Hoe gebruik je een DSLR bij deepskyfotografie ? Welke ISO waarde kies je? Hoe lang belicht je de subframes ? Jac Brosens April 2012

In het analoge tijdperk koos je een film met een bepaalde gevoeligheid In het analoge tijdperk koos je een film met een bepaalde gevoeligheid. De ene keer een 100- de andere keer b.v. een 400 asa film. Een 100 asa film heeft andere eigenschappen dan een 400 asa. Een 400 asa film heeft 4 x minder licht nodig dan een 100 asa om dezelfde zwarting te krijgen.

Maar bij digitale fotografie betekent de keuze van een ander Isowaarde niet dat er dan een andere sensor in de camera wordt geplaatst met daarbij behorende andere eigenschappen. Zo beschouwd is de Iso keuze niet vergelijkbaar met die bij de analoge fotografie.

Schema van - belichten – uitlezen - weergeven - van een digitale foto Schema van - belichten – uitlezen - weergeven - van een digitale foto. Via dit schema gaan we het realiseren van een digitale foto nader bekijken

Bij gewone fotografie gebeurd de weergave door een jpeg ( = 8bits) bestand. Er zijn dan van donker naar licht 256 niveaus beschikbaar om de helderheid weer te geven. Per pixel wordt de helderheid van de kleur blauw, groen en rood weergegeven. De maximale helderheid die de sensor kan weergeven is het niveau dat bij 100 Iso wit geeft op de foto.

Een DSLR laat ook toe de weergave te doen met een 12 of 14 bits (raw)bestand. Er zijn dan resp. 4096 en 16384 niveaus beschikbaar om de helderheid van de pixels weer te geven

De betere fotobewerkingssoftware werkt met 16 bits bestanden De betere fotobewerkingssoftware werkt met 16 bits bestanden. Een 16 bits bestand heeft 64536 niveaus tot zijn beschikking.

Het getal dat met het uitlezen van de pixels wordt verkregen heet de ADU-waarde maar soms wordt ook de term DN gebruikt. ( ADU = Analoge – Digitale – Unit. DN = Data Number) Een jpeg bestand ( 8 bits) heeft een bereik van 256 Adu. Bij een 12 bits bestand is dit 4096 en bij een 14 bits bestand wordt het 16384. De 16 bits bestanden waar de meeste software pakketten mee werken hebben het grote bereik van 64546 Adu. Bij een 16 bits bestand zijn er dus 64546 niveaus beschikbaar om de helderheid van de pixel weer te geven terwijl bij 8 bits (jpeg) dit maar 256 is!!! Bij weergave is een 8 bits bestand (zoals jpeg) de norm omdat onze ogen niet in staat zijn om meer dan 256 niveauverschillen te kunnen onderscheiden. Een 16 bits bestand kan dus enorm veel meer informatie bezitten. Op de toonschaal van een dergelijk bestand is ruimte die gelijk is aan 256 normale foto’s. Bij een 14 bits bestand is die ruimte gelijk aan 64 normale foto’s.

Bij 200 Iso is maar de helft van de intensiteit nodig on hetzelfde resultaat te krijgen als bij 100 Iso. De intensiteiten tussen 50 en 100 % worden nu als overbelicht weergegeven. Het bereik van de sensor in nu dus de helft kleiner

Bij het verhogen van de Isoinstelling wordt een steeds kleiner stuk van het bereik van de sensor gebruikt. Bij 1600 Iso is nog maar 6,25 % van het bereik van de sensor in gebruik. Het overige deel van het bereik wordt als overbelicht weergegeven. Dat betekend dat bij 1600 Iso 93.75 % en bij 400 Iso 75 % van het bereik van de sensor niet kan worden benut.

Hoe komt het signaal van de sensor tot stand?

