Test Canon EOS 500D débayérisé

[Fred_76]

Bonjour

 

J'ai fait débayériser un Canon EOS 500D par Astroghost, membre de Webastro. Voici une compilation des résultats.

 

Le boîtier a subit 4 transformations chez Astroghost :

- débayerisation et remplacement de la vitre du capteur d'origine par une vitre traitée antireflet

- défiltrage total (j'ai quand même placé un filtre clair EOS clip pour ralentir les dépôts de poussières)

- installation d'un doigt de gant en cuivre sous le capteur avec un ventilateur à l'extérieur afin d'extraire les calories

- déplacement de la sonde interne de température sur le capteur : la température Exif est désormais celle du capteur

 

 

Pour mémoire, la débayérisation consiste à retirer par grattage la matrice de Bayer (et les microlentilles) de la surface du capteur. Si vous cherhcez des sujets sur Internet, en anglais, on dit CFA removal.

 

Je vais donc tester les choses les unes après les autres, mais avant un petit rappel sur les caractéristiques du capteur.

 

Caractéristiques du capteur

 

Ces caractéristiques ne sont pas modifiées par la débayérisation.

 

Photosites : 4.7 µm

Résolution :

- largeur : 4752

- hauteur : 3168

 

ISO	Gain e-/ADU	Gain ADU/e-	RON e-		RON ADU		Dynamique (bits)
100	 2.13   	 0.47   	 15.9		7.5   	 	11.0   
200	 1.10   	 0.91   	 8.7   	 	7.9   	 	10.9   
400	 0.53   	 1.89   	 5.0   	 	9.5   	 	10.7   
800	 0.27   	 3.75   	 3.5   	 	13.1   	 	10.2   
1600	 0.13   	 7.52   	 2.8   	 	20.8   	 	9.5   
3200	 0.07   	 14.71   	 2.8   	 	40.6   	 	8.6   

 

Réglage ISO idéal

 

Le graphique suivant montre l'évolution de la dynamique du capteur en fonction de la sensibilité ISO. On se rend compte qu'elle décroit régulièrement jusqu'à 400 ISO puis qu'elle dégringole à partir de 800 ISO. Le compromis est donc entre 400 et 800 ISO (zone verte).

 

 

 

Effet de la débayérisation du capteur

 

Gain en sensibilité

 

*** mise à jour 27/12/2014 (photo prise de jour, plus de zones analysées) ***

 

Pour estimer le gain en sensibilité, j'ai comparé sur la même photo prise sur la lumière du jour (un nuage défocalisé), les niveaux moyens de zones où la matrice CFA n'avait pas été retirée (1), dans chaque plan de couleur, en comparant avec une zone très proche où le capteur était débayérisé (2). Comme les zones (1) et (2) sont très proches, l'effet du vignettage est très faible. Au total une quinzaine de paires de zones ont été mesurées.

 

 

J'arrive aux gains de sensibilité suivants pour chaque plan de couleur :

- dans le vert : +55%

- dans le rouge : +80%

- dans le bleu : +95%

 

Autrement dit, le capteur débayérisé est en moyenne environ 70% plus sensible que le capteur d'origine.

 

Résolution

 

Le gain en résolution suite à la débayérisation est bien visible :

 

 

Bruit

 

On remarque aussi un bruit bien plus faible dans l'image Après. J'analyse cela par les coefficients appliqués pour convertir l'image RAW en une image couleur. En effet, on a pu voir dans le paragraphe précédent que les photosites bleus du capteur non débayérisé étaient bien moins sensibles que les photosites verts. Pour rééquilibrer les couleurs, l'algorithme de développement des RAW doit donc augmenter sérieusement le gain du plan bleu ce qui multiplie d'autant son bruit. La matrice de Bayer contient aussi 2 photosites verts pour 1 bleu et 1 rouge. Le rééquilibrage des couleurs renforce donc encore cette multiplication du bruit.

 

Le rapport signal/bruit augmente par ces deux effets combinés :

- les photosites ne sont plus spécialisés à un canal de couleur RVB, donc le signal augmente sur chaque photosite

- le bruit n'est plus amplifié sur les canaux rouges et bleux, donc le bruit global diminue

Modifié 14 janvier 2015 par Fred_76

[Fred_76]

Photo diurne en infra rouge

 

Voici l'une de mes toutes premières photos en IR. Il s'agit ici d'une prise de vue diurne, avec le 500D défiltré/débayérisé et en proche infra-rouge avec un filtre Astronomik Proplanet Ir Pass 807 nm.

