Dynamik, FWC, Ausleserauschen

Hallo Michael

Ich wollte eigentlich mal antworten, bin aber kein Experte. Was Du sagst, liest man desöfteren, mit der Quintessenz, dass eine 16bit A/D-Wandlung eigentlich sinnlos ist [B)].

Grüsse
Jan

Hi Michael,

bin auch kein Experte aber habe mich vor kurzem mit S/N Berechnungen beschäftigt. Dabei habe ich folgendes verstanden.

Dynamik Umfang ist nach der Definition D= FWC/read noise, und ist der gesamte Bereich in dem der Sensor bzw der Pixel empfindlich ist.

FWC in [e-/pixel] ist dabei die maximale Kapazität eines Pixels in Elektronen, eine Konstante und sensorspezifisch.

Ausleserauschen [e-/pixel] ist wie der Name sagt dann zusätzliche Elektronen, die beim Auslesen des Pixels dem eigentlichen Nutzsignal hinzugefügt werden. Read Noise ist eine Konstante und ist ebenfalls sensorspezifisch.

Damit ist der maximale Dynamikumfang auch eine Konstante und sensorspezifisch.

Z.B. hat der Kodak KAF3200ME hat eine FWC von 55000 e-/pixel und ein Read Noise von 7 e-/pixel laut Datenblatt des Herstellers

(http://www.kodak.com/global/pl…ame/KAF-3200ELongSpec.pdf).

Das macht dann ein Dynamikumfang von D=55000/7=7857. In Bit wären das ~13bit. D in dB ausgedrückt wären dann 20*log10(FWC/RN) ~ 78dB.

Gruss Enkidu

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: TheCCDAstronomer</i>
<br />Hallo Michael

Ich wollte eigentlich mal antworten, bin aber kein Experte. Was Du sagst, liest man desöfteren, mit der Quintessenz, dass eine 16bit A/D-Wandlung eigentlich sinnlos ist [B)].

Grüsse
Jan
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Hallo Jan,

beim Einfach binning haben wir ein 13bit Dynamikumfang des Sensors. Wenn wir allerdings 2-fach binning einstellen, dann steigt die Ladungskapazität des Pixels (4 Pixel) auf ~ 220.000e-. Wenn das ReadOutNoise dann immer noch ~7e- wäre, dann ergibt sich eine Dynmikumfang D=220.000/7=31428 oder D=log(31.428)/log(2)~15bit. Beim 3-fach binning wird dann ein Dynamikumfang des Pixels (9 Pixel) von 16-bit erreicht.

Ich denke der 16-bit A/D Wandler ist schon sinnvoll. Hätte der z.B. nur 14-bit, dann könnte man den Sensor nur im 1-fach binning betreiben. Beim 2-fach und 3-fach binnning könnte man dann nicht alle Ladungswerte des "gebinnten" Pixels in eine digitale Zahl (ADU) umwandeln.

Wahrscheinlich wiederhole ich etwas was wohl schon 1000x hier im Forum geschrieben wurde [:)].

Grüsse Enkidu

Hallo Enkidu (Du heisst doch nicht wirklich so, oder?)
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Wenn wir allerdings 2-fach binning einstellen, dann steigt die Ladungskapazität des Pixels (4 Pixel) auf ~ 220.000e-<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Physisches binning können heut die wenigsten verwendeten Sensoren. Eine Ausnahme ist der erwähnte KAF3200, nur steigt da gemäss SBIG die FWC bei 2x2 binning auf ca. 77'000 Ladungen an. 16bit sollten eigentlich immer ausreichen, denke ich.

Hallo Michael

bitte nicht auch so simpel SW-CCD und farblayerberechnende RGB-DSLR vergleichen.
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Allerdings glaube ich, dass das Ausleserauschen kein konstanter Wert ist, sondern ein zusätzlicher Unsicherheitsbereich<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Das verstehe ich auch so, denn das resultierende Rauschen im Bild zeigt sich als +/- um einen Mittelwert. Mit der Mittelung vieler Biasbilder lässt sich das Rauschen ja bestens eliminieren.

Grüsse
Jan

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: TheCCDAstronomer</i>
<br />Hallo Enkidu (Du heisst doch nicht wirklich so, oder?)
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Wenn wir allerdings 2-fach binning einstellen, dann steigt die Ladungskapazität des Pixels (4 Pixel) auf ~ 220.000e-<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Physisches binning können heut die wenigsten verwendeten Sensoren. Eine Ausnahme ist der erwähnte KAF3200, nur steigt da gemäss SBIG die FWC bei 2x2 binning auf ca. 77'000 Ladungen an. 16bit sollten eigentlich immer ausreichen, denke ich.

