Messier objekti

[vlaiv]

Ako pričamo o digitalnoj fotografiji, ne razumijem kako pixel "hvata" elektrone? Valjda pixel u svojoj "zamci" hvata fotone, a oni dalje bivaju A/D jedinicom transponovani u elektrone.

Pa sam proces ide ovako - foton izbije elektron iz atoma fotosenzitivnog elementa i taj elektron ostane u potencijalnoj jami piksela. Znači sam foton može da udari u foto senzitivni sloj ili da ga promaši. Neki fotoni se konvertuju u elektron a neki ne. To je suština kvantne efikasnosti. Procenat fotona koji rezultuju elektronom. Zarad jednostavnosti - često se spominju samo elektroni.

A/D jedinica samo broji sakupljene elektrone - ona ne radi konverziju u elektrone. Odnosno, svaki elektron nosi jedinično naelektrisanje. Sakupiš 50 naelektrisanja i napraviš potencijalnu razliku i onda izmeriš napon - i pomoću toga dobiješ koliko elektrona ima u potencijalnoj jami (otprilike tako ide postupak, sigurno je mnogo komplikovanije u praksi, ali uprošćeno tako ide - recimo CCD "pretače" elektrone iz svake kolone ka A/D konverteru dok CMOS ima A/D konverter elektroniku na svakom pikselu i direktno meri napon u potencijalnoj jami - zato su CMOS senzori mnogo brži u isčitavanju - nema "pretakanja" elektrona).

Veći pixeli su generalno osjetljiviji na fotone, što znači da ih više prikupljaju (kažem generalno, jer zavisi i od tehnologije dobijanja istog, odnosno dalje prerade signala - back ili front illuminated).

To zapravo treba razdvojiti na dva dela. Piksel ima svoju površinu - veća površina - jeste veća površina za sakupljanje fotona, ali kad kažemo osetljivost piksela - onda mislimo samo na QE, odnosno kvantnu efikasnost. Kod modernih kamera QE se obično kreće u 80-90% u piku što je dosta ujednačeno, dok same veličine piksela nisu ujednačene.

To znači da manji pixeli primaju manje fotona... Ako tome dodamo još i FWC, onda dolazimo do toga da nikako nije moguće napraviti da 2,5 puta manji piksel iz gornje priče pokupi preko 6 puta više signala u realnim uslovima, kada na njega pada nekoliminisana svjetlost (100% kolimacija nije izvodljiva u realnim uslovima).

FWC ima minimalnu ulogu u astro fotografiji. Većina signala sa kojim radimo, odnosno 99.999% signala je reda veličine stotinu elektrona po ekspoziciji. FWC ima smisla samo kod jako svelih delova mete - centar galaksije, ili recimo M42 kod trapeza i naravno jarke zvezde. Ali ni tu FWC nije od presudnog značaja jer vrlo lako možemo da snimimo taj signal korišćenjem kratke ekspozicije koju ćemo koristiti samo za te delove gde je došlo do saturacije. Kod tih vrlo svetlih delova i kratka ekspozicija će dati dovoljno SNR-a da neće biti problema sa šumom.

Što se tiče razlike u veličini piksela - vrlo lako možemo dobiti i mnogo veću razliku, čak i ako binovanje izostavimo iz priče.

Recimo, TS-Optics TS432M USB3.0 MONO Astro Camera ima 9um piksele, dok kamera tipa ZWO ASI715MC Color USB3.0 Astro Camera ima 1.45 mikron piksele.

To je x6.2 puta manja veličina po stranici odnosno ~x38.5 manja površina piksela. Stavi te dve kamere na istu optiku i okini istu ekspoziciju i dobićeš x38 slabiji signal sa ASI715 nego sa TS432

Da ne pominjemo scientific seriju senzora koji imaju 10, 11, 12 i više mikrona (secam se kada su postojali CCD modeli sa 24um pikselima).

[Ljubo]

Znači sam foton može da udari u foto senzitivni sloj ili da ga promaši.

