CCD - нужно ли охлаждение?

[Victor Maiorov]

В астрономии принято CCD матрицы охлаждать. Хочу разобраться - это нужда или традиция?
Вчера измерял темновые токи матрицы SONY ICX085AL. Получилось следущее - при комнатной температуре средний темновой ток по матрице - от 1 до 1.5 электронов на пиксел в секунду (диапазон указал с учетом моих ошибок измерения).
Конечно есть и "горячие" пиксели там темновой ток значительно больше, но этих пикселей не очень много, они отстоят на некотором расстоянии друг от друга и хорошо убираются медианной фильтрацией. Если не перелить через край - можно вычитать фон.
С другой стороны в описании KAF1602 указан темновой ток 15 электронов на пиксел в секунду. Понятно, что тут нельзя и без охлаждения.
Есть ли в конфе люди пользующие живые CCD c охлаждением? Какие там реальные темновые токи? На сколько горячие пиксели ярче фона? Имеет ли смысл городить охлаждение при темновых токах как у SONY?

С наилучшими пожеланиями

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[SF]

1. нужда или традиция...
Первое. И поэтому, соответственно, второе.
2. SONY ICX085AL...
Это совершенно неподходящая для астрономии ПЗС.
3. от 1 до 1.5 электронов...
Если не секрет, как Вы переводили единицы АЦП в электроны?
4. медианной фильтрацией...
Увы, далеко не во всех случаях ее нужно/можно применять - она изменяет фотометрические соотношения...
5. не перелить через край...
Но разве у этой матрицы нет антиблюминга? (Одна из многих причин п.2)
6. темновой ток ... KAF1602 ... 15 электронов на пиксел в секунду...
При какой температуре?
7. ...CCD c охлаждением? Какие там реальные темновые токи...
Хм... При азотном охлаждении - практические никакие. Учитывать их в этом случае - только вносить при обработке шумы.

P.S.
Здесь и на форуме "Звездочета" уже обсуждали (ну скажем так) ПЗС-технологии, кстати, упоминая и Вас.
Если хотите, пишите мне на e-mail.

[Это сообщение редактировал SF (13.02.2001).]

[Victor Maiorov]

>2. SONY ICX085AL...Это совершенно
>неподходящая для астрономии ПЗС.

Если не сложно ответьте, почему? В интернете я встречал проекты камер на этих матрицах для любителей.

>3. от 1 до 1.5 электронов...
>Если не секрет, как Вы переводили единицы
>АЦП в электроны?

Глубина ямы матрицы - 25000 электронов. Разрядность АЦП - 10 бит. Дальше все просто. Меряю фон на короткой выдержке, потом на 100 сек. и считаю среднее по изображению.

>5. не перелить через край...
>Но разве у этой матрицы нет антиблюминга?
>(Одна из многих причин п.2)

Если пиксел заполнится полностью - из него нельзя будет вычесть фон.

>6. темновой ток ... KAF1602 ... 15
>электронов на пиксел в секунду...
>При какой температуре?

+25C

>7. ...CCD c охлаждением? Какие там
>реальные темновые токи...
>Хм... При азотном охлаждении

Зачем азотном? Я имел ввиду, стоит ли разбираться с холодильниками пельтье, чтобы выпускать камеру ориентированную на любителей астрономии.
Кстати когда нас поминали в обсуждении (я это обнаружил совсем недавно), вроде были пожелания по пельтье и повышении разрядности. Над разрядостью мы сейчас работаем (сейчас у нас 10 бит, будет 12), а стоит ли упираться в пельте?


------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Igor Nesterenko]

Тааак, старая песня о главном http://starlab.ru/ubb/smile.gif

SF
Пожалуста, еще раз, аргументируйте ваше утверждение 2. На звездочетовском обсуждении я их не увидел (может и не понял http://starlab.ru/ubb/smile.gif
Антиблуминг у матриц Sony есть.

Из описания камер Apogee:
Темновой ток - 10 рА/см^2 при 25 С, т.е.
50 электронов с 9мкм пиксела в секунду.
Характерная зависимость уменьшения темнового тока с температурой - 2раза на каждые 8 С.
Получаем при охлаждении на 40 С ниже окружающей среды 1.6 электрона в сек.

И вот тут вопрос к вам, Виктор.
Расскажите как вы меряли темновой ток?
Уж больно не ожиданный результат.

