Review de cámaras y sensores para planetaria

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Enrique
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Review de cámaras y sensores para planetaria

Mensajepor Enrique » Vie Mar 21, 2014 3:16 pm

He encontrado en otro foro una reflexión muy interesante acerca de cámaras y sensores en astrofotografia planetaria, os lo pongo para que le echemos un vistazo. El autor es Jorge Delpeix.


Ya hace tiempo que quería comprar una cámara especializada en planetaria. He estado un tiempo informándome, mirando webs de fabricantes, foros y muchísimas fotos de los mejores astrofotografos planetarios.
Como a mí me hubiera gustado mucho que alguien me hubiera podido facilitar una información resumida con la oferta que hay en el mercado actual, escribo estas líneas por si puedo ayudar a alguien más que esté buscando una cámara planetaria o para los que queráis poneros un poco al día con las novedades. Yo no soy un experto en el tema, pero os expongo y resumo lo que he aprendido y he encontrado en la red. Espero que os sea útil, aunque evidentemente al ritmo al que evoluciona toda la electrónica de consumo, estas líneas estarán obsoletas dentro de un año…

Mirando muchas imágenes planetarias en la red, quizá es mi percepción, pero me ha dado la sensación de que hay más C14 y otros telescopios grandes en uso en este momento que hace unos años.
También he podido constatar mirando las imágenes en las webs de los mejores astrofotógrafos mundiales, que año tras año, los mismos telescopios dan mejores imágenes sobretodo gracias a las mejores cámaras.
Actualmente está emergiendo una nueva generación de sensores con tecnología CMOS para cámaras de planetaria de primera clase. Mientras Sony ha sacado al mercado nuevos modelos de CCDs con mejor rendimiento y prestaciones. Todo esto conlleva que algunas cámaras que hace sólo dos o tres años eran una referencia, empiecen a quedarse “anticuadas” como opción de nueva compra.
El mercado de las cámaras industriales está evolucionando muy rápidamente trayendo nuevas cámaras, con mejores rendimientos y a menores precios. Hace unos años las Lumenera eran las mejores cámaras y ahora se están convirtiendo en una parte de la historia, reemplazadas por las cámaras más nuevas. Alrededor de dos o tres años atrás, el sensor CCD Sony ICX618 ALA supuso un salto en la fotografía planetaria haciendo viejo y no interesante al CCD Sony ICX098 usado en las webcams Philips y las antiguas cámaras planetarias como la popular DMK21AU04.
El sensor CCD Sony ICX618 ha sido uno de los mejores chips del mercado para planetaria, sin embargo, yo personalmente, creo que ya está superado por el sensor CMOS Aptina/Micron MT9M034 que llevan tanto la QHY5L-II como la ASI120MM. El MT9M034 tiene mayor tamaño y más píxeles por lo que abarca un campo mayor. Alcanza framerates más altos y tiene una mayor eficiencia cuántica (sensibilidad), además, la curva de eficiencia se iguala bastante en los tres filtros RGB, por lo que no hay que tocar los parámetros de captura entre filtros, mientras que con el ICX618 sí. La única ventaja que mantiene el ICX618 es su mayor sensibilidad en la banda del IR.
Pero al parecer no hay un claro ganador, ya que no todo el mundo prefiere al MT9M034 sobre las cámaras basadas en el ICX618. Algunos prefieren los CCDs Sony por su ruido más suave, más uniforme y no tan evidente, dando mejores imágenes en las bandas más difíciles.
Los CMOS tienden a generar ruido de pixelado, y en ocasiones también se pueden generar líneas verticales si el apilado es ruidoso (visible por lo general en bias y dark frames). Esto es debido a que a menudo los CMOS tienen algunas diferencias de columna a columna de manera que una columna puede ser un poco más brillante que la otra. Pero estos efectos son sutiles, y sólo son perceptibles con ganancias muy altas (y aun así, se pueden compensar con darks).
El debate de CMOS vs CCD en un escenario genérico no tiene sentido hoy en día, es como debatir que es mejor si un coche o una moto. Hay que considerar sensores específicos y para aplicaciones específicas. Pero genéricamente sí se puede afirmar que la tecnología CMOS permite diseñar un alto nivel de lógica en el sensor, obteniendo así una mejor funcionalidad que permite usar una electrónica más barata.
Mientras que los sensores CCD, tienen menos funcionalidad, son más difíciles de manejar, lo que obliga a utilizar una mejor electrónica para soportarlos.

