vom Sonnenwind, sondern kosmologischen Ursprungs und recht isotrop verteilt. Die Zenitbevorzugung ist wohl eigentlich der erhöhten Wechselwirkungswahrscheinlichkeit beim längeren Weg schräg durch die Atmosphäre geschuldet.
    Bezüglich des Vergleichs der Sensoren habe ich diese Parameter in die Berechnung einbezogen:
    Sensor1. E2V CCD97 ___ 512x512Pixel a 16um = 8,192mm x 8,192mm
    Sensor2. Kodak KAF-3200ME ___ 2184x1472Pixel a 6,8um = 14,85mm x 10,00mm
    Der untere letzte Vergleich der 512x512 Crops ist etwas irreführend, da das beim KAF nur 12,1mm^2 entspricht, wogegen der E2V bei dieser Cropgröße 67mm^2 hat, also etwa Faktor 6 mehr Fläche. Interessant ist auch, dass die Größe der Spots mit jeweils einigen wenigen beeinflussten Pixeln recht unabhängig von der Pixelgröße ist. Es sind halt mikroskopische Wechselwirkungen auf jeweils einzelne Pixel mit Überlaufen, oder mit dem (eigentlich photounempfindlichen) hinteren Substrat.
    Gruß Tino

    Hallo Stefan,
    danke für den Hinweis, ich habe mir das THELI im Internet mal angeschaut und die gewichtete Addition (entsprichte dem Kappa-Sigma-Clipping) ist anscheinend gut implementiert und meines Wissens das Optimum. Leider habe ich kein generisches Linux in Verwendung, sondern nur in ner Virtual Box. Dereizeit verwende ich normalerweise AstroImageJ, welches auch gute Dienste leistet. Dort kann man auch Outlier entfernen lassen, aber das ist nicht das Selbe, wie das Kappa-SigmaClipping bei der gewichteten Addition.
    Um vielleicht auch nochmal ne Einordnung der Magnitude der oben dargestellten Cosmics zu geben.
    Bei 1800s Einzelbelichtungszeit liegt die Grenzgröße grob bei 21-22mag, die hellsten Sterne ohne Ausbrennen liegen dann bei 16mag. Der Großteil der Cosmics entsprechen auf dem E2V-Sensor (0,67cm^2) 44 Fehlern mit 18-20mag. Die Spots haben leider auch die gleiche laterale Größe, wie ein gemeiner Stern. Also schon nicht ganz unproblematisch.
    Gruß Tino

    Hier nochmal der größennormierte Crop (jeweils 8,2mm x 8,2mm, mit 512x512px) der beiden CCDs:

    Links KAF-3200ME, Rechts E2V CCD97


    Hier sieht man besser, dass auf dem KAF mehr los ist, aber zumindest sind die zusätzlichen Cosmics schwächer.
    Gruß Tino

    Hallo zusammen,


    wirklich interessante Diskussion. Ich frage mich ob man nicht vielleicht auch 2 gleich lange Darks mit einer Art UND-Verknüpfung berechnen könnte um die Cosmics von den hot pixeln zu unterscheiden. Mit UND meine ich im analogen eine maximale Differenz in den Pixelwerten der beiden Aufnahmen zuzulassen. Für alles was sich mehr als einen bestimmten Wert unterscheidet wird schwarz oder besser der geringere Wert angenommen da es eher zufällig und nicht sensorspezifisch ist.
    Ist das eventuell schon mit einem der oben genannten algorithmen erfasst?


    Wenn ich das Ziel der Diskussion richtig verstanden habe geht es doch u.a. darum Darks zu erzeugen mit denen man nicht mehr aus dem späteren Bild herausrechnet als von Sensor tatsächlich verursacht.


    Gruß, Thomas.

