VWS Noorddrenthe - Bulletin Board

De gain van mijn ASI 1600 staat op 'unity gain'. Dat is de 'fabrieksinstelling' en zal dus wel goed zijn denk ik. De gain instelling is voor mij een black box. Ik dacht dat het zoiets is als het veranderen van de versterkingsfactor waarbij de unity gain als '0' kan beschouwen. Je kan dus meer en minder versterken.
Stel dat je met een rood filter fotografeert met verhoogde gain. Wordt dan het rode signaal versterkt? Heeft dit hetzelfde effect als wat langer belichten?

Bij een compact camera kan je een software zoom gebruiken als de mechanische zoom niet verder kan. Het resultaat is als een krop in Photoshop, de resolutie wordt lager. Ik heb de software zoom van mijn compact camera uitgezet omdat ik liever zelf in PS doe.

Ik heb het idee dat met de gaininstelling -anders van unity gain- iets vergelijkbaars aan De hand is.
Of dit een juiste visie is weet ik niet en hoor het graag.

Unity gain betekend dat voor elk elektron wat door fontonen wordt vrijgemaakt in een pixel de digitale output een stapje omhoog gaat. Is de pixel vol met elektronen dan is de output maximaal. Dat is bij 12 bit sensor 4096, maar de software maakt er 16 bit van ofwel 64535 min iets.

Een lagere gain heeft geen zin.

Een hoger gain heeft als theoretisch klein voordeel dat de ruis van de analoog naar digitaal omzetter iets minder opvalt. Wel is is zo dat de analoog naar digitaal omzetter eerder verzadigd is dan de pixel omdat de eerder de max waarde bereikt door de hogere gain. Een groot nadeel. Bij moderne sensoren is de hemelruis (hemel achtergrond) tientallen keren hoger dan analoog naar digitaal omzetter ruis. Dan is er geen ruis voordeel en is er alleen maar een groot nadeel van een snellere pixel verzadiging. Dus een kleiner dynamisch bereik. Je zou het kunnen toepassen bij zeer korte belichtingtijden maar ook daar is de hemelruis significant.

De conclusie is dan "unity gain" is de beste instelling.


Han

Wat zo'n vraag van Willem Jan niet allemaal teweeg brengt!
Het antwoord van Han heb ik vele malen gelezen en ik heb er nog wat boeken op na geslagen en Han geconsulteerd. Uiteindelijk heb ik het verhaal omgezet in een voor mij (als leek) begrijpelijk verhaal waar een andere leek misschien ook wat aan heeft. Als er toch nog wat onjuistheden staan hoor ik het graag.
.
Een Ccd of CMOS sensor bestaat uit vele pixels. De pixels worden geladen met elektronen die vrijkomen als een foton (lichtdeeltje) de sensor raakt. De omzetting van een foton naar een elektron noemt men een ADU (analog to digitaal unit). Als de opname voltooid is worden de elektronen uitgelezen om er een toonbare plaat van te kunnen maken.
De grootste lading die een pixel kan vasthouden voordat hij verzadigd raakt noemt men ‘full-well capacity’. Overschrijden van de FWC geeft een verslechtering van het signaal. Wanneer de lading in een pixel het verzadigingsniveau overschrijdt, begint de lading aangrenzende pixels te vullen en versmeert het beeld.
Full well capacity van de ASI 1600 is 20.000e.
Full well capacity van de ASI 294 is 63700e. Dit is 3 keer de capaciteit van de ASI1600 waardoor zelfs heldere sterren niet verzadigt worden bij lange belichtingstijden.
De analog digitaal omzetter van de ASI 1600 is 12 bit. Dan heeft een pixel 4096 grijswaarden. Echter bij binning 2x2 worden vier pixels samengevoegd. Dat kan je zien als een grotere pixel met 4x4096 = 16378 waarden (16378 elektronen). Daarna wordt de camera output omgezet naar 0 - 65536. Dus weer een factor vier.
Als je een dark 1x1 opname in ASTAP met de muiscursor opmeet, dan zie je pixelwaarden in een veelvoud van 16. Alle pixel waarden zijn deelbaar door 16. B.v. 512, 528, 544..... Bij binning 2x2 zijn de stappen 4.
Een pixel zal dus geladen worden met een zekere hoeveelheid elektronen wat vertaalt wordt naar een digitale waarde voor 16 bit tussen 0 (zwart) en 65536 (wit).
De ASI camera geeft de mogelijkheid de Gain te veranderen. De fabrikant adviseert Unity gain waarbij elke foton één elektron toevoegt aan de pixellading. Bij verhoging van de gain zal één foton meer dan één elektron vrij maken. Bij een verhoogde gain zal de Full Well Capacity dus eerder bereikt worden maar met minder informatie. Immers een foton brengt de informatie en je gebruikt nu minder fotonen. Dit pleit dus niet voor het verhogen van de gain.
Om een pixel te laden zal bij een verhoogde gain minder vaak een ADU-omzetting nodig zijn. Elke omzetting veroorzaakt ruis, je krijgt dus minder ruis.
Bij moderne sensoren is de hemelruis (hemel achtergrond) tientallen keren hoger dan analoog naar digitaal omzetter ruis.
Dan is er geen ruis voordeel en is er alleen maar een groot nadeel van een snellere pixel verzadiging.
Een lagere gain , een kleiner dynamisch bereik, geeft minder dan een elektron per foton. De Full well Capacity wordt minder snel bereikt. Er zijn meer fotonen nodig voor dezelfde informatie. Je zou het kunnen toepassen bij zeer korte belichtingstijden maar ook daar is de hemelruis significant.
De conclusie is dan "unity gain" is de beste instelling.
Quantum efficienty
Niet elke foton wordt omgezet in een elektron, de sensor is niet 100% effectief.
De ASI 1600 heeft een quantum efficienty van 60%.
De ASI294 heeft een quantum efficienty van TBD (To Be Determined oftewel, geen idee).