La mayoría del ruido en las cámaras planetarias modernas proviene de la lectura. La mayoría de los sensores y cámaras utilizadas para planetaria, son cámaras industriales que están optimizadas para aplicaciones industriales donde la velocidad de lectura es más importante que un ruido de lectura bajo. La electrónica de la cámara puede añadir mucho ruido. En particular, si está optimizada para una aplicación específica y la utilizamos para otra cosa. Así, sólo porque 2 cámaras tengan el mismo sensor no significa que tengan el mismo rendimiento.

A continuación paso a describir los sensores y cámaras del mercado actual que me han parecido más interesantes:


Celestron / TIS: Skyris

Celestron unió fuerzas con The Imaging Source, fabricante de las conocidas DMK, DBK, DFK, (un socio que es bien conocido, pero no por ser innovador o el primero en el mercado). Como resultado tenemos las cámaras Celestron Skyris, cuyas mejoras respecto a sus predecesoras TIS son el conversor analógico-digital de 12 bits en lugar del de 8 bits, el interfaz de comunicación USB3 en lugar del anterior USB2 así como un cuerpo de la cámara dotado de disipadores pasivos de calor. Las versiones monocromas, van equipadas con sensores Sony ICX618, ICX445 e ICX274. En EE.UU. los precios son similares a los de los modelos más antiguos USB2 DMK / DFK / DBK, pero en Europa los precios son más altos por lo que los usuarios de Estados Unidos probablemente las verán más atractivas que nosotros. La cámara con el sensor ICX618 pasó de 60 a 120 FPS, la ICX274 que lleva el mismo sensor que la DMK 51 pasa de los 12 fps de esta última a 20 fps, mientras que la equivalente a la DMK 41 cambia su sensor ICX205 por el más sensible ICX445 y pasa de 15 a 30 fps.
Por el momento las cámaras Skyris son compatibles con Genika. En la página web de Celestron también enumeran Firecapture pero en la web de Firecapture no enumeran las Skyris…


Sensores e2v Sapphire line

Hasta ahora eran populares en formatos grandes las cámaras TIS como la DMK31, 41 y la 51, pero otras compañías mayores evolucionan sus productos más rápidamente y crean cámaras que ofrecen más prestaciones a un precio similar o inferior.

La empresa e2v es conocida por sus cámaras avanzadas que se utilizan en las sondas espaciales y los observatorios profesionales. Esos son sus CCDs caros. Pero también existen los sensores e2v CMOS, hay dos líneas, la Sapphire y la más reciente Ruby line.
Los sensores CMOS Sapphire son bastante baratos permitiendo desarrollar cámaras baratas. Son sensores bastante grandes y con muy buena sensibilidad, como el EV76C560 con 60% QE max (sensibilidad) que tiene 1280x1024 píxeles de 5,3 micras y ofrece 60 fps a formato completo y 10 bits (más de 100 fps a una ROI de 640x480). Las cámaras IDS Imaging UI-1245LE–M-GL que cuesta alrededor de 370€ y la XIMEA XIQ MQ013MG-E2 que cuesta alrededor de 330€ utilizan este sensor. También la Point Grey Blackfly usa el mismo sensor y con un precio también muy atractivo.
Estas cámaras ofrecen la flexibilidad de poder hacer planetaria e imagen lunar / solar con una sola cámara, a la vez que ofrecen USB3 o interfaz GigE, así como ROI para un framerate más rápido etc. Las TIS DMK31/41/51 no son tan adecuadas para la fotografía estrictamente planetaria debido a su baja velocidad (además no ofrecen la posibilidad de ROI a fps más altas) y su menor sensibilidad (44-45 % QE max)... y son más caras! Por lo que la relación precio / rendimiento de las TIS está empezando a ser muy pobre en comparación con estas cámaras o incluso con la Point Grey Chamaleon que lleva el CCD Sony ICX 445.
El sensor Sony ICX274 que equipa la DMK 51 tiene más píxeles (1600x1200), pero es lento (12 fps) y bastante viejo. El EV76C560 aunque tiene menos píxeles, es mucho más barato. Sino, e2v también ofrece un sensor (EV76C570) con 1600x1200 píxeles de 4,5 micras que permite 50 fps a formato completo y 10 bits (más de 100 fps a una ROI de 640x480) aunque su sensibilidad (QE max de 48%) es similar al del ICX274.
Las cámaras TIS DMK están empezando a mostrar su "edad" y si TIS quiere productos competitivos, necesita actualizar su línea, no sólo con el sensor Sony ICX445 sino también con los últimos sensores CMOS como los de e2v o CMOSIS.


