Messier objekti

[vlaiv]

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.

Vidi, kalibracija kamere koja se koristi u dnevnoj fotografji nema velike veze sa astrofotografijom.

U astrofotografiji, nama je bitan SNR, a SNR je isključivo vezan za broj elektrona koji piksel izmerio. Znači brojčane vrednosti nam nisu bitne, kao što smo spomenuli - intenzitet i kontrast i sve se to može menjati u obradi.

Mi možemo posvetliti sliku kako hoćemo i od 10 elektrona napraviti i 2000 vrednost piksela i 60000 vrednost piksela (u 0-65535 opsegu) - i to je ono što predstavlja gain kad se radi u kameri - ali to neće promeniti SNR.

Kada pričamo o SNR i onome što je važno u astrofotografiji - onda je najbolje da kamere kalibišemo da je ADU=elektron, odnosno jedinični gain.

Tada smo sigurni da sve kamere beleže istu vrednost što se tiče elektrona odnosno SNR, odnosno, izbacujemo veštačko pomeranje nivoa osvetljenja iz priče. Merimo koliko zapravo elektrona / fotona kamera beleži a to je ono što nam treba i iz toga se najlakše vidi koji sistem je brži - onaj koji za isto vreme sakupi više elektrona po pikselu na istoj meti - ili onaj koji sakupi jednako elektrona za kraće vreme.

[vlaiv]

Usput, na slici ćeš primetiti da su stavili na sve tri slike da je internal gain 0db.

To bi trebalo da znači da nisu menjali vrednosti broja elektrona koja je uhvatila svaka kamera, odnosno senzor - kako bi i trebalo za ovakva poređenja.

Problem je što Soni neće javno baš da objavljuje sve podatke jasno, valjda zbog konkurencije ono poslovna tajna, tako da nemamo tačne QE vrednosti i ostale stvari su dosta zakukuljene/zamumuljene, pa moramo da se dovijamo šta je pisac hteo da kaže.

Ovde nigde ne piše da je internal gain 0db zapravo direktno broj elektrona - ali je logično za pretpostaviti. Često su i menjali metodologiju kojom porede kamere. Ovo je ranije korišćeno, sad su prešli na neki SNR1 standard - koji opet čovek ne može da razume šta su tačno mislili.

[Yagodinac]

Opet ti kažem, ovo je jedan jedini izolovan slučaj da SNR bude u koleraciji sa površinom piksela (vidi gore slučaj D3 vs 550D koji to efikasno ignoriše, kao i milion drugih u fotoindustriji). Možda to tebi izgleda logično ali nije; ta kamera sa manjim pikselima traži duže vreme eksponiranja i kad bismo je stavili na isti teleskop i uporedili sa kamerom sa velikim pikselima, mala bi bila tamnija - što je u suprotnosti sa osnovnim pravilom da je f-odnos jedina mera brzine optičkog sistema.
Da su stavili za sve tri kamere isto vreme eksponiranja umesto 17, 25 i 32ms imali bi tri različito osvetljene slike.

Još nešto: one tri kamere su vrlo nelogično, različite dijagonale pa najmanje piksele ima najveća, a veličina slika mi je vrlo sumnjiva kad pogledaš dimenzije senzora. Deluje kao da su snimljene sa različite distance. Aljkavo za testere ako mene pitaš; dijagonale senzora prve i treće su 6.46 i 9.33mm, dakle 30% razlike a na fotkama razlika od 3x u dimenziji predmeta.

Još još nešto: da staviš kameru sa malim pikselima na f8 teleskop i sa velikim pikselima na f4, opet bi f4 bio preko dvaput brži, doduše f8 bi imao 1.7x veću linearnu rezoluciju.

[Ljubo]

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

Znači kad sam postavio pitanje šta je fotoefekat, dobio sam guglanje i Wiki?

Tako urade moji djaci i ja im postavim jednostavna potpitanja kao ova gore. Ali, ajde da vidimo kako to neko s naših područja prevodi s Wiki:

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)

A u stvari piše: "Klasična termodinamika objašnjava da se transfer intenziteta zračenja vrši kontinuirano i predaje u vidu kinetičke energije elektronu".

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.

Dakle, samo oni fotoni koji nemaju talasnu dužinu od crvene pa do kraja UV svjetlosti, ne mogu proizvesti fotoefekat, dok ostali obavezno prave fotoefekat! (Wiki: "in quantum systems all of the energy from one photon is absorbed"). Dakle od početnog "mašenja", poslije guglanja, stigli smo do apsorpcije - napredak!
Samo da bi napredak bio potpun, ovo se efektivno dešava u "solid state" stanju, dok je na koži zanemarljiv.