Had even gemist dat deze discussie zich hier verder voortzette. Dit blijft/blijkt toch een ingewikkeld, maar desalniettemin een belangrijk thema.

Zo had ik me bijvoorbeeld nooit gerealiseerd dat binning de 'echte' bit-diepte vergroot, maar daar heb je natuurlijk helemaal gelijk in Gerard.

Maar mag ik het verhaal nog een beetje ingewikkelder maken? Het verhaal is namelijk niet hetzelfde voor elke camera. Gerard vergelijkt bijvoorbeeld de ASI1600 en de ASI294. De ASI1600 heeft een 'traditionele' CMOS sensor, maar de ASI294 heeft een 'dual-gain' sensor. En de keuze voor unity gain of niet kan hier ook vanaf hangen.

De gain instelling is een onderdeel van de analoge signaal-verwerking in de pixel. Achter elke pixel zit een versterker die lading opbouwt in een condensator. Staat de versterker uit (gain 0, in fotografie-termen: base-ISO), dan moeten er nogal wat fotonen op vallen om de condensator te vullen. Zet je de versterker hoger (gain omhoog), gaat dat sneller. Dat betekent dat de gevoeligheid omhoog gaat, de ruis naar beneden, maar omdat de condensator sneller vol is, de Full well capaciteit en de dynamic range naar beneden gaat. Beide standen hebben hun voordeel: Lage gain is minder gevoelig, maar geeft groot dynamisch bereik. Handig voor bijvoorbeeld een sterrenhoop. Hoge gain is gevoeliger, maar laag dynamisch bereik, handig voor bijvoorbeeld narrow-band foto's van zwakke nevels.
Unity gain is een wat arbitraire maat, gedefinieerd als 1 foton geeft 1 electron, maar is uiteindelijk een soort middle-of-the road instelling waarmee je eigenlijk altijd wel min of meer goed zit. Maar vergeet niet, dat unity gain een significante verlaging betekent van je dynamisch bereik en full well depth. Voor de ASI1600 is de full well depth bij unity gain bijvoorbeeld 4ke (t.o.v. 20ke bij gain 0) en het dynamisch bereik is iets meer dan 11 (t.o.v. 12.5 bij gain 0).
Samengevat is het voor de ASI1600 dus: Hogere gain = hogere gevoeligheid, lagere full well capacity, lagere dynamic range, lagere ruis

Voor de ASI294 is dit echter anders. Deze dual-gain sensor heeft bij elke pixel twee analoge versterkers zitten. De ene is voor lage gevoeligheid, en de andere is voor hoge gevoeligheid. De eerste is zeg maar vergelijkbaar aan die van de ASI1600. Maar de tweede is zo ingericht dat het dynamisch bereik vergroot wordt, en de ruis verlaagd. Vanaf een bepaalde gain stand schakelt de sensor van het ene setje naar het andere. Voor de ASI294 is dat gain 120. Overigens hebben ze het zo ingeregeld dat gain 120 ook unity gain is. De meeste sensoren die dit hebben zijn op deze manier in staat om in die 'gevoelige stand' hetzelfde dynamisch bereik te hebben als bij gain 0, maar dus wel in een hogere gevoeligheid en een veel lagere ruis. Technisch gezien heeft het geen effect op de full well capacity, maar dit is iets minder relevant omdat de dynamic range vergroot wordt. Voor de ASI294 kleven er dus nagenoeg geen nadelen aan gain 120 (unity gain). Overigens ook geen voordelen aan een andere gain stand. Ga je hoger dan nemen dynamic range en full well depth verder af, maar de ruis blijft hetzelfde. Ga je lager wordt het alleen maar slechter, totdat je naar gain 0 gaat. Dan heb je zit je uiteindelijk ietsje hoger in dynamic range, maar nu bij lagere gevoeligheid. Dit kan handig zijn als je bewust langere belichtingstijden wilt, maar dit komt in de praktijk volgens mij niet vaak voor.
Samengevat is het voor de ASI294 dus: Gain 120 = hogere gevoeligheid, lagere full well capacity, zelfde dynamic range, lagere ruis.

Dus mijn veronderstelling zou zijn dat voor de ASI1600 unity gain als uitgangspunt een prima instelling is, maar dat je afhankelijk van je object en gebruikte filters ook naar bijvoorbeeld gain 0 of gain 300 kunt gaan. Voor de ASI294 is unity gain de beste oplossing voor eigenlijk alle omstandigheden.

Voor de duidelijkheid zijn in onderstaand grafiekje de effecten van gain op diverse parameters nog even samengevat: