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IMX455与KAI-11002对比:全幅黑白传感器的时代更替
2019 年 09 月 27 日
IMX455与KAI-11002对比:全幅黑白传感器的时代更替
 
为什么单色(黑白)全幅传感器在天文摄影圈中如此受欢迎?
 
在电子成像技术普及之前的日子里,天文爱好者拍摄天文照片的标配是35mm胶片相机。一个标准35mm胶片的尺寸为24mm x 36mm(对角线约为43mm)。早期的SCT望远镜有效成像面积比35mm规格略小,因此图像质量有所折扣。但35mm规格胶片凭借其繁多的种类和高度的泛用性,仍使成为天文爱好者的“标配”。
 
电子成像技术刚刚兴起之时,业余爱好者买得起的CCD传感器要比35mm胶片小得多,这一度引发了到底应该选择灵敏度更高的电子传感器还是分辨率和视场更胜一筹的胶片的争论。随着时间的流逝,CCD传感器的价格下降了,业余爱好者可以买得起的传感器尺寸变得越来越大,分辨率越来越高,直到最后市面上的CCD尺寸与35mm胶卷相机相同——同时像素更小且灵敏度更高。 多数天文爱好者倾向于使用单色传感器和RGB滤镜来合成彩色图像,但是如今应市场需求已经有了相当于内置RGB滤镜的彩色CCD。
 
早期CMOS传感器最初因其较高的噪声和图像伪影而被认为不适合天文摄影。因此,在15年前柯达推出的35mm制式,1100万像素的单色CCD发布时,引起了业余天文学界的极大轰动。 KAI11000和其后继产品KAI11002已被广泛用于天文摄影。使用这些芯片的相机包括SBIG的STL-11000,QHYCCD的QHY11相机等等。
 
在过去的15年中,由于CMOS成本较低在消费级市场中得到了广泛的应用,CMOS传感器也因此得以稳步而持续的改进。最终,所有主流的消费类数码相机品牌都已从CCD传感器过渡到CMOS传感器。芯片尺寸规格包括1英寸,4/3英寸,APS-C格式和全画幅格式。此外,还有旨在替代645和6x7胶片的较大的中画幅传感器等。
 
通常,望远镜直径越大,它能覆盖的传感器区域就越大。许多业余级望远镜可以支持的最大传感器尺寸通常约为APS-C画幅,但是某些望远镜可以支持全画幅,例如FSQ106、70SA以及新型Celestron RASA和Edge HD镜。更昂贵的望远镜可以产生大于35mm的可用成像区域,但由于支持这种系统的传感器需要大于35mm规格,总成本通常会出现指数级的上升。不仅摄像机和望远镜更贵,而且相机还需要大于2英寸(50毫米)的滤镜,这意味着更大,更昂贵的滤镜轮、更大的总重量以及更大的安装座。因此,全画幅传感器由于可使用50mm滤镜系统,并可以最大化利用(普通用户能够买得起的)望远镜系统可用成像范围,仍然是许多业余天文爱好者的“最佳选择”。



最近,索尼发布了几种新的CMOS传感器,其中包括6000万像素全画幅的IMX455。 QHYCCD在其产品QHY600中使用此传感器。那么该传感器与应用极广的KAI11002相比如何?我们知道KAI-11000 / 11002是CCD传感器,而IMX455是CMOS传感器。但是,新的IMX455与KAI11002相比有什么优势?
 
如前所述,当首次引入CMOS传感器时,由于其较高的暗电流,图像伪影等因素,与CCD相比,它们被认为不适合天文学。随着主要的消费相机制造商(如索尼,尼康,佳能等)开发出了越来越好的CMOS传感器,CMOS逐渐取代CCD成为消费市场的首选传感器。随着的CMOS技术的显著改进, 如今的CMOS在成像的几乎各方面的性能都已超过CCD——读取噪声,暗电流,满阱容量,动态范围,量子效率,分辨率等,都要比同尺寸或同价格的CCD优秀一些。
 
让我们来看一下IMX455与KAI11002在一些主要方面的对比:




IMX的像素数是KAI11002的5倍以上,分别是6000万和1100万。 此外,由于采用了3.76um像素,因此455可以进行2x2bin,以产生7.5um像素,但即使这样总分辨率仍为1500万像素,比11002高30%。



455的峰值QE是11002的1.74倍,> 87%比50%,但在大多数可见光谱中,总体比率甚至更高,几乎是11002的2倍。



QE曲线对比(结合索尼提供的归一化相对量子效率和QHYCCD的绝对量子效率对比测试实验)。 根据对已知QE的传感器的对比测试,我们估计IMX455的峰值QE大于87%。测试结果详见
https://www.qhyccd.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=23&id=261



暗电流在长时间曝光时会累积,是噪声的重要来源。 455的暗电流大概是11002的1/35,零摄氏度时为0.014 e /像素/秒,而11002是0.5 e /像素/秒。



即使455的像素要小得多(3.76um对9um),它在标准模式下的满阱容量为51,000个电子,在扩展模式下为85,000个电子。 11002的满阱容量大约有60,000个电子。



较大的像素会产生更大的满阱。 为了比较传感器的设计性能,我们可以将整个阱除以一个像素的面积,得到满阱/平方微米,并观察两个传感器的性能差异。



在标准模式下,455的满阱/ um2几乎是11002的5倍。在扩展模式下,相差8倍。





在最低增益下,455的读出噪声低至3.7个电子,几乎是11002的1/3。在高增益下,455可以将读出噪声降低到1电子,是11002的1/10。高增益模式下的超低读出噪声使得可以进行多次较短持续时间的曝光并将它们堆叠起来,从而获得与单次长时间曝光相当的结果。 这种操作需要无需大量的跟踪工作,并可以选择最佳帧以合成最终图像。



读出噪声和满阱容量通常会决定图像动态范围的上下限。 455传感器的动态范围是11002的2倍以上,1:14000和1:6000。



传感器的读出速率有助于高效率作业——特别是在进行多次短时间曝光时。 455传感器的读取速度约为1/3秒,而11002传感器的读取速度为10秒以上。快30倍以上。
 
总结
综上所述,IMX455不仅在几乎所有参数上都优于11002,而且鉴于QHY600能够调节增益、读取噪声和满阱,以满足各种成像情况的要求,这使该相机成为一种更加灵活的设备。

 
参数 KAI-11002 IMX455
传感器尺寸 Full Frame Full Frame
传感器类型 Front Illuminated CCD Back-Illuminated CMOS
分辨率 11 Megapixels 60 Megapixels
量子效率 50% Peak >80% Peak (est)
暗电流 0.5e-/p/s @ 0 C 0.014e-/p/s @ 0 C
满阱 60ke- 51ke- / 85ke- extended
读出噪声 10e- 1e- to 3.7e-
动态范围 1:6000 1:14000
读取速度 10s 0.3s


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