Hallo Michael

bitte nicht auch so simpel SW-CCD und farblayerberechnende RGB-DSLR vergleichen.
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Allerdings glaube ich, dass das Ausleserauschen kein konstanter Wert ist, sondern ein zusätzlicher Unsicherheitsbereich<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Das verstehe ich auch so, denn das resultierende Rauschen im Bild zeigt sich als +/- um einen Mittelwert. Mit der Mittelung vieler Biasbilder lässt sich das Rauschen ja bestens eliminieren.

Grüsse
Jan
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Nein Enkidu ist natürlich nur ein Nikname. Mein Richtiger Name ist Ata. Tja auch nicht ganz üblich oder?

Bezüglich FWC und RN habe ich nicht verstanden warum Kodak 55ke-/7e- angibt und SBIG 77ke-/8,8e-. Ist das eventl bei SBIG deshalb höher, weil die eventl. das CCD etwas niedriger takten als nominal von Kodak angegeben? WArum ist dann das RN auch höher?

Ich meine das die 77ke- die FWC für den einzellne Pixel ist und nicht für das gebinnte Pixel. Maßgeblich für das binning ist (nach meinem Verständnis) die "Horizontal CCD Capacity" und die "Output Node Capacity" siehe Handbuch. Da kann die KAF-3200 110.000e- (maximal 120ke- und nicht wie fälschlich von mir geschrieben 4x55ke-) Ladungen halten. Im Output Node Register wird die Integration der Ladungen (binning) vor der A/D Wandlung durchgeführt. Da erst kommt das Read Out Noise hinzu (~7e-). Das würde aber bedeuten, dass der maximale Dynamikumfang ob bei 2-fach oder 3-fach binning nicht über die 14bit käme. kann das Jemand bestätigen?

Aber binning ist grundsätzlich ein wichtige Eigenschaft, denn damit kann man mit dem Sensor sich an schlechtes Seeing anpassen und den Abbildungsmaßstab des Systems Optik/CCD and die Sichtverhältnisse anpassen.

Gruss enkidu

Hallo Ata!

Ja mit den Infos auf der SBIG-HP muss man aufpassen, das sind einfach Amis und die nehmen's halt nicht so genau wie wir Mitteleuropäer! Schau mal bei der ST3200ME auf sbig.com, etwa in der Mitte, dort habe ich meine Info her. Da steht ca. 55'000 für unbinned und ca. 75'000 für 2x2 binning und höher (experimenteller Wert?). Die 77ke-/8,8e bei der ST10XME könnten Werte für einen anderen Sensor sein!
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Aber binning ist grundsätzlich ein wichtige Eigenschaft, denn damit kann man mit dem Sensor sich an schlechtes Seeing anpassen und den Abbildungsmaßstab des Systems Optik/CCD and die Sichtverhältnisse anpassen.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Meine Erfahrung ist da etwas anders: Es macht nicht viel Sinn, mit Pixelgrössen deutlich über 10 mikron zu arbeiten, selbst bei sehr langer Brennweite (4m und mehr). Man verliert sonst bei jeder Luftunruhe an Auflösung!

Grüsse
Jan

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: TheCCDAstronomer</i>
<br />Hallo Ata!

Ja mit den Infos auf der SBIG-HP muss man aufpassen, das sind einfach Amis und die nehmen's halt nicht so genau wie wir Mitteleuropäer! Schau mal bei der ST3200ME auf sbig.com, etwa in der Mitte, dort habe ich meine Info her. Da steht ca. 55'000 für unbinned und ca. 75'000 für 2x2 binning und höher (experimenteller Wert?). Die 77ke-/8,8e bei der ST10XME könnten Werte für einen anderen Sensor sein!
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Aber binning ist grundsätzlich ein wichtige Eigenschaft, denn damit kann man mit dem Sensor sich an schlechtes Seeing anpassen und den Abbildungsmaßstab des Systems Optik/CCD and die Sichtverhältnisse anpassen.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Meine Erfahrung ist da etwas anders: Es macht nicht viel Sinn, mit Pixelgrössen deutlich über 10 mikron zu arbeiten, selbst bei sehr langer Brennweite (4m und mehr). Man verliert sonst bei jeder Luftunruhe an Auflösung!

