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Matrice CMOS ou CCD
  La firme ZWO a été la première à introduire sur le marché une série de caméras refroidies avec matrice CMOS pour le ciel profond. Les firmes Atik et QHY offrent maintenant cette matrice CMOS Panasonic refroidie dans des modèles de caméras aussi dédiés au ciel profond. Les spécifications techniques sont semblables.

La firme ZWO propose aussi une nouvelle caméra avec une matrice CMOS couleur Sony (IMX294CJK) refroidie pour le ciel profond dont les performances sont meilleures que la matrice CMOS couleur Panasonic. Pour cette raison, cette dernière n'est plus offerte par la firme ZWO.

Dans le but de comparer les performances de ces nouvelles caméras, voici une analyse comparative de caméras à matrice CMOS et CCD.

La présente mise à jour de cette analyse comparative est établie à partir d'une meilleure compréhension du fonctionnement des matrices CMOS qui est plus complexe à saisir que les matrices CCD dû aux options de paramétrage du gain de la caméra. Elle n'est donc pas basée sur les spécifications des fabricants des matrices CMOS qui ont tendance à présenter les meilleures performances sans tenir compte des options d'ajustement du gain nécessaire pour aller chercher les détails de l'objet du ciel profond.

Toutes les caméras analysées ont une matrice au champ large. Il y aura comparaison entre les caméras avec matrice couleur et celle en monochrome. Considérant qu'il y a constamment des innovations technologiques dans ces types de caméras, je mettrai régulièrement à jour cette analyse comparative.

Toutes les caméras CCD sont munies de la populaire matrice Kodak KAF-8300. Considérant l'important volume de vente de ces modèles, ils sont offerts à un prix beaucoup plus bas que les autres matrices CCD au champ large. Il est donc intéressant de comparer leurs performances avec ceux à matrice CMOS dont le prix est encore le plus bas.

Voici donc un tableau permettant de comparer ces différents types de caméras :



Cette évaluation est pour l'utilisation d'une seule caméra pour le grand champ de vision et le ciel profond. Donc, pour une utilisation dans toutes circonstances. Elle favorise donc les caméras avec des pixels plus petits avec une matrice de grande taille permettant un usage pour le grand champ de vision (focale courte). Elle permettra un meilleur échantillonnage. Pour le  ciel profond (longue focale), on devra ajuster l'échantillonnage en utilisant le mode Bin 2x2. Comme l'image sera réduite dans un facteur de 4 dans ce mode, il faut favoriser aussi un plus grand nombre de pixels pour conserver une image de grande dimension pour le ciel profond. Par exemple, une caméra de 8 Mégas pixels (Mp) en bin 1x1 sera de 2 Mp en bin 2x2. Cela évitera ainsi d'acheter deux caméras, une pour le grand champ de vision (courte focale qui est la focale la plus utilisée pour les nébuleuses) et l'autre pour le ciel profond (longue focale qui est surtout utilisée pour les galaxies et les nébuleuses planétaires). Il faut considérer que ce n'est pas la majorité des amateurs qui ont les moyens d'investir dans deux caméras qui représentent un investissement de plus de 2 000 $ par caméra! Pour plus de détails et compréhension sur cet énoncé, voir la section Calculs astronomiques.

Voici la description de certains éléments du tableau :
  • Prix en argent canadien (septembre 2018) : pour les caméras monochromes, j'ai ajouté au prix de la caméra, le prix de la roue à filtre motorisée ainsi que les filtres LRVB.
  • Format - bits : C'est la conversion du signal analogique au format numérique. Pour en savoir plus sur les différents formats d'images, cliquer sur ce lien.
  • Capacité de charge (full weel capacity) : C'est la capacité de charge des signaux lumineux captée par un pixel avant sa saturation (Blooming). Plus le chiffre est grand, meilleure est la plage dynamique (plus grand rapport signal/bruit). On peut comparer la capacité de charge d'un pixel à un seau d'eau, plus celui-ci est profond, plus on peut le remplir avant son débordement, permettant ainsi d'acquérir une plus grande quantité d'information sur l'objet à imager sans saturer les étoiles.
  • Bin 2x2 : cliquer sur ce lien
  • Le refroidissement de la caméra : À chaque refroidissement de 6o Celsius, le bruit diminue de 50%. C'est donc un élément important à considérer lors du choix d'une caméra.
  • Régulation du refroidissement : Cette caractéristique permet de fixer le refroidissement à une température fixe, par exemple -20o Celsius. Cela simplifie grandement la production des Noirs (Darks).
  • Bruit de lecture : Les fabricants de caméras indiquent le bruit de lecture (Read Noice - RMS) en électron (e-). Plus le chiffre est grand, plus il y a du bruit qui s'ajoute à l'image.
  • Rendement Quantique (RQ) : Cliquer sur ce lien
La note pour chaque caméra :

-
Pour chaque élément, l’instrument le plus performant reçoit l’évaluation maximale de 10 ; les autres sont notés au prorata. Pour les formats 12 bits, 14 bits et 16 bits, le calcul est effectué sur la capacité de la matrice à distinguer des nuances différentes dans l'image : 12 bits = 4 096 nuances, 14 bits = 16 384 nuances et 16 bits = 65 536 nuances.
- La Note globale : c'est la moyenne des notes individuelles. La note globale maximale est donc de 10.