Надо ли охлаждать? На мой взгляд надо, чтобы реализовать весь динамический диапозон матрицы (особенно при бинировании ячеек) и не прибегая к изменению веса единицы АЦП. Если менять кол-во зарядов приходящихся на единицу АЦП (ADU), то точные фотометрические измерения будут невозможны.

p.s. Не успел ответить, как получил ответы на вопросы, спасибо Виктор http://starlab.ru/ubb/smile.gif

[Это сообщение редактировал Igor Nesterenko (13.02.2001).]

[SF]

Для Victor Maiorov:

3. перевод единиц АЦП в электроны...
Не совсем понял, вероятно из-за краткости описания. Как Вы определили шум считывания (в ед.АЦП и электронах)?

5. Антиблюминг "начинает работать" еще до начала "перетекания". Представьте себе, что тогда происходит с линейностью...

7. Стоит. И не только на любителей. Насколько я понимаю, сейчас только Вы обладаете одновременно и технологической оснасткой, и желанием делать астрономические камеры. Вряд ли стоит наступать на давно известные грабли. Обсуждать все это письменно очень утомительно, поэтому, если Вы не против, мы можем поговорить по телефону или при встрече. e-mail в "информации об авторе" - там, где "голова".


Для Igor Nesterenko:

...Если менять кол-во зарядов приходящихся на единицу АЦП...
Именно возможность делать это и является одним из необходимых, но недостаточных условий "политкорректности астрономической ПЗС-камеры".

[Это сообщение редактировал SF (13.02.2001).]

[Victor Maiorov]

>3. перевод единиц АЦП в электроны...
>Расскажите как вы меряли темновой ток?
Я ввел изображение с выдержкой 100мс(короткой), получил среднее значение яркости по полю камеры (38.8), затем вел изображение с выдержкой 100 сек, получил среднее значение яркости (44.4).
Разница 5.6. (это в разрядах 10-ти битного АЦП).
Глубина ямы 085 матрицы 25000 электронов (данные от фирмы PCO - немецного производителя камер на этой матрице). Вес 1-го бита 10-ти разрядного АЦП - 25 электронов. 5.6*25=140 электронов за 100 сек.
При этом камера уже достаточно нагрелась - она потребляет сейчас 250мА. Мы отработали режим сна камеры - когда не вводится изображение потребление будет 50мА. Камера будет холодной. На моей камере этого пока нет.
Шум чтения. Пока с ним досконально не разбирались, но средне-квадратичное отклонение яркости пикселей от среднего значение по полю камеры сейчас равно 0.64-0.68 разряда. Это значит - 17 электронов.
При этом на изображении видна горизонтальная текстура - ее быть не должно, возможно мы что-то неправильно делаем. Если ее убрать, СКО будет меньше. С этой текстурой еще предстоит разбираться.

>5. Антиблюминг "начинает работать" еще до
>начала "перетекания". Представьте себе,
>что тогда происходит с линейностью

Да, с линейностью мы еще не разбирались.

>.Если менять кол-во зарядов приходящихся н
>а единицу АЦП...
Не сочтите за рекламу, но у нас перед АЦП стоит програмно управляемый усилитель с диапазоном работы 0-30дБ.

SF. К сожалению дискуссию по Видеоскановским камерам на конференции "Звездочета" я увидел только после Вашего первого ответа. Поэтому возможно мы тут с Вами повторямся.



------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Timur]

Я только что приехал в САО и начинаю сравнительные испытания камеры фирмы "Видеоскан", которую мне любезно предоставил Игорь Василиадис и Pictor 216 XT. Погода к сожалению подпортилась, а первая камера уже висит на телескопе, изображение сфокусировано. Результаты буду оперативно размещать в этой конференции.

[Timur]

Ну вот, предлагаю вашему вниманию первый снимок на камере фирмы "Видеоскан". Экспозиция - 3 минуты при -3 градусах в окружающем пространстве. Темновое поле вычтено. Область в районе М 35.

http://starlab.ru/upload/00r.jpg

[Igor Nesterenko]

Виктор, а что тогда означает уровень 38.8 (970е) при 100мс? Темновой ток еще не успел проявиться, шумы считавания 17е...
Если вы при считывании теряете заряды, то картина очень похожа на описанную. Такое уже было у нас, когда мы возились с ICX084AL. Сначала очень резко растут шумы считывания, а потом наступает полная слепота. При скорости вывода 5 МГц все ок, а при 3МГц уже бардак.
Оказалось что критичным является время нахождения зарядовых пакетов под фазами вертикального регистра (уже не помню либо V1, либо V3). Чем оно меньше тем лучше.
Может быть этими потерями объясняется видимая горизонтальная текстура.