    Hallo Thomas,
    war eigentlich aus einer Laune heraus, bzw. da mein Aufbau derzeit nur Indoor-Action erlaubt. Interessant ist es schon, inwiefern die Stackingsoftware mit diesen Effekten umgeht. Einfaches Addieren oder Mittelwertbildung kann diese Bildfehler leider nicht eliminieren. Medianbildung entfernt zwar die Cosmics, aber verschlechtert leider das Signal/Rauchverhältnis auf etwa 80% der einfachen Mittelwertbildung und erzeugt nur halb- oder ganzzahlige Zwischenwerte des Ausgangsbildes. Besser ist hier das Kappa-Sigma-Klipping. Dann wird zwar auch der Mittelwert gebildet, aber Werte, welche außerhalb definierter Grenzen (angegeben in Vielfachen des Sigma-Wertes) liegen, werden durch den Mittelwert ersetzt, also auch die Cosmics. Hier ist das SN besser als beim Median, aber schlechter als bei der einfachen Mittelwertbildung. Die beste Option ist aber anscheinend das Weighted Averaging (im THELI implementiert), wobei die Rauschstatistik für jeden Pixel ausgewertet wird und daraus eine Wichtung der Pixel und Bildinhalte erfolgt. Schlechte Pixel und Regionen werden einfach geringer gewichtet und das Bild quasi nochmal mit den definierten Wichtungen und definierten PSFs generiert, sodass hier das Signal/Rauschverhältnis sogar leicht besser als bei der Mittelwertbildung ist, nur ohne Artefakte und Cosmics.
    Gruß Tino

    Hallo zusammen,
    dass dies nicht nur eine rein theoretische Auseinandersetzung ist habe ich neulich (so glaube ich) bei der Bildbearbeitung bemerkt. Ein Kollege hatte dunkle kleine Striche und Punkte im Hintergrund, allerdings nur knapp über dem Rauschpegel. Dennoch war die Ursache nicht klar. Ich hatte schon die Vermutung geäußert, dass es sich um nicht perfekt korrigierte Cosmics handelt. Diese Bilder hier bestätigen meinen Verdacht. Die Lights hatte er mit Kappa Sigma gestackt, die Darks wohl nicht.
    Zur Ursache der versch. Häufigkeiten könnten evtl. die unterschiedlichen Temperaturen beitragen. Es handelt sich ja um komplizierte Sekundärprozesse. Diese könnten zumindest teilweise temperaturabhängig sein.
    Viele Grüße,
    ralf

    Hi Sternfreunde


    Ein wirklich interessantes Thema. Ich verwende eine CCD-Kamera mit dem Sony ICX 694 Sensor. Für ein Bild machte ich letztens Darks (15x45min). Auf keinen meiner Bilder ist auch nur die Spur eines Cosmic´s zu erkennen, dabei war die Kamera am Teleskop in der Sternwarte. Ist das nur Zufall?


    lg
    tom

    Hallo zusammen,


    ich habe kaum gute Erklärungen zum KappaSigma Algorithmus gefunden, verstehe ihn aber so, dass man den Fakt ausnutzt, dass Rauschen sich bei der Mittelung schwächer ausprägt als ein schwaches aber permanentes Signal und dann mit einem bestimmt gesetzten Limit (Sigma) abschneidet. Das macht hinsichtlich der Cosmics auch erst ab 3 Bildern Sinn.


    Nun haben die Cosmics aber die tolle Eigenschaft, dass es sich wirklich um zeitlich sehr begrenzte Ereignisse handelt, die nur mit geringer Wahrscheinlichkeit in einem weiteren Bild an genau der gleichen Stelle noch einmal auftreten.
    Angenommen man hätte 1MPixel und 1cm^2 und ein Ereignis würde 10 Pixel betreffen, dann hätte man bei einem 10min Dark 200 betroffene Pixel zu 1000000-200 nicht betroffene Pixel.


    Ich werde den Gedanken nicht los, dass sich die Cosmics schon mit 2 Darks unterdrücken lassen müssten, wenn die Bilder einfach Pixelweise verglichen werden und man einen Grenzwert für den Helligkeitsunterschied definiert. Unterhalb des Grenzwertes verwendet man den Mittelwert aus beiden für das Dark und darüber den dunkleren Wert.
    Für &gt;2 Bilder müßte man die Pixelhelligkeit jedes Pixels in jedem Bild gegen den Mittelwert der verbleibenden Pixel mit gleicher Position für die oben genannte Unterscheidung prüfen. Das könnte recht rechenintensiv werden, sollte dafür dann aber auch Cosmics finden bei denen in verschiedenen Darks das gleiche Pixel betroffen ist.
    Keine Ahnung ob das schon einen Namen hat.

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