 

J'ai privilégié un aspect grunge avec du grain "à l'ancienne" en poussant à 3200 ISO.

 

L'objectif est un Canon EF55-200mm f/4.5-5.6 II USM réglé à 55 mm F/11. Une seule pose de 1/100 s.

 

 

Ce qui est dingue, c'est qu'on ne voit rien du tout au travers du filtre à l'oeil nu, mais au Liveview on voit comme en plein jour. Le capteur débayérisé est une tuerie en IR, la pose n'était que 1/100e de seconde !

 

Par contre on distingue très bien deux bandes sombres horizontales, causées par le bruit de lecture. Elles se retirent toutefois très bien avec un offset maitre.

Modifié 21 décembre 2014 par Fred_76

[Fred_76]

Effet du doigt de gant et du ventilateur

 

Je l'ai dit dans un autre sujet, le 500D est réputé pour chauffer beaucoup. Par contre, ainsi que j'ai pu le mesurer avant les travaux d'Astroghost, on ne gagne pas grand chose à refroidir le boitier sous 10°C (température Exif) : le bruit d'agitation thermique est en effet stabilisé sur ce qui semble être une asymptote dès que la température du capteur est inférieure à 10°C. Par contre le bruit explose dès qu'on dépasse 20°C.

 

Sur des poses de 5 minutes, j'ai mesuré un écart de près de 15°C entre le capteur et l'air extérieur après une quinzaine de photos. Il est donc important de trouver un moyen d'empêcher le capteur de monter trop en température.

 

Comme on prend les photos la nuit, la température extérieure est souvent inférieure à 10°C, il suffit donc de bien caloporter la chaleur à l'extérieur du boitier pour ne pas que la température grimpe trop au dessus de 10°C. C'est pour ça que j'ai proposé cette idée à Astroghost : placer juste un doigt de cuivre sous le capteur avec un ventilateur pour éliminer la chaleur :

 

 

Pas de Peltier à gérer avec les problèmes de givre, de régulation et d'alimentation : juste un petit ventilateur alimenté par l'APN et un petit interrupteur pour ne pas vider la batterie involontairement !

 

Test au congélateur

 

En ce moment, le boîtier est dans le congélateur, ventilateur en marche. La température s'est stabilisée à -20°C après une heure. Le congel est mesuré à -21°C. J'ai lancé BYE avec des poses de 300s à 800ISO et après 5 poses, la température du capteur est toujours de -20°C. Autrement dit le doigt de gant ventilé rempli parfaitement son office et équilibre la température du capteur avec celle de l'extérieur.

 

Après 28 poses effectuées dans le congélateur, la température des RAW est comprise entre -20°C et -19°C : le doigt de gant ventilé fonctionne à merveille. L'écart entre la température du capteur et la température extérieure est d'à peine 5°C (congélo réglé à -24°C, mesuré à -26/-21°C selon l'endroit dans le compartiment où j'ai placé le boitier).

 

Test au réfrigérateur

 

Retour du ciné, le boitier est resté près de 2h30 dans le frigo. La température du frigo est mesurée à +4°C. La température du capteur s'est stabilisée à +10°C. On retrouve la environ 5°C d'écart.

 

Test à l'air ambiant

 

J'ai sorti le boitier pour le placer dans une boite à l'extérieur. Température extérieure de +21°C.

 

Après 7 photos, la température du capteur est de 21°C. La boite étant fermée, elle est un peu montée en température pour finir à 24°C. A ce moment la température du capteur était de 29°C.

 

Conclusion

 

La modification avec la plaque de cuivre et le ventilateur permet de maintenir le capteur à environ 5°C au dessus de la température ambiante là où auparavant l'écart était de près de 15°C, soit un gain de 10°C environ ce qui permet de maintenir le capteur en dessous de 20°C la plupart du temps (sauf les nuits où la température extérieure est supérieure à 15°C, ce qui est assez rare ici en Normandie ).

Modifié 21 décembre 2014 par Fred_76

[Fred_76]

Bruit d'agitation thermique

 

Plus un capteur chauffe, plus les électrons s'agitent et plus ils risquent de causer un faux signal. Ce faux signal s'appelle le courant d'obscurité.

 

Toutefois, les ingénieurs de Canon (mais c'est pareil avec les autres marques), ont mis en place un système avant la sauvegarde du RAW pour limiter ce courant d'obscurité. Il est ainsi quasiment impossible de le mesurer. Par contre, ce système consiste à soustraire à chaque photosite une valeur moyenne du courant d'obscurité calculée à partir de photosite non éclairés qui bordent les capteurs. Comme chaque photosite ne répond pas de la même façon à la température, il ne reste plus qu'une fluctuation qu'on peut appeler "bruit d'agitation thermique" (même si ce n'est pas vraiment un bruit à proprement parler).