Prvi put čujem da elektron koji padne na senzor može da ga promaši? Taj proces oko QE ima veze sa rekombinacijom, a ne sa "mašenjem" - foton, to jest njegova energija ne može nestati.

Kod modernih kamera QE se obično kreće u 80-90% u piku što je dosta ujednačeno, dok same veličine piksela nisu ujednačene.

Konfuzno, ali se nazire odakle vučeš svoju tezu o osjetljivosti manjih piksela. Ipak, da ne bi bilo zabune, šta bi trebalo da znači da "veličine piksela na senzoru nisu ujednačene" (a ovako sročeno ispada da QE varira od piksela do piksela?)

[Ljubo]

Recimo, TS-Optics TS432M USB3.0 MONO Astro Camera ima 9um piksele, dok kamera tipa ZWO ASI715MC Color USB3.0 Astro Camera ima 1.45 mikron piksele.

To je x6.2 puta manja veličina po stranici odnosno ~x38.5 manja površina piksela. Stavi te dve kamere na istu optiku i okini istu ekspoziciju i dobićeš x38 slabiji signal sa ASI715 nego sa TS432

Oh ne, pogrešna interpretacija fotoefekta (koje ti zoveš "hvatanje elektrona"):
Još od 1905. godine je poznato opšte pravilo za ovaj efekat bez kojeg digitalne fotografije ne bi ni bilo:

Intenzitet zračenja je direktno proporcionalan broju oslobodjenih elektrona. Tvoj gorji zaključak apsolutno je u suprotnosti sa ovim pravilom. Ti polaziš od primljene energije po pikselu, dok se ovdje radi o intenzitetu.

Za one kojima nije jasna razlika izmedju ova dva pojma: Intenzitet zračenja je energija zračenja koja u jedinici vremena pada na jediničnu površinu senzora.
Dakle, dva senzora iste ukupne veličine, sa istim QE (po cijelom spektru), i sa istim termalnim šumom (dakle i read noisom istim), prikupiće približno jednaku količinu svjetlosti, bez obzira na veličinu piksela!

Pošto ja volim praksu više od teoretisanja (a trebalo bi da je to više smisao ovog hobija?), i kao što pomenuh juče da se ne uočava tako značajna razlika u istim optičkim setup-ima, a na različitim pikselima, evo na šta sam mislio:

SLIKA 1 i SLIKA 2 su nastale istim optičkim setupom kojim i ja snimam, ali različitim FF kamerama. Po Vladi, druga kamera bi trebalo da da 2,5x slabiji signal (ako zanemarimo manje od 20% razike u ekspoziciji, mada i ako ne zanemarimo, onda bi došli do 2x razlike). To se na ovim slikama nikako ne može zaključiti. I tako, primjera ima dosta, ali gornje pravilo fotoefekta je posljedica zakona o održanju energije - poznato je da se takav zakon ne narušava ni u nuklearnoj, a kamoli atomskoj fizici. Dakle, fotoni koji padaju na senzor nikako ne mogu da ga "maše" i da jednostavno nestanu, već se neki oslobodjeni elektroni mogu rekombinovati u materijal senzora, a da do toga ne bi došlo, uređaj mora da efikasno i brzo prikupi iste - tako dolazimo do QE. Prednost u ovom postupku imaju moderni senzori koji koriste back-illuminated tehnologiju.

[vlaiv]

Prvi put čujem da elektron koji padne na senzor može da ga promaši? Taj proces oko QE ima veze sa rekombinacijom, a ne sa "mašenjem" - foton, to jest njegova energija ne može nestati.

Vidi, svetlost može da izbije elektron iz orbitale kad ga pogoti ali i ne mora - to zavisi od tipa rasejanja koje se desi i gde foton taćno udari.

Od 100 fotona koji udare u foto senzitivni deo piksela - neće svih sto uspeti da izbiju elektron. Da svaki uspe da izbije elektron - imali bi 100% QE, ali nemamo.