Sensores e2v Ruby

La línea CMOS Ruby ofrece las mejores prestaciones con dos sensores que proporcionan una sensibilidad espectacular y un ruido de lectura extremadamente bajo (al menos en teoría). Son el EV76C661 con 70% de QE max y el EV76C660 con 80% de QE max y un ruido de lectura de tan sólo ~ 3e. Ambos sensores trabajan con obturador de persiana, el obturador global es mejor, pero más difícil de hacer para los sensores CMOS (los obturadores de persiana pueden causar artefactos si el objeto fotografiado se agita / mueve mucho debido al seeing).
Ambos sensores tienen 1280x1024 píxeles de 5,3 micras y ofrecen 60 fps a formato completo y 10 bits (más de 100 fps a una ROI de 640x480). Gracias a este tipo de sensores extremadamente sensibles es más fácil obtener imágenes RGB ya sea con menor ganancia o exposición más corta. También, al ser muy sensibles en el Infra-rojo es una ventaja a la hora de obtener imágenes en IR, en la banda del metano, para el Sol en H-alpha o para la Luna con filtros infrarojos.
Por el momento los sensores de línea de Ruby están disponibles en cámaras de IDS Imaging (USB2, USB3, GigE), que son compatibles con Firecapture y Genika.
Pero test realizados a estas cámaras han mostrado que adolecen de un alto ruido de corriente oscura, lo que las hace muy ruidosas a alta ganancia y exposiciones largas. Aún y así, ambos sensores dan muy buenas imágenes planetarias si trabajan a baja ganancia en bandas brillantes, como LRGB.

El “viejo” EV76C560 Sapphire line que hemos visto antes, no tiene ese problema. Pero en general los sensores e2v son ruidosos a altas ganancias y largas exposiciones, pero para la Luna o el Sol, dan muy buena calidad y velocidad.


Sensores CMOSIS

Los sensores CMOS CMOSIS son muy grandes y mono. Tienen obturador global y una sensibilidad muy alta (QE máximo en torno al 68%). El CMV2000 tiene 2048x1088 píxeles de 5,5 micras ofreciendo 70 fps en 12 bits y alcanzando los 340 fps en 10 bits. Este sensor equipa a la cámara XIMEA XIQ MQ022MG-CM.
Mientras que el CMV4000 es bastante caro debido a que tiene 2048x2048 píxeles de 5,5 micras ofreciendo 37 fps en 12 bits y alcanzando los 180 fps en 10 bits. Este sensor equipa la cámara XIMEA XIQ MQ042MG-CM (USB3) que cuesta alrededor de 1.500€. Además será necesario un buen HDD capaz de guardar grandes cantidades de datos y que sea muy rápido, quizá uno de los nuevos SSD.
La cámara XIMEA XIQ MQ022RG-CM tiene una versión diferente de este mismo sensor, es una versión extendida NIR con mayor sensibilidad IR. Para la banda H-alfa 650 nm la QE de la versión estándar es de alrededor de 54% y alrededor del 63% de la versión NIR.
Con altas ganancias y exposiciones largas, aparecerá el típico ruido espacial CMOS (podrían hacerse visibles las líneas verticales). Los sensores Micron/Aptina CMOS son muy propensos dar anillos de Newton en las imágenes solares H-alfa debido a la cubierta de vidrio que tiene algunos defectos ópticos. Pero según los test, estos sensores CMOSIS en esas dos cámaras no mostraron ninguna señal de tales anillos.
Todos estos sensores aparte de en las XIMEA, también están presentes en las cámaras de IDS Imaging y Basler (GigE).


