本帖最后由 圈儿圈儿 于 2013-9-6 14:20 编辑
本文是由 MetaGuide的作者Frank写的Lodestar和QHY5L-II相机的详细对比研究过程及结果，我所做的工作只是把作者的原文原封不动的直译。
之前油子有对QHY5L-II和STI做过严谨客观的对比测评，测评了两个相机的灵敏度，对两个相机进行了导星测试，从得到误差曲线上面可以看出两者的导星精度几乎无差。油子原帖http://bbs.astron.ac.cn/forum.ph ... &tid=89043#lastpost
以下是Frank对Lodestar和QHY5L-II相机的详细对比研究过程及结果:
我将 Lodestar CCD导星相机和QHY5L-II新型的CMOS 摄像机进行了对比，现在这里有一些初步的结果。一般来说，我对那些帧率可操控的灵敏高的相机比较感兴趣，过去我使用Lumenera相机进行导星 ，它是一款Sony CCD相机。前段时间我买了Lodestar相机，买来之后我就对这款相机的灵敏度进行了测试，结果发现它和我的Lumenera相机没有太大的区别，所以我也就一直没有用它了。当我听说这个新的CMOS芯片的灵敏度很高的时候，我是很怀疑的，因为之前也听说过比这个早一点的芯片MT9M001，和我已有的Lumenera相机的芯片相比，它并没有给我留下很深的印象。 但是，我对QHY5L-II相机的初步测试结果表明尽管该相机芯片的像素尺寸比较小，它的灵敏确实挺高的。所以我开始对QHY5L-II和公认灵敏度比较高的Lodestar相机的性能进行了对比测试。 其实，对这两款相机进行对比是一件非常有挑战性的事情，主要是因为本来这两款相机的有效像素的尺寸就是不同的。Lodesar相机在全分辨率下无法在单通道内下载整幅图像，它需要在双通道下下载两次。我认为这在导星应用中是不实用的（译者注：这是因为Lodestar使用的CCD为隔行扫描的CCD,分奇场和偶场读出，所以一帧需要下载两场)。所以，我只研究了Lodestar相机在像素合并模式下的性能，每个像素实际上是16.4微米*16.8微米。这个尺寸是QHY5L-II相机单个像素尺寸的大约20倍，QHY5L-II相机的单个像素尺寸是3.75微米*3.75微米。 所以我想在不同的波段对相机的基本性能做一个系统的测量。而不仅仅只是通过实际的拍摄做定性的比较。 我建立了如下图所示的一个软硬件相结合的系统，使相机曝光在完全相同的设定好的过滤光脉冲环境中。目的就是测量出相机的增益和读出噪声，然后计算出在不同波段相机对应的灵敏度。
如上面原理图所示，我没有通过曝光时序来控制相机的曝光量，而是使所有的曝光都相同，一秒的曝光信号，特定数量的光脉冲通过滤镜到达相机芯片。我不知道每个脉冲中有多少个光子，但是我是使用的2增长倍数脉冲，所以我能够得到其中的光子变化量。 通常来说，人们测量相机的增益和读出噪声是通过拍摄BIAS场和平场图像来计算的，很少有人使用Janesick’s 的方法：“光子转换曲线”或者PTC，我在双对数坐标图上画出了噪声和平均ADU的对应图。 这里有所不同的是我所研究的是20*20的区域块中的像素，36的计数脉冲，我测量的结果是每个像素的噪声和平均ADU。而不是计算的整个区域的数值。原始测量结果如下图所示：
在上图中，每一个点对应的都是使用一定数量的光脉冲在特定的像素上时的信号与噪声。图中横坐标表示相机接收光量，用对数表示，间距相同，光脉冲数后一个是前一个的二倍。 根据光子到达的随机性，图中的左侧比较平缓的部分代表的是低光读出噪声，右侧的线性的1/2部分代表泊松噪声。 通过描绘出这样的曲线，我就能够估算出相机的增益和读出噪声，同时可以知道在每幅图像中有多少电子。因为我知道输入的光脉冲的数量，那么我就可以得出相机中对应每一个光脉冲、每一个像素的对应的电子数。 下图显示的是Lodestar相机使用Sloan g'滤镜是每个光脉冲对应产生的电子数。
