Debayeryzacja kolorowych matryc i STARVIS 2

[Kacper R.]

Ze względu na znacznie większą dostępność dedykowanych kamerek do astrofotografii z monochromatycznymi CMOSami, brak dostępności matryc do nowszych modeli kamerek/lustrzanek oraz wysokie ryzyko uszkodzenia matrycy przy usuwaniu maski Bayera tradycyjnymi metodami popularność tej modyfikacji spadła znacząco względem jej popularności jeszcze kilka lat temu (która i tak nie była wysoka). Niestety sytuacja może się zmienić jeśli plotki o wyjściu na rynek nowych matryc z serii STARVIS o zwiększonej czułości w dalekiej czerwieni i bliskiej podczerwieni, których premiera prawdopodobnie nastąpi w ciągu kilku miesięcy. W związku z tym zdecydowałem się na opublikowanie tutaj posta zbiorczego o debayeryzacji matryc (co będzie jednym z moich pierwszych postów na forum i pierwszym od co najmniej 3 lat). Z góry przepraszam za wszystkie nieścisłości/błędne informacje które mogły znaleźć się w treści posta.

Pomimo tego, że to nie jest tematem posta rozpocząłbym od opisu tego czym mają być nowe matryce. Obecnie prawie wszystkie najpopularniejsze CMOSy od Sony wykorzystywane w astronomii (m.in. IMXy 290, 178, 226, 571 i 455) są Starvisami. Względem innych matryc od tego samego producenta wyróżniają się przede wszystkim wysokim QE i niskimi szumami odczytu, a niektóre z nich także 14-bitowym ADC. Jednymi z największych wad tej serii jest osiąganie maksymalnej sprawności dla niewielkiej długości fali (około 400 nanometrów) co przekłada się na gorsze rezultaty w fotografii w dalekiej czerwieni i bliskiej podczerwieni. I właśnie ze względu na to nowe matryce STARVIS 2 prawdopodobnie będą interesującymi alternatywami dla obecnie dostępnych na rynku odpowiedników.

Matryce STARVIS 2 (których obecnie jedynym dostępnym przykładem jest IMX 462) zachowują zdecydowaną większość charakterystyk jednocześnie sprawdzając się sporo lepiej przy większej długości fali. QE prawdopodobnie będzie wynosić ok 90% dla długości fali 800 nm (maksymalna wartość), osiągając prawdopodobnie co najmniej 70% dla 500 nm i zachowując ponad 50% dla 950 nm (dane ze stron producentów kamerek z IMXem 462). Około 3 miesięcy temu pojawiły się plotki o zbliżającym się wypuszczeniu na rynek całej serii matryc wykonanych w tej technologii. Niestety wg. nich wszystkie modele mają być dostępne tylko w wersji kolorowej. Licząc wszystkie matryce zawarte w tych plotkach spodziewane dostępne modele STARVISów 2 to:

- IMX 462 (już dostępny, UWAGA: model jest pierwszą generacją, natomiast jest pierwszym modelem oznaczonym jako NIR Enchansed) - 1920x1080 pikseli o boku 2,9 mikrometra, przekątna 6.5 milimetra, 12-bitowe ADC (Wszystko takie samo, jak w IMXie 290)
- IMX 585 (oficjalnie zapowiedziany przez Sony) - 3856x2180 pikseli o boku 2,9 mikrometra, przekątna 12.84 milimetra, 12-bitowe ADC
- IMX 527 - 4096x2700 pikseli o boku 5.8 mikrometra, przekątna 28.5 mm, 14-bitowe ADC
- IMX 487 - 4140x2760 pikseli o boku 8.7 mikrometra, przekątna 43.3 mm, 14-bitowe ADC
- IMX 678 (zapowiedziany przez Sony) - 3840x2160 pikseli o boku 2.0 mikrometra, przekątna 8.86 mm, 12-bitowe ADC
- IMX 662 (zapowiedziany przez Sony) - 1920x1080 pikseli o boku 2.9 mikrometra, przekątna 6.45 mm, 12-bitowe ADC
- dwie niesprecyzowane matryce o rozdzielczości 4.1 megapiksela, typu 1/1.8 i 1.1
- jedna niesprecyzowana matryca o rozdzielczości Full HD, typu 1/1.2

Źródło informacji o nowych matrycach: Sony Alpha Rumors

To teraz czas na właściwą część posta czyli wzmianki o samej debayeryzacji matrycy. Większość wspomnianych tutaj metod będzie opisywana bardzo pobieżnie ze względu na duże ryzyko zniszczenia/uszkodzenia matrycy, niebezpieczeństwo z nią się wiążące lub stopień skomplikowania samej procedury.