 

Bref, j'ai estimé ce bruit à diverses températures pour des poses de 300 s à 800 ISO, avant (point rouges) et après (points bleus) la débayérisation.

 

 

Astroghost a déplacé la sonde de température interne du boitier pour la placer à coté du capteur. Avant elle se trouvait à coté d'un des processeurs (composant qui chauffe le plus). L'écart de température entre les deux endroits est de l'ordre de 12°C. Ainsi quand le capteur est à 10°C, la sonde non modifiée rapporte une température de l'ordre de 22°C.

 

On se rend compte sur ces courbes que le bruit d'agitation thermique n'est pas fondamentalement changé par la débayérisation.

 

Sur l'image ci-dessous, on voit la comparaison entre deux darks de 300s à 800 ISO, avant et après, pour les températures de 0, 10 et 20°C.

 

Les images sont en binning 6 et les niveaux poussés au max pour voir la structure.

 

 

On constate deux choses :

- globalement, le bruit n'est pas trop changé

- le dark n'était pas du tout homogène avant, il l'est après, surtout quand la température augmente

 

La plaque de cuivre uniformise donc bien la température du capteur en faisant peut être écran à d'autres composants qui chauffent autour du capteur.

Modifié 22 décembre 2014 par Fred_76

[pagpatrice]

Beau bricolage, c'est sur que ce passer de Peltier + regul ce n'est pas rien

[Fred_76]

Offset

 

L'offset est le point qui a le plus changé avec l'opération, pour deux raisons :

- lors du retrait de la matrice de Bayer, il faut s'approcher de certains composants critiques et cela peut engendrer certaines irrégularités

- pour ajouter la plaque de cuivre, Astroghost a du supprimer le blindage sous le capteur. De plus la plaque de cuivre peut aussi servir d'antenne et amplifier/modifier les ondes dans le boitier et ainsi provoquer quelques perturbations dans le signal

 

La carte d'offset (Bin 6, niveau poussés à l'identique) :

 

 

Ce qui était cependant étonnant, c'était l'offset Avant : il présentait un zonage pas très typique de ce type de bruit pour un Canon (habituellement l'offset montre des bandes verticales, comme sur l'offset Après).

 

---

 

Le temps étant horrible, pas de test possible sur le ciel... pffff

Modifié 22 décembre 2014 par Fred_76

[Fred_76]

...

Modifié 27 décembre 2014 par Fred_76

[Fred_76]

Pas de beau temps pour faire des essais en ciel réel... mais quand aurons nous un ciel correct en Normandie !!!!

 

Ce qui me rassure, c'est que pour ce capteur N&B de 15x22 mm, je n'ai déboursé que 500 EUR contre au moins 5 fois plus avec une caméra CCD spécialisée. Vu le peu de fenêtres ouvertes sur le ciel en Normandie, ça aurait été dommage de dépenser autant.

[Fred_76]

Histogramme des darks / pixels chauds

 

J'ai comparé les histogrammes de darks pris avant/après la débayérisation, avec des poses de 300 s à 800 ISO. On se rend compte que le grattage du capteur a un effet non négligeable :

 

 

La courbe verte est à -20°C environ. Les deux courbes avant/après sont quasiment superposées.

 

Les courbes bleue/rouge sont à +25°C. On se rend compte que la courbe bleue (après débayérisation) se retrouve au dessus de la courbe rouge pour les pixels chauds (à droite de la courbe).

 

Donc la débayérisation a une agressivité qui va augmenter notablement le nombre de pixels chauds. Il est important d'empêcher le capteur de trop chauffer et de ne pas négliger les darks et le dithering.

Modifié 27 décembre 2014 par Fred_76

[Fred_76]

Flat

 

On s'en doute, gratter la surface du capteur pour retirer la matrice de Bayer ne se fait pas sans laisser de traces. Même en allant doucement (les meilleurs résultats sont obtenus en grattant avec une petite baguette en bois), on distingue des traces sur les flats ainsi qu'on peut le voir sur cette image :

 

 

(les tâches noires ou grises sont des poussières sur le capteur)

 

En apparence, ça semble effrayant, mais si on applique le flat sur une image, toutes les rayures disparaissent, comme on peut le voir sur cette image qui met cote à cote les deux mêmes zones d'une photo, avant/après application du flat :

 

 

Un autre endroit de la photo montre comment le flat arrive à retirer les défauts causés par le grattage :

 

Modifié 27 décembre 2014 par Fred_76

[yannp29]

salut fred,

 

voilà qui devrait répondre aux questions de ceux qui voudraient sauter le pas.