Eigenschappen ccd sensor De energie van een op de pixel invallend foton kan daar mogelijk een elektron vrijmaken. Dit elektron wordt onder de pixel vastgehouden. De kans dat een foton een elektron vrijmaakt wordt uitgedrukt in de quantum efficiency . Een quantum efficiency van b.v. 0,45 (of 45 %) geeft aan dat per 100 ontvangen fotonen er gemiddeld 45 elektronen worden vrijgemaakt. De energie van een foton hangt af van de golflengte daarom is de quantum efficiency ook golflengte afhankelijk. Bij het uitlezen van een pixel wordt een Aduwaarde verkregen die in verhouding staat met het aantal elektronen welke onder die pixel is vastgehouden. De relatie tussen het aantal elektronen per pixel en de daardoor verkregen Aduwaarde bij het uitlezen heet de gain. De gain geeft aan hoeveel elektronen er nodig zijn om 1 Adu te verkregen. Als de gain 1 is levert dus elke elektron 1 Adu op. Een gain kleiner dan 1 betekent dat per elektron meer dan 1 Adu wordt verkregen terwijl als de gain groter is als 1 er meerdere elektronen nodig zijn om 1 Adu te verkrijgen

Eigenschappen ccd sensor Het aantal elektronen dat een pixel kan vasthouden en correct kan verwerken is aan een maximum gebonden ( vooral afhankelijk van de afmetingen van de pixel). Dit maximale aantal wordt de Full well capacity genoemd De Full well capacity is een belangrijk gegeven want het geeft aan hoeveel niveaus door de pixel maximaal kunnen worden geregistreerd. De full well capacity, quantum efficiency of gain waarden van een DSLR worden niet door de fabrikanten in hun specificaties vermeld terwijl dit wel gebruikelijk is bij de speciale astroccdcamera’s en andere camera’s voor speciale toepassingen. Op internet kunnen soms wel deze gegeven worden gevonden. Dit zijn dan gegevens verkregen uit eigen onderzoek.

Full well capacity Canon 40D http://www.clarkvision.com/imagedetail/digital.sensor.performance.summary/ vermeldt 43000 http://www.stanmooreastro.com/Canon40D_SN.htm vermeldt 41300 Bij 100 Iso resulteren 43400 (of 41300) elektronen dus in wit op de foto en dat betekend dat bij 400 Iso dit 43400 / 4 = 10850 (of 41300 / 4 = 10325) moet zijn. http://astrosurf.com/buil/50d/test.htm geeft voor 400 Iso het getal 12900 (In dit verhaal ga ik verder met de waarde 44000 voor de full well capacity van de 40D.)

De gevonden gegevens verwerkt in het schema.

De uiteindelijke situatie bij een Canon 40D bij rawweergave De uiteindelijke situatie bij een Canon 40D bij rawweergave. Bij 400 Iso zijn er in het weergavebestand meer niveaus beschikbar dan het aantal niveaus dat de sensor maximaal kan registreren. De gain bij 400 Iso is dus kleiner dan 1. Kiezen van een hogere Iso dan 400 geeft geen winst omdat alle informatie die de sensor kan registeren al bij 400 Iso in het bestand aanwezig is. Een hogere Iso heeft alleen tot gevolg dat een deel van de informatie die bij 400 Iso aanwezig is als overbelicht wordt weergegeven.

Conclusie De ISOinstelling heeft geen invloed op de gevoeligheid van de camera!!!! De ISOinstelling bepaalt dus niet wat de sensor registreert maar bepaalt hoe, datgene wat de sensor heeft geregistreerd wordt weergeven. Het signaal dat de sensor op zich genereert wordt op geen enkele wijze door de keuze van de Isoinstelling beïnvloed want er zijn geen eigenschappen van de sensor die veranderen als een andere Iso keuze wordt gemaakt. De verschillen die bij de verschillende Isoinstellingen worden verkregen ontstaan alleen omdat dan anders met het sensorsignaal wordt omgegaan zoals meer of minder versterken.

Conclusie Voor optimaal gebruik van je sensor moet er bij het kiezen van de ISOinstelling gelet worden op de gain die bij deze instelling hoort. Een gain van 1 gebruikt de sensor optimaal . Bij een gain kleiner dan 1 is het bereik van de sensor kleiner dan het bereik van de weergave. Er wordt nu onnodig informatie als overbelicht weergegeven. Bij een gain groter dan 1 is het bereik van de weergave kleiner dan het bereik van de sensor en zal de informatie die de sensor heeft geregistreerd niet in zijn geheel in het uitgangsbestand terug te vinden zijn.