Nadalje, fino piše na Wiki i da efikasnost fotoefekta može u praksi da bude i veća od 100%, tj. da par fotona oslobodi, na primjer  3 elektrona. (vidi prvu sliku desno na Wiki). Fotoefekat je kvantni efekat i, iako se kvantna fizika možda ne proučava u Novom Sadu, postoji Bornov zakon koji kaže: "apsolutna vrijednost kvadrata psi funkcije je jednak jedinici". Jednak jedinici znači siguran događaj.
Ono što ne piše doslovce na Wiki (ali možeš naći recimo na fizis.rs) je treće pravilo fotoefekta: "Intenzitet zračenja je u direktnoj proporcionalnosti sa brojem fotoelektrona".
Evo dodjosmo i do QE senzora. Ništa što sam napisao do sad, a tako i o QE nisam guglao, ali evo pošto se to traži na forumu (https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_efficiency):  "It is defined as the number of signal electrons created per incident photon. In some cases it can exceed 100% "
Dakle, foton niti "maši", niti se ne "apsorbuje u ništa", već pravi slobodne elektrone. Evo, kao što rekoh i prije, piše zašto je QE senzora u realnosti manja od 100% : "the QE for most solar cells is reduced because of the effects of recombination, where charge carriers are not able to move into an external circuit."

E sad praksa: senzori koje Vlada navodi nisu iste ukupne veličine. Ali ako jesu, onda stoji tvrdnja:  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.

[Yagodinac]

E sad praksa: senzori koje Vlada navodi nisu iste ukupne veličine. Ali ako jesu, onda stoji tvrdnja:  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.

Da, ili još prostije, umesto senzora: filmovi istog formata dobijaju istu količinu svetlosti.
Ili još jedna analogija: imamo dva bazena, napunjena do vrha vodom. Na dnu jednog bazena imamo krupne pločice, na dnu drugog sitnije pločice. Količina tj zapremina vode iznad svake pločice je proporcionalna površini iste pločice, nikako da veće (ili možda manje) pločice imaju disproporcionalno više vode; svuda je visina vode 2.2m.

[Ljubo]

@Yagodinac,

U anglosaksonskoj literaturi koriste još plastičniji primjer: Pikseli su četvrtaste kofe poređane jedna uz drugu, a fotoni kišne kapi. Ove kišne kapi niti mogu da maše kofe, niti se gube u ništa, već se, kada pređemo u priči (analogiji) na fotone, proizvode elektrone!

Ali ako Vlada ima neki dokaz da se fotoni negdje gube, rado ću mu na PM poslati moj broj tel. da to proučimo i objavimo, to bi nam bilo otkriće za Nobela!

Za sve one koje zanima kako se otkrio ovaj efekat, i zašto praktično svaki foton proizvodi elektrone u ovoj pojavi (koju koristimo svaki put kad vršimo digitalno snimanje), uvodno štivo je zapravo priča o utemeljivaču kvantne fizike. Moja topla sugestija je da obavezno pogledaju svi koje zanima ovaj veoma poučan jutjub u obliku dokumentarca:

https://www.youtube.com/watch?v=AY3J0ms30qw

Tačno na 9:00 minuta je precizno objašnjen fotoefekat.

[CyberianIce]

Ne radi se o tome da se fotoni gube nego o tome da se gubi informacija o njima! U pitanju je niz kvantnih procesa od momenta kada foton prolazi kroz bajerovu matricu (filter) preko konverzije pa sve do momenta kada se kovertuju u ADU zbog nasumičnog šuma. Zamisli situaciju filp a coin. Treba da u 50% slucajeva bude glava a u 50% pismo. Uzmi novčić i baci ga 100 puta pa prebroj šta ćeš dobiti. Uzmi baci ga 7 puta pa prebroj šta ćeš dobiti. Uzmi novčić i baci ga 10 puta a onda uzmi 10 ljudi i reci im da svako baci po jednom pa pitaj svakog ponaosob šta je zaključio.

Nadam se da je sada jasnije zašto prikupljamo što više signala i kako povećavamo SNR. Iz poslednjeg primera je proistekla čitava ideja oko bajnovanja itd.

[Ljubo]

Fotoni se konvertuju u ADU? Valjda se elektroni konvertuju u ADU.