Тимур, а что-нибудь протяженное посмотреть можно? И что за инструмент использован?

[Это сообщение редактировал Igor Nesterenko (14.02.2001).]

[Victor Maiorov]

>Виктор, а что тогда означает уровень 38.8
>(970е) при 100мс? Темновой ток еще не
>успел проявиться, шумы считавания 17е...

Это АЦП так работает. При 0-ом уровне сигнала выдается некоторая начальная константа. Это удобно, когда даешь большое усиление и шумы начинают переползать в область меньше 0. А это тоже информация.

>Если вы при считывании теряете заряды, то
>картина очень похожа на описанную. Такое уже

Возможно есть проблемы с переносом. Хотя все сделано как рекомендует SONY.

По поводу снимка Тимура. Он использует VS-tandem-ar-56/2. Это аналоговый тандем с 8-ми битным АЦП и 039 матрицей. Кажется он его передержал. Мне не ясно появление шумов слева снизу. Возможно когда вводили фон, что-то светило на матрицу? Вычитание надо делать по модулю или к изображению добавлять подставку. Может лучше опубликовать файл фона камеры с экспозицией несколько минут? (У нас этих камер уже нет и я сделать это не могу)
По поводу экспозиции. Мне сегодня звонил заказчил и говорил, что используют выдержки 5-10 минут на наших камерах, а потом вычитают фон. правда это не астрономы и я не знаю какие требования к качеству картинки они предьявляют.

По поводу пельтье. SF и Игорь написали - давайте делайте. Тут надо понимать, что если мы это сделаем - камера подорожает и я хочу понять - а может лучше без охлаждения, но дешевле, чем с охлаждением, но дороже. Или может вообже SONY для любительской астрономии непригодна (как указал уважаемый SF).


------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Timur]

Вышеразмещенный снимок получен на 25-см. менисковом Кассегрене со сетосилой 1:4.8 на ПЗС-камере, о которой говорит Виктор. На темновом кадре наблюдается та же картина с левой стороны. Посмотрю еще на сыром снимке повнимательнее. Если и там такая картина - значит в приборе дело а не в засветке. Что же касается охлаждения, то при положительной температуре окружающей среды оно просто необходимо. Спасаться мультиэкспозициями можно только в случае, если нужно одна красивая картинка, для серьезных патрульных или поисковых наблюдений это очень неудобно.
Стоить же камера с пелтье должна не дороже зарубежных аналогов. В противном случае это очень странно...
Посмотрел на необработанный снимок - та же неоднородность фона. Дело видимо в том, что матрица с одной стороны теплее чем с другой, или еще в чем-то.

[Igor Nesterenko]

В качестве отсчета можно взять параметры камер фирмы Starlight-Xpress:

The MX916 camera specification:
CCD type: Sony ICX083AL SuperHAD CCD, ultra
low dark current and vertical anti-blooming.
CCD pixel data: Pixel size: 11.6 x 11.2um, image format 752 x 580 pixels
CCD size: Imaging area: 8.7mm (horizontal) x
6.5mm (vertical).
Spectral response: Peak response at 520nm (Green), 50% at 400nm (Violet) and
670nm
Quantum efficiency: Approx. 65% peak at 520nm.
Readout noise: < 15 electrons RMS.
Full-well capacity: > 300,000 e- (2x2 binned mode).
Anti-blooming: Overload margin greater than 800x
Dark current: < 0.1 electrons/ second at +10C ambient.
Data format: Full 16 bits.
Weight: 250g.
Price: $2030

The HX516 camera specification:
CCD type: Sony ICX084AL HyperHAD CCD, ultra low dark current and vertical anti-blooming.
CCD pixel data: Pixel size: 7.4 x 7.4um, Image format: 660 x 494 pixels (unbinned).
CCD size: Imaging area: 4.9mm (horizontal) x 3.6mm (vertical).
Spectral response: Peak response at 520nm (Green), 50% at 400nm (Violet) and 670nm
Readout noise: Approx. 15 electrons RMS.
Full-well capacity: Approx. 40,000 e- (160,000 binned).
Anti-blooming: Overload margin greater than 800x
Dark current: < 0.1 electrons/ pixel/ second
Data format: Full 16 bits.
Cooling system: Single-stage thermoelectric cooler to give a CCD temperature
of approximately -30C below ambient
Weight: 200g.
Price: $1300