Voorbeeld van de gainwaarde van enkele camera’s Voorbeeld van de gainwaarde van enkele camera’s. De Canon 5Dmark II geeft bij 25600 Iso 62,5 Adu per elektron. Een extreem geval van oversampeling. Er wordt bij deze Isoinstelling maar 0,0039 van het bereik van de sensor gebruikt! Het zal duidelijk zijn dat dergelijke hoge Isowaarden voor deepskyfotografie geen enkele waarde hebben!!

Eigenschappen van de 50D en 5D mark II

Canon 40D 400 ISO 150mm newton F5 Idas filter 77 x 3 min Canon 40D 400 ISO 150mm newton F5 Idas filter 77 x 3 min. 26-12-2008 voorbeeld van een opname op 400Iso

De locatie van vorige en hier verder getoonde opnamen De locatie van vorige en hier verder getoonde opnamen. Beste SQM waarde hier gemeten is 20,04 (meestal van 19,6 tot 19,8)

Hoe wordt het rawbestand verwerkt ? Er werd een testkaart gefotografeerd met dezelfde belichtingstijd maar verschillende Iso instelling. Daarna werd in ImagesPlus de Aduwaarde per testvlak bepaald.

De gemeten aduwaarde van de testkaart bij verschillende raw verwerking De gemeten aduwaarde van de testkaart bij verschillende raw verwerking. De speciale astrosoftware gebruiken de z.g. lineaire rawconversie. Hierbij zijn de verkregen Aduwaarden recht evenredig met het sensorsignaal. Bij een gewone rawconversie (zoals Photoshop, Canon e.d. ) worden er correctiefactoren toegepast waardoor de aduwaarden niet meer recht evenredig zijn met de signalen van de sensor. De belangrijkste factor in deze is de gamma-correctie.

De gamma correctie zorgt ervoor dat de weergave wordt aangepast aan de eigenschappen van weergaveapparatuur en onze ogen. Het gevolg is echter dat de Aduwaarde niet meer recht evenredig is met het sensorsignaal. Alleen bij een lineaire rawconversie is die evenredigheid gewaarborgd. Photoshop heeft deze optie niet maar de Canonsoftware biedt wel de mogelijkheid om voor de lineaire conversie te kiezen zoals de speciale astrosoftware. Verschillende opnamen stacken geeft alleen maar een correct resultaat als een lineaire rawconversie is toegepast.

1/4 sec 2x 1/8 sec 4x 1/15 sec 8x 1/30 sec 16x 1/60 sec 32x 1/125 sec 64x 1/250 sec Het stacken ( bij elkaar optellen) van verschillende opnamen is de grote kracht van digitale fotografie. Hier zie je dat 64 opnamen gestackt ogenschijnlijk hetzelfde resultaat geven dan één opname met 64 x langere belichtingstijd.

Belichtingstijd subframes ?? Bij het toenemen van de belichtingstijd bij deepsky opnamen komt op een gegeven moment de helderheid van de hemelachtergrond als een piek in het histogram tevoorschijn. Dat betekent dat elk nuanceverschil dat waarneembaar is ook daadwerkelijk is vastgelegd. Een lagere intensiteit dan de hemelachtergrond is namelijk in de gegeven situatie niet mogelijk. Om reden dat het signaal boven de ruis moet uitkomen wordt meestal geadviseerd deze piek op 20 tot 40% van het histogram te laten vallen. Maar is dit een wijs advies want lang belichten heeft ook een nadeel?

Voorbeeld van een histogram van een subframe met een bepaalde belichtingstijd Als de belichtingstijd 2 x langer wordt zal het 50% niveau naar 100% worden gebracht. Dus alles tussen 50 en 100% van de eerste opname is nu overbelicht Histogram 2 x langere belichtingstijd

Voorbeeld histogram subframe met een bepaalde belichtingstijd Het resultaat als 4 x langer wordt belicht. Het 25% niveau wordt nu 100%. Alles wat in de eerste opname is vastgelegd tussen 25 en 100% wordt nu als overbelicht weergegeven Histogram 4 x langere belichtingstijd. Langer belichten dan nodig is heeft het nadeel dat informatie in de verzadiging wordt gestuurd. In dit voorbeeld zie je dat in de laatste opname alleen de eerste 25 % van de informatie die in de eerste opname is vastgelegd wordt weergegeven. De resterende 75% wordt als overbelicht weergegeven. Het bereik van de laatste foto is 4 x kleiner dan de eerste. Zaak dus om zo kort mogelijk te belichten!