On attends le test ultime sur le ciel;)

Yann

[Fred_76]

Bonjour

 

Pas vraiment le temps de faire de l'astro en ces moments de préparation de voyage. Voici cependant les Pléïades et Orion prises sans suivi, avec le boitier sur un simple trépied photo.

 

Pour les Pléïades, 10x4 s à 1600 ISO, soit au total 40 s de poses (curseurs poussés à fond pour distinguer un peu de nébulosité sous Mérope).

Pour Orion, 20x3.2s à 1600 ISO, soit au total 64 s de poses (pas de canasson, mais on distingue la Flamme).

 

 

 

Les images sont réduites pour atténuer le filé du aux poses un peu trop longues. Le chromatisme de l'objectif conjugué à la sensibilité accrue du capteur a aussi étalé les étoiles lumineuses.

[philming]

Interressant.

On peut avoir des infos sur le prix de la manip ?

Je ne cherche pas a debayeriser le capteur, mais par contre le refroidissement ca me tente bien...

[jeremile]

Salut Fred,

Très intéressant toutes ces manips et test.

On attend la suite avec une image faite au newton.

[Fred_76]

Interressant.

On peut avoir des infos sur le prix de la manip ?

Je ne cherche pas a debayeriser le capteur, mais par contre le refroidissement ca me tente bien...

 

Pour les tarifs, il faut contacter directement Astroghost en MP. Ça dépend du boîtier et des travaux à faire.

 

Attention, sur mon boîtier il n'y a pas de refroidissement. Aucun Peltier n'est installé. Il n'y a qu'un radiateur pour favoriser l'extraction des calories et limiter la montée en température du capteur. À priori je gagne environ 12°C.

[Fred_76]

Voici ma première image en Ha avec le 500D débayérisé.

 

Conditions de prise de vue :

- filtre Ha Omega Optical 31.75 mm sur prototype porte filtre clip EOS design Webastro

- 12x5 minutes à 800 ISO + flats/offsets/darks

- alignement avec DSS après conversion des CR2 en FIT N&B avec Iris

 

 

Séance malheureusement interrompue par les nuages... donc seulement 1 heure de poses.

[Fred_76]

On reste en-dessous de ce que donne le gain en superficie sensible. Rouge et bleu : + 300 %, vert : + 100 %. Sans compter que les colorants de la matrice de Bayer absorbent forcément un peu de la bande dans laquelle ils sont censés transmettre, parce que, contrairement à un filtre interférentiel bien conçu, ils n'ont pas de coupure nette aux frontières de ladite bande.

 

On ferait donc plus que doubler la sensibilité s'il était possible d'enlever seulement la couche pigmentée, sans détruire les micro-lentilles.

 

Tu peux tordre les chiffres comme tu veux. Le capteur debayerisé est plus sensible que le capteur couleur ! C'est du concret et mesuré.

 

Tu parles de doubler la sensibilité : c'est quasiment vrai pour le bleu (95%).

 

Alors oui, il pourrait être encore plus sensible si on avait pu conserver les micro lentilles, et il aurait pu l'être encore plus si on avait utilisé un back illuminated !

 

Mais dire que la débayérisation (du 500D au moins) ne fait rien gagner en sensibilité (voire en fait perdre) est faux. Les mesures prouvent le contraire : un gain de 70% par rapport au capteur couleur.

[gastropode]

Tu peux tordre les chiffres comme tu veux. Le capteur debayerisé est plus sensible que le capteur couleur ! C'est du concret et mesuré.

 

Tu parles de doubler la sensibilité : c'est quasiment vrai pour le bleu (95%).

 

Alors oui, il pourrait être encore plus sensible si on avait pu conserver les micro lentilles, et il aurait pu l'être encore plus si on avait utilisé un back illuminated !

 

Mais dire que la débayérisation (du 500D au moins) ne fait rien gagner en sensibilité (voire en fait perdre) est faux. Les mesures prouvent le contraire : un gain de 70% par rapport au capteur couleur.

 

Le capteur d'une camera astro monochrome a un meilleur rendement ?

Et si cette caméra est en mode couleur on doit perdre comme sur les capteurs des APN ?

[gastropode]

Tu peux tordre les chiffres comme tu veux. Le capteur debayerisé est plus sensible que le capteur couleur ! C'est du concret et mesuré.