Grüsse
Jan
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Hallo Jan,

Ich habe wenig praktische Erfahrung, daher habe ich habe mal für ein 10" SC Optik (f=1600mm)und einer effektiven Brennweite von 4m und der ST-10XME einige Berechnungen durchgeführt. Der Abbildungsmaßstab wäre dann <font color="red">0,35"/Pixel</font id="red">. Die Sternapertur hat dann ca. 20 mikrometer an Durchmesser. Das macht dann bei ungebinnten Betrieb 3 Pixel auf dem Sensor. Bei einem Seeing von 1" (FWHM) und obigem Abbildungsmaßstab hätte das Seeingscheibchen einen Durchmesser von <font color="red">3</font id="red"> Pixeln. Nur da wo das Seeing kleiner als das doppelte des Abildungsmaßstabs erreichen würde, wären kleinere Pixelgrößen angesagt. Bei einem Seeing von 2" ist das Seeingscheibchen <font color="red">6</font id="red"> Pixel im Durchmesser, da würde ich bei einer Langzeitbelichtung doch binnen wollen oder nicht? Ich könnte mir allerdings vorstellen, dass bei einem hellen Objekt wie dem Mond man doch recht kurz belichten könnte und dann ein binning nachteilig wäre, weil es wohl schon kurzzeitig Bedingungen geben könnte, wo das Seeing dann von 2" auf 1" oder besser fallen würde. Vielleicht hast Du das gemeint?

Grüsse vom Bodensee..

Hallo Ata,

ja die guten Momente lassen natürlich viel mehr an Auflösung zu als man aufgrund von Sternabbildungskriterien erwarten würde! Die waren natürlich nicht gemeint. Zu diesem interessanten Thema habe ich mich an den Beitrag erinnert von Jean Texereau, in seinem Buch 'How to make a telescope', ab S.315 (XV-5. Image changes due to Photographic Diffusion). In der Grafik auf S.318 hat er über Jahre gewonnenen Messungen zusammengetragen, womit er sehr schön zeigen konnte, dass die kleinste Sternabbildung in Bogensekunden ausschliesslich von der Brennweite abhängig ist (wenn Texereau nicht hast, schick mir ne PN und ich scanne die paar Seiten).

So gesehen sind Deine Berechnungen natürlich richtig, da mit zunehmender Brennweite auch die kleinste Sternabbildung in Mikron gemessen grösser wird. Bei kräftigem oversampling macht binning Sinn. Uns Astrofotografen interessiert jedoch in erster Linie eine gut auflösende Abbildung von flächenhaften Objekten. Und hier liegt das Auflösungsvermögen wieder deutlich über dem von Sternchen! Oder anders ausgedrückt, wir müssen hier auf's Sternchen bezogen oversampeln, um die feinstmöglichen Details überhaupt abbilden zu können. Hierzu besagen die Faustregeln, man soll

- bei kurzen Brennweiten (bis ca. 1m) etwa 2x2 Pixel für die Beugungsscheibchengrösse annehmen
- bei längerer Brennweite 2x2 Pixel für die kleinste Sternabbildung nicht unterschreiten

Für zwei Meter Brennweite liegt die kleinste Sternabbildung bei etwa 30my (und ca. 3"!). Die passende Pixeldiagonale beträgt demnach 15my, was wiederum einer Pixelgrösse von ca. 10x10my entspricht. In der Praxis kratzt man mit dieser Anlage bestenfalls an der Detailabbildungsfähigkeit einer 20cm-Optik, man möchte am liebsten die Brennweite verdoppeln für eine deutliche Abbildung! Tja, dafür fehlen uns zurzeit noch die superempfindlichen Kameras ... [:I]

Grüsse an den Bodensee!
Jan

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: TheCCDAstronomer</i>
<br />Hallo Ata,

ja die guten Momente lassen natürlich viel mehr an Auflösung zu als man aufgrund von Sternabbildungskriterien erwarten würde! Die waren natürlich nicht gemeint. Zu diesem interessanten Thema habe ich mich an den Beitrag erinnert von Jean Texereau, in seinem Buch 'How to make a telescope', ab S.315 (XV-5. Image changes due to Photographic Diffusion). In der Grafik auf S.318 hat er über Jahre gewonnenen Messungen zusammengetragen, womit er sehr schön zeigen konnte, dass die kleinste Sternabbildung in Bogensekunden ausschliesslich von der Brennweite abhängig ist (wenn Texereau nicht hast, schick mir ne PN und ich scanne die paar Seiten).

