Linearität und Sättigung mit der ASI 174 MCC

Den im Anhang zum DSLR-Handbuch der AAVSO beschriebenen Linearitätstest habe ich mit der ASI 174 MCC gemacht. Statt ISO 100 habe ich 0 Gain benutzt. Die Temperatur des Sensors wurde auf -5°C fixiert um gleichbleibende Ergebnisse zu erhalten. Als Objektiv diente das Samyang f = 85 mm bei Blende 16. Als gleichmäßig beleuchtete, weiße Fläche diente eine Projektionsleinwand, die von der Deckenlampe beleuchtet wurde. Die Aufnahmen wurden mit SharpCap gemacht, wobei nur die zentralen 320 x 240 Pixel gespeichert wurden. Der Mittelwert dieser Pixel (berechnet von Fitswork in den RAW-Bildern) war dann der Meßwert:

Mittelwerte der gemessenen Helligkeiten in ADU in
Abhängigkeit von der Belichtungszeit in Sekunden

Bis etwa 32 Sekunden Belichtungszeit ist der Anstieg linear, dann setzt die Sättigung ein. Die Leinwand war nicht ganz gleichmäßig hell, bei den längeren Belichtungszeiten gab es neben gesättigten Bereichen auch noch ungesättigte Bereiche auf der Leinwand (vollständige Sättigung ist erst bei 4095 ADU erreicht).

Im zweiten Teil des Tests werden die Abweichungen von der Linearität berechnet. Der gerade Teil der Meßkurve schneidet die y-Achse bei 12 ADU. Dieser Wert wird von allen Meßwerten abgezogen und das Ergebnis durch die Belichtungszeit geteilt. Das ergibt jeweils den Meßwert in ADU pro Sekunde. Für eine Belichtungszeit von 20 Sekunden betrug dieser Wert 101,85 ADU pro Sekunde. Von allen Werten wurde 101,85 abgezogen, das Ergebnis durch 101,85 geteilt und dann mit 100 malgenommen um die Abweichungen in Prozenten zu erhalten:

Abweichungen von der Linearität in Prozenten in
Abhängigkeit von der Belichtungszeit in Sekunden

Von 6 bis 30 Sekunden sind die Abweichungen kleiner als 1%. Bei 32 Sekunden beträgt die Abweichung 1,08%, danach wird die Sättigung deutlich sichtbar. Der Abfall bei den kurzen Belichtungszeiten ist auch in der Abbildung im AAVSO-Handbuch deutlich sichtbar:

Im Handbuch wird vermutet, daß bei den Belichtungszeiten von weniger als 10 Sekunden die tatsächliche Belichtungszeit geringfügig kürzer als die eingestellte Belichtungszeit gewesen ist. Wie dem auch sei, es gibt einen großen Bereich mit guter Linearität. Ein Fehler von weniger als 1% entspricht ja einer Größenklassendifferenz von weniger als 0,01 mag.

Auf Bildern des Sternhimmels sollten im linearen Teil des Sensors die Differenzen zwischen den Kataloghelligkeiten (V) und den gemessenen instrumentellen Helligkeiten (v) konstant sein. Die Kataloghelligkeiten haben meistens Fehler von 2% - 5%, kleine Abweichungen von der Linearität sind so nicht zu erkennen. Aber solche Messungen sind sinnvoll, um herauszufinden ab welcher Sternhelligkeit die Sättigung des Sensors die Messungen verfälscht.

Am 10.10.2018 habe ich mit dem Samyang f = 85 mm, Blende 1,4 bei 300 gain Serien von jeweils 60 x 2 Sekunden von der Umgebung von CY Aqr gemacht. In vier Summenbildern habe ich die Helligkeiten von jeweils 21 Sternen mit dem Aperture Photometry Tool gemessen und die Erbnisse gemittelt. Die angezeigten Meßfehler waren etwa halb so groß wie Standardfehler der Kataloghelligkeiten. Der Verlauf (V-v) über V sieht so aus:

Die Sättigungsgrenze liegt hier bei 8,5 mag für Bilder mit dem Samyang f = 85 mm, Blende 1,4, 300 gain und 2 Sekunden Belichtungszeit. Die ausgewählten vier Bildserien vom 10.10.2018 sind bei einer Höhe von 35° über dem Horizont gemacht worden, also mit einer Extinktion von etwa 0,16 mag.

Für die Ermittlung der Sättigungsgrenze bei 200 gain habe ich vier Summenbilder vom 05.10.2018 von der Umgebung von XX And benutzt. Sie liegt in der Nähe von 7,5 mag mit dem Samyang f = 85 mm, Blende 1,4, 200 gain und 2 Sekunden Belichtungszeit. Die Bilder wurden bei einer Höhe von 38° über dem Horizont gemacht, also mit einer Extinktion von etwa 0,14 mag.

(V-v) über v mit 200 gain. Die drei Werte für 9,0/8,5/8,0 sind die Mittelwerte von fünf in diesem Bereich gemessenen Sternen.

Für die Ermittlung der Sättigungsgrenze bei 400 gain habe ich vier Summenbilder vom 03.11.2018 von der Umgebung von 43 Ariadne benutzt. Sie liegt bei 10,0 mag mit dem Samyang f = 85 mm, Blende 1,4, 400 gain und 2 Sekunden Belichtungszeit. Die Bilder wurden bei einer Höhe von 35° über dem Horizont gemacht, also mit einer Extinktion von etwa 0,16 mag.

(V-v) über v mit 400 gain. Die Kataloghelligkeiten für Sterne schwächer als 10 mag sind aus APASS DR10, für die helleren Sterne von Tycho2.

Übersicht über die Ergebnisse mit dem Samyang 85 mm, Blende 1,4 und 2 Sekunden Belichtungszeit:

Auffällig ist, dass die Differenzen beim Zeropoint (V-v für ungesättigte Sterne) nahezu gleich sind mit 1,23 und 1,2 mag. Bei den Sättigungsgrenzen sind die Differenzen 1,0 und 1,5 mag - im Mittel also 1,25 mag. Das paßt ganz gut zusammen. Eine Größenklassendifferenz von 1,23 mag entspricht einem Intensitätsfaktor von 3,1, während eine Differenz von 100 gain einem Faktor 2 entspricht.