 

Tu parles de doubler la sensibilité : c'est quasiment vrai pour le bleu (95%).

 

Alors oui, il pourrait être encore plus sensible si on avait pu conserver les micro lentilles, et il aurait pu l'être encore plus si on avait utilisé un back illuminated !

 

Mais dire que la débayérisation (du 500D au moins) ne fait rien gagner en sensibilité (voire en fait perdre) est faux. Les mesures prouvent le contraire : un gain de 70% par rapport au capteur couleur.

 

Le capteur d'une camera astro monochrome a un meilleur rendement ?

Et si cette caméra est en mode couleur on doit perdre comme sur les capteurs des APN ?

[Fred_76]

Le capteur d'une camera astro monochrome a un meilleur rendement ?

Et si cette caméra est en mode couleur on doit perdre comme sur les capteurs des APN ?

 

Oui, une caméra monochrome a un meilleur rendement que la même caméra en couleur. Chaque photosite en N&B capte l'ensemble des longueurs d'ondes qui arrivent dessus. En couleur, il ne capte plus que ce qu'on laisse passer (vert, rouge ou bleu), donc en gros 1/3 de la lumière incidente.

 

Une caméra CCD a aussi intrinsequement un meilleur rendement qu'une caméra CMOS car la zone photosensible est plus grande en CCD qu'en CMOS. En CMOS elle ne fait qu'environ 1/3 de la surface du photosite, alors qu'en CCD on est entre 3/4 et 4/5. C'est pourquoi les constructeurs de capteurs CMOS placent une microlentille au dessus de chaque photosite pour que la lumière soit dirigée vers la zone photosensible.

 

Quand on débayérise un capteur, on retire ces microlentilles avant de retirer la matrice de bayer (les microlentilles sont au dessus). Mais la perte des microlentilles est plus que compensée par le gain de la suppression du filtrage RGB, en tous cas sur le 500D que j'ai pu mesurer. Au final donc, le capteur est plus sensible après qu'avant.

 

Pour l'instant il n'existe pas de caméra capable de faire ET de la couleur ET du noir et blanc. La matrice de bayer ne peut pas se retirer et se remettre comme un simple filtre... Peut être qu'on jour ce sera possible, avec une technologie du genre des capteurs Foveon. Pour l'instant ce n'est pas d'actualité.

Modifié 14 février 2015 par Fred_76

[gastropode]

Oui, une caméra monochrome a un meilleur rendement que la même caméra en couleur. Chaque photosite en N&B capte l'ensemble des longueurs d'ondes qui arrivent dessus. En couleur, il ne capte plus que ce qu'on laisse passer (vert, rouge ou bleu), donc en gros 1/3 de la lumière incidente.

 

Une caméra CCD a aussi intrinsequement un meilleur rendement qu'une caméra CMOS car la zone photosensible est plus grande en CCD qu'en CMOS. En CMOS elle ne fait qu'environ 1/3 de la surface du photosite, alors qu'en CCD on est entre 3/4 et 4/5. C'est pourquoi les constructeurs de capteurs CMOS placent une microlentille au dessus de chaque photosite pour que la lumière soit dirigée vers la zone photosensible.

 

Quand on débayérise un capteur, on retire ces microlentilles avant de retirer la matrice de bayer (les microlentilles sont au dessus). Mais la perte des microlentilles est plus que compensée par le gain de la suppression du filtrage RGB, en tous cas sur le 500D que j'ai pu mesurer. Au final donc, le capteur est plus sensible après qu'avant.

 

Pour l'instant il n'existe pas de caméra capable de faire ET de la couleur ET du noir et blanc. La matrice de bayer ne peut pas se retirer et se remettre comme un simple filtre... Peut être qu'on jour ce sera possible, avec une technologie du genre des capteurs Foveon. Pour l'instant ce n'est pas d'actualité.

 

Merci pour cette réponse compréhensible.

[Fred_76]

Après une interruption de quelques années, j'ai repris un peu goût à l'astrophoto. Le 500D monomod est ressorti du placard et avec un objectif Pentax 645 SMC 150 mm f/3.5 m'a permis de faire cette photo des nébuleuses du Tétard et de l'Étoile flamboyante :

 

 

Et ici les nébuleuses de l'Âme et du Coeur, avec un Canon EF 70-200 f/4L USM à 200 mm :

 

 

 

Dans les deux cas, le matériel se trouvait sur une Star Adventurer Mini et j'avais un filtre CLS-CCD.