I ne gubi se informacija od fotona, već zbog pojave rekombinacije uređaj ne stigne da sve fotoelektrone dobaci do ADU. Termalni šum se još nadovezuje na sve ovo, i čini glavnu komponentu onoga što zovemo read noise.

Pošto mnogi ne znaju, ili ne umiju da prevedu šta je to rekombinacija i kako ona zapravo čini da je QE manji od 100% (a ne gubitak fotona!), evo da ukratko pokušam pojasniti, jer je proces višestruk i zbog uticaja valentne zone ne mogu sad pisat sve u detalje:

Kada fotoni oslobode elektrone sa čipa (što je isto kompleksan proces), oni se nalaze u njegovoj blizini. Atomi koji su tom prilikom izgubili svoje elektrone, pokušaće da zahvate neke od ovako oslobodjenih elektrona prije nego što ovi stignu do ADU! I to se u stvarnosti i dešava - uređaj ne uspijeva momentalno da sakupi sve fotoelektrone prije nego li se oni rekombinuju sa pozitivnim jonima u čipu, te zato QE pada od načelnih 100% na nižu vrijednost.

[CyberianIce]

Za naš scope (astrofotografija) informacija koliko fotona je došlo do kojeg piksela je informacija na koju sam mislio. U kontekstu teorije informacije se može se reći da se informacije ne gube ali to nije ono o čemu ovde pričamo. A read noise i termalni šum nemaju veze jedno sa drugim ni praktično ni teoretski.

[vlaiv]

Pošto mnogi ne znaju, ili ne umiju da prevedu šta je to rekombinacija i kako ona zapravo čini da je QE manji od 100% (a ne gubitak fotona!), evo da ukratko pokušam pojasniti, jer je proces višestruk i zbog uticaja valentne zone ne mogu sad pisat sve u detalje:

Kada fotoni oslobode elektrone sa čipa (što je isto kompleksan proces), oni se nalaze u njegovoj blizini. Atomi koji su tom prilikom izgubili svoje elektrone, pokušaće da zahvate neke od ovako oslobodjenih elektrona prije nego što ovi stignu do ADU! I to se u stvarnosti i dešava - uređaj ne uspijeva momentalno da sakupi sve fotoelektrone prije nego li se oni rekombinuju sa pozitivnim jonima u čipu, te zato QE pada od načelnih 100% na nižu vrijednost.

Zašto je onda QE različit za različite talasne dužine svetlosti?

Elektron kada je oslobođen, a i "atom koji ga zahvati" nemaju pojma koja je bila talasna dužina svetlosti koja ga je oslobodila. Elektron je oslobođen svakom talasnom dužinom koja ima dovoljno energije da ga izbaci iz potencijalne jame u kojoj se prvobitno nalazi (valentni sloj ili već neki deo poluprovodnika).

Zašto bi atomi "hvatali nazad" elektrone slabije ako ih pogodin 550nm (veći QE) a bolje ako je foton 400nm ili 650nm (manji QE)?

[vlaiv]

Da stavimo tačku na ovu priču o QE:

https://www.raptorphotonics.com/wp-content/uploads/2021/11/QE-Tech-Note-031221.pdf

... photons do not generate a measurable charge within the photosensitive volume of the device, possibly due to reflection losses, recombination effects, absorption in a non-photosensitive region or transmission through the device.

(ja sam istakao bitne delove, original tekst je bez isticanja, a ima i dosta više o tome šta se tačno dešava).

[Yagodinac]

Zašto je onda QE različit za različite talasne dužine svetlosti?

To zavisi od čega je supstrat koji detektuje fotone, tj gde se vrši fotoelektrični efekat. Različiti atomi, različiti valentni elektroni, razičite energije potrebne za izbijanje. Možeš da napraviš kakav hoćeš senzor u kom hoćeš opsegu, ako koristiš određene materijale. U medicini npr koristimo gadolinijum jer taj senzor dobro detektuje X zračenje.

"Emission of conduction electrons from typical metals requires a few electron-volt (eV) light quanta, corresponding to short-wavelength visible or ultraviolet light. In extreme cases, emissions are induced with photons approaching zero energy, like in systems with negative electron affinity and the emission from excited states, or a few hundred keV photons for core electrons in elements with a high atomic number."

Zašto bi atomi "hvatali nazad" elektrone slabije ako ih pogodin 550nm (veći QE) a bolje ako je foton 400nm ili 650nm (manji QE)?