So gesehen sind Deine Berechnungen natürlich richtig, da mit zunehmender Brennweite auch die kleinste Sternabbildung in Mikron gemessen grösser wird. Bei kräftigem oversampling macht binning Sinn. Uns Astrofotografen interessiert jedoch in erster Linie eine gut auflösende Abbildung von flächenhaften Objekten. Und hier liegt das Auflösungsvermögen wieder deutlich über dem von Sternchen! Oder anders ausgedrückt, wir müssen hier auf's Sternchen bezogen oversampeln, um die feinstmöglichen Details überhaupt abbilden zu können. Hierzu besagen die Faustregeln, man soll

- bei kurzen Brennweiten (bis ca. 1m) etwa 2x2 Pixel für die Beugungsscheibchengrösse annehmen
- bei längerer Brennweite 2x2 Pixel für die kleinste Sternabbildung nicht unterschreiten

Für zwei Meter Brennweite liegt die kleinste Sternabbildung bei etwa 30my (und ca. 3"!). Die passende Pixeldiagonale beträgt demnach 15my, was wiederum einer Pixelgrösse von ca. 10x10my entspricht. In der Praxis kratzt man mit dieser Anlage bestenfalls an der Detailabbildungsfähigkeit einer 20cm-Optik, man möchte am liebsten die Brennweite verdoppeln für eine deutliche Abbildung! Tja, dafür fehlen uns zurzeit noch die superempfindlichen Kameras ... [:I]

Grüsse an den Bodensee!
Jan
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Hallo Jan,

es würde mich schon gerne interessieren warum bei einer Brennweite von 2000m die Sternapertur 30ym wird, wo Sie doch laut Berechnung bei 10ym liegen sollte (theoretisch). Es gibt Seeing und weitere Effekte die dann wohl in dem von Dir zitierten Kapitel "Photographic Diffusion" beschrieben werden. Scheint mir ein interessantes Buch zu sein speziell Kapitell 15. Meinst Du ich sollte ich mir das Buch vielleicht lieber bestellen? Oder kannst Du mir das Scannen? Was ist eine PN?

Bezüglich mehr Details und Brennweitenverdoppelung zwecks mehr Details. Die derzeitigen CCD Sensoren haben doch schon eine QE über 80% teils schon 90%. Was kann empfindlicher sein als 100% QE, d.h. ein Photon der entsprechenden Frequenz, löst genau ein Elektron des Valenzbandes ins Leitungsband...Bedeutet das, dass wir aufgrund der Limitierung der Empfindlichkeit auch Grenzen der Vergrößerung kriegen weil schlicht und einfach die Belichtungszeiten ewig lang werden um ein bestimmets S/N bekommen zu bekommen?

Gruss Ata

Hallo Ata,

ja vielleicht kann man diese Resultate auf Film nicht 1:1 auf CCD-Technik übertragen. Eine feinere Sternabbildung ist vielleicht möglich, v.a. mit den entsprechenden Bearbeitungstechniken. Betrachte ich jedoch die Sternabbildung meiner Aufnahmen in der tatsächlichen Ausdehnung, komme ich bei 1.8m nicht unter 20 Mikrometer Sterne.

Den Texereau musst vielleicht nicht gleich bestellen, das Buch ist in erster Linie für Spiegelschleifer, und da auch manchmal etwas altmodisch. Besser schick ich Dir zuerst den Scan per Email. Eine PN schicken ist das Briefzeichen im header drücken und mir eine Nachricht senden. Ich sehe dann Dein Email und kann Dir den Scan als Anhang zurückmailen.
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Was kann empfindlicher sein als 100% QE<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Tja, man hat dazu die Technik des EM = Electron Multiplying (analog dem Restlichtverstärker) weiter entwickelt. Diese Sensoren heissen sinnigerweise EM-CCD's, und kosten zurzeit noch ein Heidengeld. In der Praxis wird mit denen aber 'nur' etwa eine Verdoppelung der Empfindlichkeit gängiger Sensoren erreicht! Ansonsten ist's genau wie Du sagst.

Grüsse
Jan

Edit: Michael, ich hoffe Du verzeihst uns, dass wir etwas off topic weiter diskutieren.

Hallo Michael,

ok, da bin ich froh! Mit dem LPS-P2 und CCD hab ich einiges an Erfahrung. Den kann man bestens mit SW-CCD verwenden. Als L-Filter an lichtverseuchten Orten find ich den stark, ausser bei Galaxien macht es nicht viel Unterschied. Für R,G,B als zusätzlicher LPR-Filter meines Erachtens nicht notwendig, das musst aber selber rausfinden.