Nuevo Sony CMOS IMX174

Point Grey ha anunciado una nueva cámara con el sensor CMOS Sony IMX174 que utiliza obturador global y que ofrece 1920 x 1200 píxeles de 5.86 micras a 162 fps.
Parece espectacular, pero hay que ser cautos, pues los sensores CMOS Sony Exmor como el IMX035 tenían un bajo ruido, pero no salían muy bien parados en los test, parece ser que parte por culpa del obturador de persiana que utilizan.
El obturador global es mucho peor que el de persiana en los sensores e2v, pero es posible que Sony tenga un diseño diferente.


Nuevos sensores Sony CCD

Sony, sin embargo también fabrica muchos sensores CCD de alto nivel como el nuevo ICX692 (EX view HAD II) y ICX693 (Super HAD II) utilizados por las cámaras Point Grey Blackfly.
La Blackfly BFLY-PGE-05S2M-CS que cuesta unos 350$, viene con el sensor Sony ICX693. Esta cámara lleva interfaz GigE y ofrece 808x608 píxeles de 6 micras a 50 fps con una QE máx 70%. Algunos fotógrafos japoneses probaron esta cámara, hicieron una comparación directa con ICX618 y resultó que el nuevo sensor es bastante bueno. En comparación con el sensor ICX618, el nuevo ICX693 es mucho más sensible a la luz azul y ultravioleta y menos sensible a la luz infrarroja pero en general, su sensibilidad es muy buena. La alta sensibilidad a la luz azul puede ser muy útil en el canal azul de Saturno o Júpiter que no son muy brillantes. Este sensor también debe ser muy bueno para la imagen de Venus en UV.
El ICX692 que equipa a la Point Grey Blackfly BFLY-PGE-09S2M-CS tiene el mismo tamaño de sensor, pero al tener los píxeles más pequeños, encaja 1280x720 píxeles de 4,08 micras en la misma diagonal de 1/3". Su curva de respuesta espectral y su QE son similares a las del ICX693, por lo que su rendimiento probablemente sea similar.

También hay otros sensores mayores y mejores como el ICX674 o el ICX694, que equipan cámaras como la Point Grey Grashopper 3. Estas cámaras cuestan más de 1000€ pero están consideradas por algunos como las mejores para imagen solar. El CCD ICX674 que equipa Point Grey Grasshopper Express 2.8 MP Mono (con Firewire y 14 bits) y la Atik 428EX M (USB y 16 bits) tiene 1936 x 1456 píxeles de 4,54 micras con una QE máx 63%. Mientras que el ICX694 ALG que equipa la cámara Starlight Xpress SXVR-H694, tiene 2750 x 2200 píxeles de 4,54 micras con una QE máx 74% y 16 bits...


Sensor Micron/Aptina CMOS MT9M034

Cámaras como la QHY5 o la NexImage 5 usan sensores CMOS Micron/Aptina, pero tienen diseños relativamente antiguos con mucho ruido de lectura y tienen poca sensibilidad para la imagen planetaria (la nueva línea QHY5 II ya no tiene estos problemas, aunque algunos artefactos o ruido granulado siguen presentes).
Pero Micron/Aptina ha sacado un buen sensor: el CMOS MT9M034 (mono), que equipa las cámaras ASI120MM y QHY5L-II. Tiene una QE de 75% (superior a la del ICX 618) y 1280x960 píxeles de 3,75 micras frente a las 5,6 micras de tamaño de los píxeles del ICX 618. Alcanza los 45 fps a 1280x960 y además permite innumerables ROIs con diferentes framerates. Al tener píxeles más pequeños, la relación focal óptima para la adquisición de imágenes es también algo más brillante (más corta) permitiendo utilizar parámetros de captura más eficientes. Da imágenes con una profundidad de color de 12 bits.
La ASI 120MM que cuesta unos 330 €, ha sido catalogada como Sky and Telescope Hot Product 2014 y varios de los más reputados astrofotógrafos planetarios a nivel mundial se han cambiado y la han escogido como su cámara de uso habitual. Funciona con interfaz USB 2.0, el cual le hace de cuello de botella no permitiéndole pasar de los 35 fps a 1280x960 (113fps a 640x480) hasta un máximo de 215fps a 320x240. También permite bining 2x2 a 640x480 con 35 fps. Permite exposiciones de hasta 16,5 minutos, y Firecapture la soporta.
Esta cámara también muestra cómo las nuevas tecnologías se pueden ofrecer a un muy buen precio con el que las cámaras antiguas no pueden competir.