Znači ovako:

Osetljivost piksela zavisi od par faktora - a to je veličina fotosenzitivnog dela u odnosu na ukupnu površinu tog piksela, da li je back ili front illuminated da li ima i kakav mu je micro lens koji usmerava svetlo na fotosenzitivnu površinu (da foton ne bi promašio fotosenzitivni deo nego udario u neke vodove pored - elektroniku piksela i onda ne uradi ništa).

To sve se kominuje u jedan jedini broj / procenat i njega zovemo QE.

Taj broj u opštem slučaju nema veze sa veličinom piksela. Postoje veliki pikseli sa velikim QE i malim QE i mali pikseli sa velikim QE i malim QE.

Površna piksela je drugi faktor koji utiče na nivo signala koji će da zabeleži piksel - ali nema veze sa njegovom osetljivošću.

To je kao kad ostavimo kofu i čašu na kiši. Kofa ima veću površinu i jednostavno će sakupiti više kišnice jer će više kapi upasti u to veću površinu.

SLIKA 1 i SLIKA 2 su nastale istim optičkim setupom kojim i ja snimam, ali različitim FF kamerama. Po Vladi, druga kamera bi trebalo da da 2,5x slabiji signal (ako zanemarimo manje od 20% razike u ekspoziciji, mada i ako ne zanemarimo, onda bi došli do 2x razlike). To se na ovim slikama nikako ne može zaključiti. I tako, primjera ima dosta

Primer koji si naveo zapravo potvrđuje ono što ja kažem.

Za obe slike stoji:

Pixel scale: 1.993 arcsec/pixel

To znači da su pikseli iste veličine, zar ne? Da su različite veličine pikseli - bila bi i različita rezolucija slike jer su korišćeni sa istim teleskopom?

Jedna od stvari koje govori gornja jednačina je da ako imaš istu aperturu i istu radnu rezoluciju - dobićeš istu brzinu sistema.

Ako već hoćeš da ispravno poredimo, zašto ne okačiš negde po jedan raw sub sa obe kamere - iste dužine ekspozicije bez dodatnih manipulacija - pa da baš vidimo nivo signala.

[Ljubo]

Od 100 fotona koji udare u foto senzitivni deo piksela - neće svih sto uspeti da izbiju elektron. Da svaki uspe da izbije elektron - imali bi 100% QE, ali nemamo.

Opet dubioza: Po tome bi pik QE trebao biti u UV spektru (i ne bi dobili nikako brdolik spektar)! Mislim da trebaš vise citati o fotoefektu, a manje o pikselima koje fotoni "maše". Ako je QE u UV ili IR dijelu spektra 30%, dje su nestali onih 70% fotona?

QE je posljedica procesa u senzoru (u prvom redu rekombinacije elektrona), a intenzitet zracenja je intenzitet i nikako nije isto što i energija (mislim da ti nije jasna razlika izmedju ova dva pojma). Uostalom svuda na netu piše da veči pikseli skupljaju nešto više svjetla od manjih, a nikako obrnuto.

[Ljubo]

To znači da su pikseli iste veličine, zar ne?

Ne 2400 kamera ima piksel od 5,94 mikrona, a 6200 od 3,76. Spacijalni piksel jeste isti, ali mi ovdje pricamo o fizickom pikselu i njegovoj sposobnosti da skuplja svjetlost.

[Yagodinac]

Teoretski može da se napravi kamera koja je više od 4x osetljivija od neke druge pa da se ona stavi na f8 teleskop i da to sve bude brže od f4 teleskopa, ali to je argument u domenu Monti Pajtona, naravno da onda može ali nije fer 

To je odlična analogija ali fali jedan deo. A to je da signal kod CCD/CMOS sensora ne dolazi po jedinici površine nego po jedinici piksela.

Ako uzmemo da je jedinična površina 10x10 mikrona i imamo dve kamere - jednu sa 2 mikrona pikselom i jednu sa 5 mikrona pikselom - te dve kamere će zabeležiti različit nivo signala.

