domenica 6 aprile 2008

Il range dinamico

Il range dinamico di una camera CCD indica la capacità di distinguere oggetti molto luminosi e molto deboli nella stessa immagine. I costruttori di CCD definiscono matematicamente il range dinamico con il seguente rapporto:

DR = FWC / RON

dove abbiamo indicato il range dinamico con DR , la full well capacity con FWC e il readout noise con RON , entrambi espressi in elettroni per fotoelemento quindi il range dinamico è una quantità adimensionale. Più questo numero è elevato, maggiore è la capacità della camera CCD di distinguere differenti livelli d'intensità luminosa. Chiaramente per aumentare il range dinamico è necessario agire o sulla qualità del sensore (ovvero con un basso RON ) o sulla dimensione dei fotoelementi che lo compongono che è strettamente legata alla FWC.

Il range dinamico si esprime anche in decibel:

Si noti che il readout noise da utilizzare per questo calcoli non è quello normalmente indicato nei data-sheet del sensore (detto anche RON "On-chip", generalmente inferiore del readout noise complessivo dell'intera camera CCD). Il tipo di readout noise che dobbiamo utilizzare nel calcolo è proprio quello complessivo indicato nelle specifiche della camera stessa. Tanto per intenderci è quello che effettivamente abbiamo misurato precedentemente con l'analisi del BIAS FRAME.

Esempio: al fuoco del telescopio di Cavezzo è posta una telecamera Apogee Ap7p con sensore SiTE. I fotoelementi quadrati di dimensione 24 micron hanno una Full Well Capacity di circa 300000 elettroni. Il readout noise della camera CCD è di 11,9 elettroni. Calcolarne il range dinamico.

DR = 300000/11,9 = 25210

Con questa camera CCD è possibile riprendere sorgenti luminose che differiscono tra loro di oltre 25000 volte (con una pellicola fotografica per esempio la differenza si riduce a 100 volte).
La dinamica misurata in decibel si calcola facilmente:

DRdb = 20 log (300000/11,9) = 20 log(25210) = 88,0 db

Questo rapporto dà anche un'indicazione del livello minimo di digitalizzazione che si deve applicare per utilizzare al meglio il sensore: nella tabella seguente si vede che la camera CCD dell'esempio precedente si colloca tra i 14 e i 15 bit. Gli ingegneri della Apogee hanno optato per un convertitore A/D da 16 bit e il settaggio del gain a 4,5 e-/ADU.


Il fatto di possedere una camera CCD "a 16 bit" può trarre in inganno e essere portati a pensare di avere la capacità di riprendere immagini con una dinamica di oltre 65000 livelli di grigio. In realtà, come abbiamo visto dall'esempio precedente, la dinamica nel caso specifico della Apogee Ap7p è di "soli" 25210 livelli ed è unicamente determinata dalle due caratteristiche full well capacity e readout noise.

3 commenti:

markogts ha detto...

Ciao! Bel blog! A proposito di bit e di dynamic range, ho letto da qualche parte che oltre i 12 bit non ha molto senso andare, poiché nelle zone correttamente esposte, l'errore di conteggio poissoniano è superiore al livello di digitalizzazione, qui. Io penso più alle DSLR che ai CCD dedicati, ma il discorso dovrebbe essere simile.

Saluti!

Paolo Maria Ruscitti ha detto...

Ciao ti scrivo ancora perché trovo molte cose interessanti sul tuo blog ed alcune vorrei capirle meglio.
Parliamo di dinamica adesso. Supponiamo di avere un sensore con FWC pari a 100.000 e RON pari a 15 con convertitore a 16 bit e poi un secondo sensore con FWC pari a 50.000 e RON pari a 3 con convertitore a 14 bit. Il secondo sensore pur avendo un convertitore meno inferiore dovrebbe presentare una dinamica maggiore giusto? Mi chiedo perché? Dove entrano in gioco i "bit" dei convertitori?
Spero di essere stato chiaro.
Grazie ancora.

Martino Nicolini ha detto...

Ciao Paolo,
i bit del sensore li devi pensare come un limite "massimo potenziale" della camera CCD e non come un livello prestazionale effettivo. La vera dinamica dell'immagina la da sempre e comunque il rapporto FWC/RN. E' chiaro quindi che se un sensore "nasce" come un 14 bit ma ha un bassissimo RON, può essere come nel tuo caso, che possa avere una maggior dinamica dell'immagine finale di un sensore a 16 bit con un elevato RON ma non supererà MAI i 16384 livelli permessi dal sensore (per questo un chip con una FWC di 50000 e un RON di 3 con una DR di 16666 livelli sarà un chip "mal progettato" in quanto supera la massima dinamica permessa dal chip)