Manchmal hab ich den LPS-P2 sogar bei sehr klaren Bedingungen eingesetzt, um bei tiefstehenden Objekten (es gibt immer etwas Horizontaufhellung!) das maximale rauszuholen. Hier ein solches Beispiel, 10min belichtet an einem 180mm ED-Objektiv bei Blende 4 und dem P2 als L-Filter:

http://the-ccd-astronomer.ch/bilder/M8_M20_SWCCD.jpg

Wieso Thomas (Luengel) da mit der UV/IR-Blockung ein Problem hat, ist für mich nicht nachvollziehbar. Bei meinem Filter geht die IR-Blockung bis 1100nm ... [:)] ... kannst ja mal einen Versuch am Paracorr mit und ohne machen, es würde mich sehr überraschen wenn Du mehr als einen minimen Unterschied in der Sterngrösse feststellst.

Viele Grüsse
Jan

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: TheCCDAstronomer</i>
<br />Hallo Ata,

ja die guten Momente lassen natürlich viel mehr an Auflösung zu als man aufgrund von Sternabbildungskriterien erwarten würde! Die waren natürlich nicht gemeint. Zu diesem interessanten Thema habe ich mich an den Beitrag erinnert von Jean Texereau, in seinem Buch 'How to make a telescope', ab S.315 (XV-5. Image changes due to Photographic Diffusion). In der Grafik auf S.318 hat er über Jahre gewonnenen Messungen zusammengetragen, womit er sehr schön zeigen konnte, dass die kleinste Sternabbildung in Bogensekunden ausschliesslich von der Brennweite abhängig ist (wenn Texereau nicht hast, schick mir ne PN und ich scanne die paar Seiten).

So gesehen sind Deine Berechnungen natürlich richtig, da mit zunehmender Brennweite auch die kleinste Sternabbildung in Mikron gemessen grösser wird. Bei kräftigem oversampling macht binning Sinn. Uns Astrofotografen interessiert jedoch in erster Linie eine gut auflösende Abbildung von flächenhaften Objekten. Und hier liegt das Auflösungsvermögen wieder deutlich über dem von Sternchen! Oder anders ausgedrückt, wir müssen hier auf's Sternchen bezogen oversampeln, um die feinstmöglichen Details überhaupt abbilden zu können. Hierzu besagen die Faustregeln, man soll

- bei kurzen Brennweiten (bis ca. 1m) etwa 2x2 Pixel für die Beugungsscheibchengrösse annehmen
- bei längerer Brennweite 2x2 Pixel für die kleinste Sternabbildung nicht unterschreiten

Für zwei Meter Brennweite liegt die kleinste Sternabbildung bei etwa 30my (und ca. 3"!). Die passende Pixeldiagonale beträgt demnach 15my, was wiederum einer Pixelgrösse von ca. 10x10my entspricht. In der Praxis kratzt man mit dieser Anlage bestenfalls an der Detailabbildungsfähigkeit einer 20cm-Optik, man möchte am liebsten die Brennweite verdoppeln für eine deutliche Abbildung! Tja, dafür fehlen uns zurzeit noch die superempfindlichen Kameras ... [:I]

Grüsse an den Bodensee!
Jan
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Hallo Jan,

danke nochmals für die Scans. Die Erfahrung die Texereaux beschreibt beruht natürlich auf analogem Film. Da gibt es die von Ihm beschriebene Sternaufweitung wegen dem Filmmaterial "diffusion of light in the gelatin" bei 20 microns (bei CCD wäre das nicht gegeben?), die aber nicht ausschlaggebend ist, da z.B. beim 200-inch Hale Instrument die Sternapertur bei 60 microns liegt. Da sagt er bzw. zeigt die Abbildung 147, dass je größer das Instrument ist, desto stärker weitet sich das (Stern-)Scheibchen auf. Beim 12-inch Instrument ist das laut Tabelle ein Sternscheibchen von 22 microns Durchmesser. Es werden mehrere Gründe genannt, von dem ich eines habe gemeint zu verstehen, nähmlich zunahme von Oberflächendefekten bei größerer Apertur. Wie ist das wohl heute?

Da das Buch bzw. die Daten aus dem Jahre 1953 sind, und die Aufnahmen mit analogem Film gemacht worden sind, wobei die Sternaufweitung eine Sache der Optik ist und nicht des Films, bin ich mir nicht so sicher wie aktuell die Tabelle heute noch ist. Die Großsternwahrten haben doch adaptive Optiken. Da wird die Apertur bzw. der Hauptspiegel über viele kleine Motoren aktif verformt...

Sind die Sternscheibchen auf deinen Bildern alle größer als 20 micronen?

Ich werte mal Dein mir zugeschicktes Bild aus und schreibe dann wieder.

Gruss enkidu.