Prva kamera će signal sa jedinične površine raspodeliti na 25 "kućica" odnosno piksela (10 mikrona / 2 mikrona je pet piksela po dužini jedinične površine i onda to na kvadrat je 25) a druga kamera će taj jedinični signal odnosno signal sa jedinične površine podeliti na samo 4 kućice odnosno na 4 piksela.

Neka je jedinični signal 100 elektrona. Prva kamera ima 4 elektrona po ekspoziciji a druga hvata 25 elektrona po ekspoziciji.

Druga kamera je mnogo puta brža (veći signal po istoj ekspoziciji) a da nismo ni dirnuli F/odnos. Znači F/odnos nije brzina, odnosno ne govori celu sliku o brzini.

Brojanje elektrona na senzoru je kompleksna stvar (antibluming gejt, koliki je gep između dioda, dubina bunara/dwell tj koliko elektrona prima pre saturacije, efikasnost detekcije fotona, da li je sveki peti ili stoti transformisan u elektron, da li je backside iluminated tehnologija ili ne...) a do parazitskih struja, interferencije i kvaliteta AD konvertera još nismo ni stigli. Ali navešću zašto ova tvoja gore teorija ne pije vodu a suština je sledeća: broj elektrona sa senzora zapravo uopšte nema veze sa signalom koji AD konverter šalje na ekran. Apsurdno ali je tako - sve dok smo u ISO kalibrisanom prostoru, i to upravo zato što smo tu.
Primer je činjenica da Canon senzor od 18mpx ima strukturu senzora takvu da od 4 fotodiode (RGGB) svaka ima kapacitet od oko 21 000 elektrona pre nego što se saturira. To su diode za boju, za zelenu ima duplo veći kapacitet, što je uobičajeno za Bayer CMOS. AD konverter svaku tu vrednost napona interpretira u 14 bita, tj 16384 boja po kanalu. Ovde je ključ cele priče: ti imaš manje od jednog ipo elektrona po nijansi za plavu i crvenu, a za zelenu manje od tri elektrona. Pogledaš u Photoshopu kolorne kanale i zaprepastiš se koliko su plavi i crveni šumoviti, čak i na ISO100 usred bela dana.

S druge strane postoji Nikon D3, stara reporterska fulfrejm mazga sa 12mpx. Njena fotodioda prima 140 000 elektrona i onda za zelenu imaš bezmalo dvadeset elektrona. Razlika nije samo zbog gigantskih piksela već i zbog tehnologije (dubina bunara u koji upadaju fotoni).

Suština cele priče je da oba ova senzora, 550D i D3, zapravo na kraju sve to transformišu u potpuno isti signal. Kad snimiš isti kadar sa istim podešenjima ti dobiješ isto osvetljenu sliku, bez ikakve razlike. Da snimaš galaksiju dva sata na istom ISO-u, isto bi izgledali stekovi - nebo bi bilo npr 90 a jezgro galaksije 255; bez obzira na sve. Šou nastupa kad krenemo u obradu - pogodi koji od ova dva aparata ima manji šum i veću sigurnost u određivanju tačne boje koji dotični piksel zapravo ima. I čiji fajl može da izdrži pravu torturu u obradi a da ne pukne. Naravno da će galaksija sa D3 biti bolja nakon obrade sa 550D koji će relativno brzo da prikaže šum. To je i očekivano; nije isto jedan elektron po nijansi i deset elektrona po nijansi, šum tj raspad fajla dosta zavisi od tačnosti određivanja nijanse.

Zato ja recimo hvalim stari 5d mark II, zato što njegovih 60-70 hiljada elektrona ubedljivo razbijaju bilo koji novi krop koji tek sad stidljivo prelaze 30 hiljada elektrona po kanalu. I zato kao jednu jedinu veličinu da uporedimo brzinu dva fotografska sistema imamo broj fotona po jedinici površine (sa čim se ti ne slažeš).