从上图中给我们可以看到，在低光脉冲数部分的估计是不规律的，这是因为到达相机芯片的光子数比较少。但是在高脉冲数部分，可以看到估计结果是一致的。从中可知，在特定的方式下对于给定的光，相机的像素是如何响应的。由此，我就可以给两个相机做相同的设置，然后基于每个光脉冲所产生的电子数来得到相机的相对敏感度。 两款相机的对比结果如下图所：（三种滤镜下不考虑像素尺寸）
这里我需要说明的一点是,,我使用的光源是暖白光LED，它的输出频谱是不均匀的。但是，我觉得这对于我所研究的使用Astrodon g', r', i' Sloan截止滤镜得到的光谱区域来说影响不大。我所需要的肯定的就是我能在不同波段做这个测量，并且在每个波段得到的结果对于我所做的相之间的对比是有意义的。但是由于我不知道在g’和r’的光子数，在这两个波段的灵敏度我不能发表任何评论。但是我有信心可以对Lodestar相机和QHY5L-II相机在r’波段的灵敏度做一个对比。 这里的结果是基于像素的。 从上图上，我们可以看到，QHY5L-II相机的表现貌似“很糟糕”。但是不要忘了，我们前面没有考虑像素的尺寸。前面我们所取的Lodestar的像素尺寸是QHY5L-II的20倍。如果我们将这个因素考虑进来，计算每平方微米的相对灵敏度，我们得到下面的图。
从上图中，我们可以明显的看出QHY5;L-II相机的单位面积的灵敏度更高。光子转换为电子的数目更多。三个波段的对比结果是相同的，包括我以为的Lodestar相机可能会比QHY5L-II高的红外波段。 但是读出噪声呢？读出噪声的对比比较困难，因为其本质就是每个像素的量，不能转换为一种内在的测量，比如说电子每平方微米。简单来说，Lodestar相机合并模式下的读出噪声在10e左右，QHY5L-II相机的读出噪声在6.5e左右。所以，基于每个像素的读出噪声QHY5L-II相机要小于Lodestar相机。但是两款相机如果你以相同的尺寸来计算的话，QHY5L-II相机的读出噪声将增加sqrt(20),，大概29e。所以以这种标准来说呢，QHY5L-II的读出噪声更大一些。 但是，这重要吗？这就是为什么我说两款相机很难比较，因为QHY5L-II相机在灵敏度和分辨率上已经赢了，这两方面对于拍摄小的星点来说是非常重要的。对于大目标的话当然就不是那么重要了。此外，如果你进行亮星拍摄，读出噪声就没有什么关系了，这时关心的只是相机的灵敏度。 这里有一种方法，我将QHY5L-II相机接上一个小的50mm f/4 的导星镜。结果一个星点会占据几个像素点成像。这时我们把QHY5L-II换为Lodestar相机，你需要增大光圈来获得和QHY5L-II一个星点占据相同的像素数。这样，透过的光子数才是相同的，包含的像素数也是相同的，此时重要的是相机的灵敏度和读出噪声，这两点，QHY5L-II相机都更好一些。 总之，QHY5L-II相机在三个波段上的灵敏度确实要比Lodestar高，每个像素的读出噪声也更低。我在MetaGuide软件上使用QHY5L--II相机，使用OAG连接到8” f/10 sct，相机工作状态良好并有高灵敏度。对比7.4微米的Lumenera相机，我更喜欢QHY5L-II相机。 做这项研究需要很大的工作量，其中我也有可能会犯错，但是定量的结果是与我在实际拍摄中定性的分析的结果是一样的。 欢迎大家提出问题，发表评论，指正错误。尤其是我在本文中没有进行比较的数据。 | 
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