Om te kunnen beoordelen of het signaal van het lightframe zoals gewenst boven het ruisniveau uitkomt is het zaak dit ruisniveau te kennen. Dit is af te leiden uit de gegevens van de darkframes, omdat die immers de ruis vastleggen. Meestal wordt er dan gewerkt met de gemiddelde Aduwaarde en de standaarddeviatie maar dat geeft maar een beperkte informatie. Veel beter is het om met de uitgebreide histogramopties van de speciale software uit te zoeken hoe de verdeling van de Aduwaarden van een darkframe is.

Voorbeeld van de analyse van de Aduwaarden van de pixels van darkframes bij verschillende omstandigheden. De tabel laat zien hoe groot het aantal pixels ( in %) is die een waarde hebben die gelijk of kleiner is als de waarde in de tabel aangegeven

Hieruit blijkt dat er geen reden is om langer dan 150sec Hieruit blijkt dat er geen reden is om langer dan 150sec. te belichten want nu al is het signaal duidelijk hoger dan de ruis. Er wordt gekeken maar 99,5 % van de pixels om de invloed van hotpixels te beperken. Op het ligtframe van 150 sec. belichting heeft 99,5 % van de pixels een Aduwaarde van 658 of meer. Bij het darkframe van 150 sec. heeft 99,5 % van de pixels een Aduwaarde lager dan 249

Test invloed Iso instelling Test invloed Iso instelling. Die is uitgevoerd door een reeks opnamen van M42 met 100- 200- en 400 Iso steeds achter elkaar op te nemen. Hierdoor zijn de opnamecondities voor de 100- 200- en 400 Iso reeks exact gelijk.

De resultaten na de gebruikelijk werkflow voor dergelijke opnamen De resultaten na de gebruikelijk werkflow voor dergelijke opnamen. Uit de onbewerkte stack blijkt dat bij 400 Iso de kern nog niet overbelicht is. De speciale bewerkingssoftware voor astrofotografie is helemaal toegespitst om de informatie in de onderkant van het histogram maximaal zichtbaar te maken. De bewerking DDP (Digital Development) is daar een sprekend voorbeeld van. Een zorgvuldige toepassing van deze mogelijkheden maakt mogelijk de totale informatie die in het bestand zit opgesloten zichtbaar te maken. Zoals blijkt uit de volgende resultaten.

50 x 150 sec. 400 ISO 150mm newton F5 canon 40D (cooled) Idas filter Realiseer je dat bij deze 3 voorbeelden steeds wordt uitgegaan van hetzelfde pure sensorsignaal

48 x 150 sec. 200 ISO 150mm newton F5 canon 40D (cooled) Idas filter

47 x 150 sec. 100 ISO 150mm newton F5 canon 40D (cooled) Idas filter Hier blijkt nu duidelijk dat informatie die in het 400Iso bestand in de donkere delen blijkt te zitten hier niet meer zo duidelijk te zien is.

Waarom de nadruk om niet te lang te belichten en geen te hoge Iso te kiezen. Door te voorkomen dat er informatie als overbelicht wordt weergegeven zullen veel minder snel de heldere delen van een opname als uitgebrand worden weergegeven. De hele heldere sterren zullen minder in diameter opzwellen. Maar het belangrijkste is misschien wel het feit dat dan veel minder snel de kleur van de sterren verdwijnt. Sterren hebben meestal een duidelijk kleur en bij zorgvuldig werken kan de kleur op de foto behouden blijven. Mijn bevinding is dat bij een ± 20 SQM hemel bij gebruik van een - F5 systeem, IDAS filter, 400 Iso - het niet nodig is je subframes langer dan 2 tot 2,5 minuten te belichten

150 mm newton F5 Canon 40D 400 Iso 27 x 150sec Idas filter

40D 400 iso 147 X 150 sec.

250 mm newton F4,8 Canon 40D 400 Iso 30 x 150sec Idas filter

Conclusie Verdiep je in de vraag hoe laag je de ISOwaarde kunt instellen zonder informatie te verliezen? Verdiep je in de vraag hoe kort je de subframes kunt belichten zonder informatie te verliezen? Dit om het bereik van je sensor zo optimaal mogelijk te benutten.