Cámaras i-Nova refrigeradas

Las cámaras i-Nova francesas, muy populares en el país vecino, han sido diseñadas específicamente para la astronomía, con una optimización de la electrónica para la adquisición con muy poca luz. Incorporan un circuito FPGA específico que reduce significativamente el ruido de origen electrónico. Ofrece tres velocidades de lectura de la matriz CMOS o CCD: Velocidad máxima para planetaria, 1/2 de la velocidad máxima para reducir el ruido de lectura y 1/4 de la velocidad máxima para un ruido de lectura mínimo para cielo profundo.
La refrigeración en cámaras planetarias es poco frecuente. Sólo la QHY IMG0H la tiene por defecto. Las cámaras i- Nova llevan un kit (opcional) de refrigeración Peltier que enfría el sensor hasta alrededor de 0ºC. Funciona para todas las cámaras i-Nova incluyendo la i-Nova PLB- Mx2 la cual incorpora el mismo sensor que la ASI120 MM y que tiene un precio similar a esta.
La refrigeración, en planetaria, puede ser útil para obtener imágenes de Urano, Neptuno o para bandas oscuras como la del metano. A mi particularmente me parecería muy interesante poder comparar el ruido en imágenes RGB normales y ver si mejora la calidad de la imagen apilada. En la imagen solar puede evitar el calentamiento de la cámara.
No son compatibles con FireCapture, vienen con su propio PLXCapture. Podemos elegir varios modelos, incluyendo los los que llevan los sensores CCD de Sony ICX445 e ICX618.


Aptina AR0134

La cámara Point Grey Blackfly BFLY-PGE-12A2M-CS incorpora un nuevo sensor CMOS Micron/Aptina AR0134 casi idéntico al MT9M034 (tal vez con un poco más de sensibilidad IR), también con 1280x960 píxeles de 3,75 micras con una QE de 77% y alcanza los 54 fps a resolución completa. Pero la mayor diferencia es que el AR0134 tiene obturador global y por lo tanto es un diseño diferente en comparación con MT9M034. Como hemos visto anteriormente, el obturador global en los sensores CMOS suele aumentar el ruido de lectura, pero proporciona imágenes libres de artefactos por lo que probablemente, estará libre de las líneas verticales visibles en los dark frames del MT9M034. Pero como también hemos visto antes, es difícil saber cómo este nuevo sensor rendirá en fotografía planetaria, pues una cosa es lo que las especificaciones técnicas prometen sobre el papel, pero hasta que alguien no lo empieza a probar en nuestro entorno de uso... Eso depende del diseño y el rendimiento del sensor.
En Europa, esta cámara tiene un precio de unos 250 euros y su interfaz de comunicación Ethernet Gigabit le permite alcanzar los 52 FPS 1280x960.

Los nuevos sensores como este AR0134 o el MT9M034 o también los CCD Sony ICX693 / 692 brindan mejor rendimiento en pequeños pasos sobre sus predecesores. Pero el cambio más rápido está en la disminución de los precios. Vivimos en tiempos interesantes para la imagen planetaria. ¿Qué será lo próximo? ¿Cámaras NIR con respuesta más allá de 1100 nm? ¿sensores v2.0 sCMOS?
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Re: Review de cámaras y sensores para planetaria

Mensajepor AstroCava » Vie Mar 21, 2014 5:29 pm

Muy interesante, Enrique. Parece que la ASI120MM es la favorita de los grandes:

Damian Peach realizó un artículo de las ASI120MM.Está utilizandola para la Luna desde 2013

Christopher Goo: por ejemplo, toda la galería de Júpiter dice que la hace con la ASI120MM

Emil Kraaikamp(el del programa autostakkert) también utiliza la ASI120MM
Sergio Cava
Explore Scientific 305mm F/5, Meade LX200 GPS 8", ASI 120MM
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