Mi ne znamo da li bi ih hvatali bolje ili ne; ali to ionako nema veze sa pričom jer je činjenica da tih elektrona ima manje tamo gde je manji QE pa ih zato statistički manje i hvataju.

Da stavimo tačku na ovu priču o QE:

https://www.raptorphotonics.com/wp-content/uploads/2021/11/QE-Tech-Note-031221.pdf

... photons do not generate a measurable charge within the photosensitive volume of the device, possibly due to reflection losses, recombination effects, absorption in a non-photosensitive region or transmission through the device.

(ja sam istakao bitne delove, original tekst je bez isticanja, a ima i dosta više o tome šta se tačno dešava).

Mislim da je Ljubo mislio na činjenicu da elektron ne može da nestane u okviru silicijuma nego mora nešto da proizvede, ako energija odgovara onda fotoelektrični efekat, ili šta god. Činjenica je da u istaknutom tekstu imaš "possibly", što označava visok nivo spekulativnog.

[vlaiv]

Mislim da je Ljubo mislio na činjenicu da elektron ne može da nestane u okviru silicijuma nego mora nešto da proizvede, ako energija odgovara onda fotoelektrični efekat, ili šta god. Činjenica je da u istaknutom tekstu imaš "possibly", što označava visok nivo spekulativnog.

Ljudi, šta je sa vama? Kao da u školu niste išli...

Foton može da se absorbuje u materijalu (termalna energija), da se odbije od materijala (reflektovana svetlost - ono zbog čega vidimo stvari), da prođe kroz materijal - dosta materijala je transparentno za vidljivu svetlost a i to zavisi i od debljine materijala - ili da izazove skok elektrona sa orbitale na orbitalu. Ako je u pitanju poslednji elektron - ili elektron u valentnom sloju - da ga izbije iz materijala - fotoelektrični efekat.

Nema tu ništa špekulativno, to su osnovne stvari.

[Ljubo]

... photons do not generate a measurable charge within the photosensitive volume of the device, possibly due to reflection losses, recombination effects, absorption in a non-photosensitive region or transmission through the device.

@Yagodinac, possibly je tu još i najmanji problem. Hajmo ovako redom: želite da napravite kameru sa što boljim čipom i generalno odličnim uređajem u cjelini:

1) reflection losses - ne želite takvu kameru, jel' da? Uzećete onu koju ima manji refleksioni gubitak, recimo onu koja ima odličan antirefleksioni premaz ispred senzora. Dakle to možemo riješiti.

2) absorption - a ne nećemo uzeti čip sa pikselima koji rade apsorpiciju u većem obimu, zar ne?

3) transmission through the device - šta će nekom takva kamera? Uzeće onu sa čipom koji ne transmituje (ili veoma slabo transmituje) fotone - logično zar ne?

Šta onda ostaje, a sa stanovišta moderne tehnologije ne možemo još uvijek da uradimo "the best"? Pa da li ste se zapitali zašto su moderne CMOS kamere zamijenile staru front-illuminated tehnologiju? I najbolje CCD kamere su koristile back-illuminated tehnologiju - cilj je na vrijeme onemogućiti dobijene fotoelektrone da se rekombinuju!

Zato se, kao što kaže Yagodinac biraju materijali koji onemogućuju 1) do 3), a za ovo posljednje mora još dosta da se radi.

Zašto je onda QE različit za različite talasne dužine svetlosti?

Nisam dublje ulazio u taj dio priče, ali koliko sam skontao to ima veze sa valentnim zonama u materijalu prihvatnih piksela - tih zona ima više, pogotovu kod poluprovodnika, pa kad se elektron rekombinuje, on zauzima različiti dio valentne zone... Tako da na kraju imamo takav oblik QE po ukupnom spektru.

[ε Aurigae]

Drage kolege, pomno pratim diskusiju i mislim da je jako konstruktivna iako ima tendenciju na momente da eskalira


Da li zelite da napravimo jedan webinar gde bi ucesce uzeli:

Ljubo
Vlaiv
Cyber
Yagodinac

Moj predlog bi bio da napravimo novu temu kao odvojenu i popisemo stavke za predavanje.

Ideja je da u sat ili sat ipo pokrijemo sve ove teme. Mene licno zanima da naucim sve vezano za ovo kao bitnu temu i sustinu za sam proces dobijanja slike.

Sta mislite? Evo ja bih bio moderator i ideja je kao u studiju da sa vise aspekata obradimo ovo.