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【科普时间】菜鸟也能看懂! 手把手教你看懂QHY268曲线(上)

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发表于 2019-12-30 17:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
今天,我们要发的是我们的最新产品QHY268的测试参数曲线。
在我们的最新款的产品QHY600以及QHY268上,我们分别提供了以下三种模式,该三种模式可以在软件端进行自由切换:

0# PhotoGraphic DSO (摄影模式)
1# High Gain Mode (高增益模式)
2# Extend Fullwell (扩展满阱模式)

而下面的三幅曲线图,分别展示的是三种不同模式下QHY268的满阱、系统增益、读出噪声的表现。
1.png

2.png

3.png

按照平时我们的风格,这篇文可能到这里就结束了。但这次,我们不想这么干。因为我猜屏幕前的你可能是这样的:

4.jpg

这英文都是啥啊?啥模式?啥满阱?啥读出噪声?啥增益?这曲线图咋看?看懂了有啥用?
总之千言万语汇成一句话——

那么,这次我们就简单科普一下平时我们每份产品介绍或是dalao们口中经常提到的一些莫名其妙的名词究竟是什么。

(郑重提示:以下内容的宗旨是最大化方便理解,属于浅尝辄止级别,请圈内老法师级别的资深人士务必在萌新的陪同下观看,谢谢)

Q1:什么是满阱(Fullwell)?
这个还需要从盘古开天辟地从相机传感器的工作原理说起。
目前主流的相机感光元件主要是CCD和CMOS两种,不过对于大部分非胶片时代资深老法师的普通用户而言,能够接触到的传感器几乎都是CMOS。不过二者的基本工作原理都是类似的,至少在今天所涉及的这些内容里没什么区别——其基本的单位是一个一个微小的电容,其携带的电子在接受到入射光时被激发成带电的自由电子,也称光电子。而我们只要通过某种方式读出每个电容上的光电子数目(具体原理这里就先不说了),就可以倒推出入射光的信息。这便是光电信息转换的最基本原理。

所以说了这么一大段和满阱有什么关系呢?
从上面的文字我们似乎能够隐隐约约感受到一个信息:作电容是有极限的(我不做电容啦,JoJo!)。就像一口井一样,虽然里面的水流有进有出,但作为一个储存用部件总会有一个存量上限。而这就是英文full well capacity的由来,生动形象,也正因此你也可能会在某些版本的书籍里看到“满井“而非”满阱“的翻译。

另外很容易能联想到的一点就是:如果这口井越大,那么它能储存的水就越多;而传感器的满阱越大,它所能存储的光电子就越多,信息量也就越大。所以就算你现在还是有点懵,那么只要简单粗暴地记住一条:满阱越大越好,那么恭喜你这一条你就可以毕业了。

这次我们再来看一下这张图,你就会明白为什么纵轴满阱的单位是电子数(e-)了吧?

那么横轴的gain setting又是什么呢?
6.png

Q2: 什么是增益(Gain)?
如果你不知道什么是增益,那我再说一个词:ISO。
即使你平时不玩相机,掏出手机也会大致明白ISO意味着什么——在其他条件不变的情况下,这个数越大,拍出的图像越亮。首先必须说明ISO和Gain不可等同(解释起来的话iso是一个人为统一的国际标准,而gain则相对原始),但他们俩表示的东西的确是一回事:对光信号的放大程度。实际上从传感器传出的信息都是被放大过的,而这个放大倍率就是增益(gain)。信号放大倍率越高,数据数值越大,对应的亮度越高,因此图像越亮。

通过上面这一段我们可以得到几个基本信息:
1.Gain值是人为设定的,可以自行调整(似乎是一句废话);
2.Gain的本质是一个乘法。虽然听起来好像还是一句废话,但现在记住这个将会对之后理解相机操作方面的科普大有帮助(虽然我也不知道到底有没有下一期……)
3.由于传感器的满阱容量是有上限的,因此当你的设置的放大倍率越高时,单个电容所能呈现的数据就会被压缩,就相当于满阱变小了。换句话说,满阱和增益大致呈反比关系。

我们现在再来看一次这张图:
7.png

现在你应该明白为什么三条曲线都是走下坡路了吧!怎么样,是不是觉得能看懂了?
所以这个曲线还告诉了我们一件事:满阱与增益不可兼得。高满阱固然是好事,但增益太低图像就黑成一片了;而增益开得过高也会导致满阱低进而导致其他一系列问题,这里也不再多说其原理(你可以先想想一下自己拿手机拍夜景然后把iso拉到最大之后会变成什么鬼样子)。总之和摄影里调整iso一样,天文摄影对增益设置的把控也是基本功。

Q3: 什么是系统增益(System Gain)?
那么接下来我们来看第二幅图。说完增益之后,接下来我们要看看系统增益了。

8.png

在这个纵轴里面我们看到了一个陌生的东西:ADU。
ADU代表的是单个像元的亮度值。因为光信号都是由数字讯息转换而来,所以每一个数字都会对应一个不同的亮度,也就是我们说的AD。在芯片商或像我们这样的相机厂商在测试时设备所能检测到的一手数据基本是AD值。通过测到的AD值,再除以Gain倍率,再用系统增益进行换算,我们就可以倒退出一处光讯号到底由多少电子转换而来。

如果不明白这个也没关系,只要明白系统增益实际上是一个比值就行了,从其单位e-/ADU 就可以看出。这个图表对于用户分析相机性能是比较有用的,对于爱好者而言并不是一个比较直接的数据。另外一个小tips: 系统增益小于1意味着每一个数值对应一个电子或者更低,有利于避免出现因为信号采样不足造成的信号损失。


Q4:什么是读出噪声(Readout Noise)?
接下来我们要看最后一幅图了:
9.png

我想大家更为熟悉的是读出噪声所导致的结果——噪点。当然,噪点不完全由设备读出噪声导致,不过这种超纲题我们暂且不提。

读出噪声的原理是什么呢?开头我们已经提到过,相机传感器本质上是把光讯号转换为电讯号的设备。但这个转换并不是完美的,总会有一些内在或外在的条件会使这个转换过程中存在些许误差,而这个误差反馈到图像上便成为了噪点。关于影响读出噪声的因素有时一个重要的科普话题,在这里只要先记住对于一般用户来说读出噪声自然是越低越好就行了。

讲到这里,我想你大概已经能够读懂这三幅图的横纵坐标所能表示的基本含义和基本关系了,其实并不难,对吧?不过,我们仍然还有重要的问题并没有弄清楚:图表上的绝对数值意味着什么?三种模式的区别在哪里?为什么要设计这三种模式?我们应该在哪种情景下使用何种模式?

关于这些问题,且听下回分解。








发表于 2019-12-30 17:47 来自手机 | 显示全部楼层
好文,下文速发!
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发表于 2019-12-30 22:47 | 显示全部楼层
涨知识的好文章,适合新手看!
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发表于 2019-12-30 23:10 | 显示全部楼层
建议楼主还是继续把专题做下去吧,有干货才能吸引人(我这样的菜鸟)关注撒
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发表于 2019-12-31 08:54 | 显示全部楼层
帖子是好帖,不过我这种小白看了还是不明白。
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