Zamisli da su sve kamere po pitanju signala automobili na autoputu koji svi idu istom brzinom od 130kmh. To ti je signal koji oni isporučuju tj ISO kalibracija osetljivosti, njihove fotke imaju sve istu vrednost neba ili jezgra galaksije. Ali razlika je u tome što Tesla do 130 stigne za pet sekundi a Dačija za dvadeset - to su performanse u obradi, odnosno broj izbrojanih elektrona na osnovu uhvaćenih fotona po kanalu po pikselu podeljen brojem nijansi. U tom kontekstu imaćeš BOLJI signal sa boljom kamerom, ali nikako JAČI signal pa da f8 bude brži od f4 - sve dok smo u ISO prostoru.

[vlaiv]

Opet dubioza: Po tome bi pik QE trebao biti u UV spektru (i ne bi dobili nikako brdolik spektar)! Mislim da trebaš vise citati o fotoefektu, a manje o pikselima koje fotoni "maše". Ako je QE u UV ili IR dijelu spektra 30%, dje su nestali onih 70% fotona?

Gde nestanu oni fotoni koji pogode tvoju ruku? Neki se odbiju, neki se absorbuju kao toplota ...

Ne 2400 kamera ima piksel od 5,94 mikrona, a 6200 od 3,76. Spacijalni piksel jeste isti, ali mi ovdje pricamo o fizickom pikselu i njegovoj sposobnosti da skuplja svjetlost.

Pošto ceniš praktični pristup, ako imaš obe kamere - evo ti jednostavnog eksperimenta:

Uzmi obe kamere i uperi teleskop u beli zid (kao da praviš flat).

- ako imaš uskopojasni filter - koristi njega jer je lakše, ako ne - uzmi zeleni filter za mono kameru a ostavi OSC kako jeste - merićemo samo zeleni kanal.
- napravi jedan snimak sa 2400 kamerom tako da ne dobiješ saturaciju - znači kao flet
- napravi jedan snimak sa 6200 kamerom iste ekspozicije kao i sa 2400 kamerom.

Obe kamere postavi tako da im gain bude unity ili bar zapiši koji je gain da možemo da konvertujemo ADU u elektrone.

- izmeri nivo signala u centru za obe kamere - ili još bolje, okači negde oba fits fajla da ljudi mogu sami da izmere i da se uvere.

[Yagodinac]

Ako su isto kalibrisane kamere, tj njihov signal, biće na istom gainu isti rezultat. Nema veze sa efikasnošću detekcije fotona niti dimenzijom piksela, ali ima veze sa kasnijom obradom tj koji fajl može više da izdrži.

[Ljubo]

Vlado, da li ti je poznato na kom materijalu se desava ovo o cemu mi pricamo? Na kozi svakako ne. Od 1000 elektrona 990 ce sigurno izazvati fotoefekat na metalu - to je zakon za koji je jos 1905 godine dodijeljena Nobelova nagrada. Ali po tebi ispada da je ovaj vojvodjanski zet nije zasluzio.

[vlaiv]

Ako su isto kalibrisane kamere, tj njihov signal, biće na istom gainu isti rezultat. Nema veze sa efikasnošću detekcije fotona niti dimenzijom piksela, ali ima veze sa kasnijom obradom tj koji fajl može više da izdrži.

Evo prilike da proverimo na praktičnom primeru

@Ljubo može da nam obezbedi podatke i da se sami uverimo.

U međuvremenu, pogledajte ovu analizu Sonijevih senzora koju je napravio sam Soni:



Za IMX290 kažu da ima preko 80% QE a za IMX178 kažu da ima 81% - znači manje više im je isti QE

Ako uzmemo 2.9 vs 2.4 piksela - 2.9*2.9 / 2.4*2.4 = ~1.46, znači IMX290 skupi x1.46 više signala odnosno treba mu x1.46 manje ekspozicije za istu osvetljenost.

25ms / 1.46 = ~17.12 a oni su koristili 17.5ms da bi dobili isto osvetljenu sliku (mala razlika je verovatno zbog razlike u QE jer ne znamo tačne vrednosti).