Note 1 : Capacité de charge des matrices CMOS

Pour les matrices CMOS, la capacité de charge varie selon l'augmentation du gain (la sensibilité) de la caméra. Par exemple, pour la matrice Panasonic monochrome, à un gain de zéro dB, elle est de 20 000e-. À un gain de 30 dB, elle diminue à environ 500e- seulement ! La capacité de charge du tableau est avec un gain moyen de 15 dB (ou 150 en unité de 0,1 dB) qui donne une capacité de charge d'environ 3 500e- pour la matrice Panasonic monochrome et 10 000e- pour la matrice Sony couleur. Ici, il faut considérer, dans la réalité sur le terrain, qu'il faut toujours augmenter le gain pour aller chercher des détails dans l'objet du ciel profond. En utilisant un gain moyen de 15 dB, cela permet de mieux évaluer les performances réelles des caméras CMOS et non utiliser les spécifications des fabricants qui mentionnent une capacité de charge de 20 000e- à 0 dB pour la matrice Panasonic monochrome et 63 700e- pour la matrice Sony couleur, ce qui est pratiquement impossible à utiliser dans la réalité.

Note 2 :


La matrice CMOS monochrome de Panasonic n'offre pas le bin 2x2 matériel qui permet d'obtenir 4 fois plus de signal que le bin 1x1. Le Bin 2x2 des matrices CMOS permet d'obtenir plus d'images par secondes que le bin 1x1 et son format d'image passe de 12 bits (4 096 nuances) à 10 bits (1 024 nuances seulement). Cette caractéristique n'est donc d'aucune utilitée pour l'imagerie du ciel profond. Elle peut être intéressante pour l'imagerie des planètes en offrant plus d'images par seconde. 

Conclusion de cette analyse comparative

Les matrices CMOS et CCD ont des notes globales équivalentes (5,9 comparé à 5,4 pour les matrices couleur et 7,3 comparé à 7 à 7,2 pour les matrices monochromes). Pour les matrices CMOS, c'est leur prix beaucoup plus bas qui leur permet de gagner des points. À part leur prix, elles demeurent dans l'ensemble moins performantes que les matrices CCD pour le ciel profond.

Les formats (conversion analogique / numérique) de 14 bits et 12 bits des matrices CMOS offrent seulement 16 384 nuances (format 14 bits) et 4 096 nuances (format 12 bits) possibles dans l'image, comparativement à 65 536 pour les matrices CCD (16 bits). Leurs capacités de charge sont de seulement 10 000e- (matrice Sony couleur) et 3 500e- (matrice Panasonic monochrome) à un gain moyen de 15 dB comparativement aux CCD qui ont 25 500e- (les matrices CCD n'ont pas la fonction gain pour amplifier le signal). Elles saturent donc beaucoup plus vite que les matrices CCD, ce qui amène une perte de détails dans les portions sombres (ajout de grains dans le fond du ciel) et claires de l'image telles que les étoiles ou le coeur des galaxies. Le rapport Signal / bruit (S/B) est donc moindre.

Pour les matrices CMOS monochromes, on ne peut pas utiliser le mode Bin 2x2. Je rappelle que le Bin 2x2 permet d'acquérir 4 fois plus de signal que le Bin 1x1 pour un même temps d'exposition. En plus, ce mode permet d'ajuster l'échantillonnage de la caméra selon l'objet à imager (tel que mentionner dans l'énoncé ci-dessus). Les matrices CMOS monochromes sont donc moins polyvalentes que les matrices CCD monochromes et sont ainsi plus dédiées aux focales courtes (grand champ de vision).

Bien que les caméras CMOS sont plus sensibles à la lumière (RQ), cet avantage est perdu par leur format 14 bits et 12 bits qui enregistrent moins de nuances différentes et leurs capacités de charge bien moindre qui amènent une perte de détails dans les portions sombres et claires de l'image en plus d'un rapport S/B plus bas, tel que mentionner ci-dessus.

Toutes les matrices monochromes sont idéales pour la photographie dans un site de pollution lumineuse important en utilisant des filtres à bandes étroites.

En conclusion à cette analyse, les matrices CCD monochromes demeurent plus performantes pour le ciel profond. Elles permettent d'enregistrer plus d'informations sur le faible signal des objets sombres du ciel profond et fournissent une plage dynamique supérieure aux matrices CMOS en plus d'offrir le Bin 2x2 qui permet de quadrupler la sensibilité de la caméra. Donc, si vous avez le budget, préférer les matrices CCD monochromes.




Richard Beauregard
Le Ciel Astro - CCD




Références  

Selon les spécifications des fabricants. Pour les matrices CMOS, j'ai ajusté les spécifications du fabricant ZWO en utilisant un gain moyen de 15 dB. Pour obtenir l'information, j'ai utilisé les graphiques de celui-ci qui sont présentés dans le manuel de l'utilisateur.

Pour le RQ, les valeurs retenues sont pour le rouge à 650 nanomètres, le vert à 550 nm et le bleu à 450 nm permettant ainsi une comparaison entre les caméras. Pour les caméras couleur, le RQ est ajusté de la façon suivante : RQ * 25% pour le rouge et bleu et RQ * 50% pour le vert. 




Créer le 2012/09/19


Réviser le 2019/07/10



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