The MX5 camera specification:
CCD type: Sony ICX055AL HyperHAD CCD, ultra low dark current and vertical anti-blooming.
CCD pixel data: Pixel size: 9.8 x 12.6um, Image format: 500 x 290 pixels.
CCD size: Imaging area: 4.9mm (horizontal) x 3.6mm (vertical).
Spectral response: Peak response at 520nm (Green), 50% at 400nm (Violet) and 670nm
Readout noise: Approx. 25 electrons RMS.
Full-well capacity: Approx. 120,000 e-.
Anti-blooming: Overload margin greater than 800x
Dark current: < 0.1 electrons/ pixel/ second.
Cooling system: Single-stage thermoelectric cooler to give a CCD temperature
of approximately -30C below ambient.
Weight: 200g.
Price: MX5 $720, MX516 (16 bit) $870

Виктор, обратите внимание, что если полагать 2 кратное увеличение темнового тока на каждые 8 С, то мы получим 1.5 е/яч/сек то же что и у вашей камеры.

[Igor Nesterenko]

Виктор, путешествуя по Инету я натолкнулся на фирму EXAR (www.exar.com), которая производит интегралки, внутри которых собраны 12бит АЦП (20MSPS), ДКВ, програмно регулируемый усилитель (0-32dB), регулировка уровня черного, 2 последовательных контроллера, 8бит ЦАП. И все это за $8-10.
Вот у меня вопрос почему бы не использовать подобную интегралочку в ПЗС-камере http://starlab.ru/ubb/smile.gif
Если нужна детальная информация, то pdf я уже скачал http://starlab.ru/ubb/smile.gif

[Timur]

После сегодняшней наблюдательной ночи я могу сказать однозначно: охлаждение совершенно необходимо, необходимо также АЦП не менее 12 разрядов, и нужно, чтобы система была не дороже вышеуказанных английских аналогов. Рынок любительских астрономических ПЗС в России постепенно возникает, и если не "Видеоскан", то раньше или позже другая фирма начнет выпуск таких систем, тем более, что они востребованы и на внешнем рынке (при сооветствующем качестве).

[Victor Maiorov]

Для Яцуненко.
Андрей привет!
Что-то ты потерялся из нашего видения. Пришли мне свой e-mail. Есть о чем поговорить.
Заставил ли ты работать KAF400?

> засветка p-n переходов.

Что-то я не припомню такого. Напиши мне подробнее.

Игорь!
Большое спасибо за ссылку на EXAR. Обязательно изучим подробно. На первый взгляд - почти полный аналог приборов Analogue Device. Выйду на работу, посмотрю.
На VS-CTT мы используем подобные АЦП от AD-AD9803. Тут главная проблема не только найти АЦП, но и суметь купить его в приемлимых количествах, по приемлимым ценам и с приемлимыми сроками. Некоторе время назад AD был безупречен по всем этим позициям. Сейчас есть проблемы.

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[SF]

> засветка p-n переходов

Вероятно, "светодиодный эффект".
Но:
1. судя по литературе, он проявлялся только у некоторых старых матриц, производившихся в середине 80-х;
2. на реальных данных доводилось видеть как небольшое "поднятие уголка", так и "насыпь" вдоль края, но намного более узкую, чем в этом случае.
Лучше, конечно, проверить все это экспериментально. Но все-таки обычно на значительное расстояние подсвечивается только уголок.

[Timur]

Ну и помучился я сегодня с новым Pictorовским программным обеспечением (7.13)!
На вид вроде бы тоже самое, но не подвисает, как предыдущая версия, но какой ценой! Постоянно почему-то вылетают целые строчки изображения, почти все время разные, а когда обрабатываешь изображение - она отказывается его сохранять! Зато FITSов они наделали аж 8 разновидностей! Уф, видимо придется возвращаться к старому...

[Timur]

Привет огромный Андрею Яцуненко! Потеряли мы все тебя. Давай пиши, пожалуйста! Приезжай на астрофест, у нас к тебе куча дел!

[Anonymous]

<BLOCKQUOTE><font size="1" face="Verdana, Arial">Цитата:</font><HR>
По поводу снимка Тимура... Мне не ясно появление шумов слева снизу...[/B]<HR></BLOCKQUOTE>
Здравствуйте, Виктор Петрович.
Эта засветка - подсветка p-n переходов
в усилителе матрицы, когда не убирается питание с усилителя во время экспозиции.
Мы с Вами с этим уже сталкивались, это хорошо удаляется вычитанием.

[Igor Nesterenko]

Виктор, удалось ли вам посмотреть на EXAR'овские чипы?
Могу подбросить еще аналоги от Burr-Brown,
у них есть даже с 14бит АЦП...