[vlaiv]

Vlado, da li ti je poznato na kom materijalu se desava ovo o cemu mi pricamo? Na kozi svakako ne. Od 1000 elektrona 990 ce sigurno izazvati fotoefekat na metalu - to je zakon za koji je jos 1905 godine dodijeljena Nobelova nagrada. Ali po tebi ispada da je ovaj vojvodjanski zet nije zasluzio.

Vidi, foto električni efekat kaže da bi u uslovima klasične teorije svetla kao talasa - energija izbačenih elektrona zavisila od intenziteta svetlosti (jer u klasičnoj teoriji intenzitet predstavlja energiju) dok se pokazalo da energija izbačenih elektrona zavisi od talasne dužine svetlosti i da čak ispod određene talasne dužine svetlosti i ne dolazi do emisije elektrona - nema dovoljno energije da se elektroni izbace iz orbitala / valentnog sloja.

To nema veze sa kvantnom efikasnošću osim da objasni zašto uopšte dolazi do izbacivanja elektrona. Vidljiva svetlost ne može da izbije elektrone iz orbitala materijala. Zato mi nismo naelektrisani stalno, ali ako se poluprovodnik napravi na poseban način i smanji se potrebna energija za izbacivanje elektrona - onda vidljiva svetlost to može da uradi - ima dovoljno energije. To je foto senzitivni sloj u pikselu.

Ovo sve nema veze sa pitanjem da li će pojedinačni foton zapravo pogoditi elektron da ga izbaci ili neće nego će samo da se odbije / absorbuje u okolnom materijalu. To predstavlja kvantna efikasnost.

[Ljubo]

Mnogo netačnosti i paušalnosti vezano za fotoefekat. Za početak, na kojim materijalima se on dešava? Na koži???

Ali greška još značajnija:

jer u klasičnoj teoriji intenzitet predstavlja energiju

 Šta ćemo s time što se intenzitet mjeri u W/m^2, a energija u džulima (u ovom slučaju u eV?)

[vlaiv]

Mnogo netačnosti i paušalnosti vezano za fotoefekat. Za početak, na kojim materijalima se on dešava? Na koži???

Ali greška još značajnija:

jer u klasičnoj teoriji intenzitet predstavlja energiju

 Šta ćemo s time što se intenzitet mjeri u W/m^2, a energija u džulima (u ovom slučaju u eV?)

https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

[Yagodinac]

Evo prilike da proverimo na praktičnom primeru

@Ljubo može da nam obezbedi podatke i da se sami uverimo.

U međuvremenu, pogledajte ovu analizu Sonijevih senzora koju je napravio sam Soni:

Za IMX290 kažu da ima preko 80% QE a za IMX178 kažu da ima 81% - znači manje više im je isti QE

Ako uzmemo 2.9 vs 2.4 piksela - 2.9*2.9 / 2.4*2.4 = ~1.46, znači IMX290 skupi x1.46 više signala odnosno treba mu x1.46 manje ekspozicije za istu osvetljenost.

25ms / 1.46 = ~17.12 a oni su koristili 17.5ms da bi dobili isto osvetljenu sliku (mala razlika je verovatno zbog razlike u QE jer ne znamo tačne vrednosti).

Soni je očigledno želeo da ove tri kamere tako kalibriše, u pitanju su industrijske kamere kojima je to verovatno potrebno i ovo je praktično izuzetak u fotoindustriji. Kako objašnjavaš da telefon, kompakt, mirrorless i DSLR, koji svi imaju potpuno različite dimenzije piksela i strukturu senzora, daju u suštini veoma sličan rezultat?
Ti svaku kameru kao proizvođač možeš da kalibrišeš kako hoćeš. Ako je kalibrišeš po ISO standardu onda dimenzije piksela, QE i sve ostalo nema nikakve veze - fotka će biti ista kao i na drugoj bilo kojoj kameri na istom ISO-u.