[Victor Maiorov]

Иторь!
АЦП от EXAR я посмотрел. Они нам очень понравились. Сейчас ищем того, кто может это нам продать. Подобные АЦП есть и у AD, но они обнаглели и требуют лицензию на них, у Philips, но эта фирма мне не нравится. Burr-Brown сейчас куплен TI и судьба его во мраке.
SF:
Я Вам писал во все адреса, которые только знаю. Вы что-то получили? Или у меня почта програтывает сообщения?

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Timur]

SBIG скинул цены на свои матрицы, началось!

Model Old Price New Price
ST-8E Class 1 $8600.00 $7350.00
ST-8E Class 2 $7350.00 $5995.00
ST-8E Class 3 N/A $4995.00
ST-7E Class 1 $2950.00 $2650.00


[Это сообщение редактировал Timur (01.03.2001).]

[Timur]

Кстати и "Старлайт Экспресс" вовсю работает" С подачи Олега Чекалина ссылка на новую систему: http://www.starlight-xpress.co.uk/HX916/index.htm
Кстати, кто знает, сможет эта штука с ноутбуком дружить?

[Victor Maiorov]

Я посмотрел ссылку на starlight-xpress и ничего не увидел по поводу охлаждения матрицы.
Еще по поводу starlight, мне кажется с АЦП они переусердствовали. В 085 матрице яма на 25000 электронов, а АЦП поставили на 65000 отсчетов. Можно было безо всякого ущерба ставить 12 или 14 разрядное.
Еще хочется отметить большой разброс параметров на одни и те же матрицы у разных производителей камер. Пользуясь тем, что SONY этих данных не публикует, каждый пишет что хочет. Я встречал данные по глубине ямы 085 матрицы от 20000 до 40000 электронов (мы больще склоняемся к 20000-25000 электронов), а квантовая эффективность от 32 до 47%.
Не могу не сказать про поразительное качество изображения Юпитера. Разве такое может быть? Какой интерестно для этого нужен телескоп?
Теперь немного о ценах. Когда мы что-то из элементной базы покупаем, цена "здесь" в 1.5-2 раза выше цены "там". Таможня берет добро и ничего с этим не сделать.
С ноутбуком это сможет работать, если у него есть USB порт.

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Timur]

Охлаждаема она на 100%, так как размещается в таком же корпусе, что и МХ916.
С этой камерой многие будут работать в бининге, и там АЦП пригодится. Юпитер вполне нормальный для 25-см. телескопа. Такие изображению получают на ПЗС уже несколько лет.

[Igor Nesterenko]

Все правельно, таможня собирает здорово...
Но, допустим у меня есть (от куда не важно http://starlab.ru/ubb/smile.gif)
ПЗС-матрица. Виктор, можно ли рассмотреть такой вариант - я отдаю вам ее, а videoscan
вычитает из стоимости готовой камеры ту цену, что стоит эта матрица.
Я понимаю, что вы не можете заниматься "карман поставками", но ведь у многих найдутся знакомые за бугром, которые могу помочь доставить самый дорогие микросхемы входящие в ваши камеры менуя таможню http://starlab.ru/ubb/smile.gif Давайте обсудим это...
И еще если у вас есть проблемы с элементами Пельтье, то и этот вопрос можно решить. Я знаю где они в России производятся. Цены божеские, но опять же если за нал. Можно и беналично, но подороже...

[Victor Maiorov]

Игорь!
Если у Вас мартица SONY (из того списка, что поддерживает система VS-CTT), то нет проблем.
Если у Вас матрица от какого-то другого производителя - это сложнее. Поясню ситуацию. Нами разработана камера VS-CTT, которая приспособленна для установки почти любой матрицы SONY. При этом сделано так, что от перемены матрицы меняется только небольшая, достаточно простая плата, на которой эта матрица стоит, совместно с некоторыми причендалами.
Если матрица не SONY - это другое количество управляющих сигналов, другие уровни, другие напряжения питания. Все это можно, конечно преодолеть, но оправдывает себя если только матрица достаточно дорогая, и экономия от ее получения напрямую, будет больше наших трудозатрат по ее окучиванию.

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров

[Igor Nesterenko]

Я говорил именно о Sony'вских - ICX084AL и ICX075AL...

[Victor Maiorov]

Игорь!
Если 075 - то можно. Обходится она нам в 270$. 084 мы не окучивали и не планируем это делать.
Пелтье - сложнее, тут надо делать герметичное устройство, осушать воздух, короче механика к тому же уникальная. Пока никаких наработок в этом плане у нас нет.

------------------
С наилучшими пожеланиями
Виктор Майоров