Najstarsze i jednocześnie najbardziej ryzykowne są czysto mechaniczne metody usuwania maski Bayera. W praktyce polegają one na zdjęciu warstwy szkła chroniącej matrycę i polerowaniu lub zdrapywaniu jej dość miękkim narzędziem (w praktyce najczęściej wykorzystywane do tego były drewno lub kawałek aluminium) do momentu całkowitego usunięcia warstwy pokrywającej samą matrycę. Niestety ta metoda nie tylko jest czasochłonna ale prawie zawsze wiązała się ze zniszczeniem co najmniej kilku pikseli a także wiąże się z dużym ryzykiem uszkodzenia złotych przewodów znajdujących się na brzegach matrycy nawet w przypadku zabezpieczenia ich klejem/żywicą.

Kolejnym nieopłacalnym przynajmniej w skali detalicznej jej usunięcia jest wykorzystanie ablacji laserowej (przy użyciu lasera azotowego). To podejście wykorzystuje bardzo niską przepuszczalność wszystkich trzech kolorów filtrów dla bliskiego ultrafioletu. Laser generuje impuls o ściśle określonej mocy, co powoduje doprowadza do ich odparowania. Problemami tutaj spotykanymi są głównie wysoka cena sprzętu umożliwiającego jej przeprowadzenie (liczona często nawet w dziesiątkach tysięcy złotych) oraz konieczność dokładnego dopasowania mocy lasera. Względnie niewielkie przekroczenie mocy wymaganej do oczyszczenia powierzchni matrycy może doprowadzić do wypalenia pikseli, co w praktyce oznacza konieczność poświęcenia co najmniej jednego sensora w celu kalibracji lasera. Samą procedurę można zobaczyć np. tutaj: https://www.youtube.com/watch?v=y39UKU7niRE

Obecnie najmniej ryzykowną dla sprzętu, mało czasochłonną i wymagającą względnie niewielkich nakładów finansowych metodą debayeryzacji matryc jest użycie substancji umożliwiającej rozpuszczenie (lub roztworzenie) maski Bayera nie uszkadzając przy tym samej elektroniki. Próby zastosowania tej metody wśród amatorów miały miejsce od dłuższego czasu, jednak większość metod stosowanych na początku przez amatorów okazywała się nieskuteczna (np. rozpuszczalnik nitro rozpuszcza jedynie mikrosoczewki pozostawiając samo CFA nietknięte) lub zbyt niebezpieczne (pierwszą substancją wykorzystywaną amatorsko skutecznie roztwarzającą CFA był roztwój pirania, który z oczywistych przyczyn nie jest substancją z którą ktokolwiek lubi pracować).

Przełomem w debayeryzacji okazała się publikacja tego badania z 1997 roku oraz ten artykuł wykorzystujący lekko zmodyfikowaną wspomnianą wcześniej metodę. Z posta na cloudynights koncentrującego się na tym temacie wynika, że czysty N-Metylopirolidon nawet w wysokich temperaturach jest w stanie znacząco zmiękczyć materiał tworzący CFA, natomiast jego mieszanina z 2-(2-Aminoetoksy)etanolem jest w stanie całkowicie go rozpuścić (przynajmniej w przypadku większości matryc od Sony).

Streszczenie procesu przedstawionego w powyższych linkach:

Potrzebne narzędzia/substancje:
- mieszadło magnetyczne, najlepiej z płytą grzewczą
- matryca przeznaczona do debayeryzacji
- rozpuszczalnik będący w stanie rozpuścić maskę Bayera (w artykułach wspomniany jest DuPont Posistrip ECK 830, natomiast inne mieszaniny N-Metylopirolidonu z 2-(2-Aminoetoksy)etanolem jak i inne "positive photoresist removers" powinny również zadziałać z porównywalną skutecznością, chociaż to obecnie tylko hipoteza - nie spotkałem się z żadnym przypadkiem wykorzystania ich do tego celu).
- urządzenie umożliwiające podgrzanie matrycy/szkła do niej przylegającego oraz oddzielenie szkła od matrycy
- rozpuszczalnik umożliwiający wyczyszczenie matrycy z zastosowanego wcześniej rozpuszczalnika

Sam proces jest nadspodziewanie prosty i polega jedynie na oddzieleniu szkła od matrycy, podgraniu rozpuszczalnika (W przypadku ECK 830 zalecana jest temperatura w zakresie 70 do 100 stopni celcjusza), zanurzeniu matrycy w podgrzanym rozpuszczalniku oraz mieszaniu jej przez kilkadziesiąt minut (sam proces powinien być wykonany 2 lub 3-krotnie) a następnie oczyszczeniu samej matrycy przy użyciu innego rozpuszczalnika (lub innych rozpuszczalników).


Na koniec standardowo dopiszę, że wspomniane wyżej czynności nie powinny być wykonywane w zamkniętych pomieszczeniach, a sam nie ponoszę odpowiedzialności za ewentualne uszkodzenia sprzętu spowodowane próbami jej zastosowania (co więcej do tej pory sam nie miałem okazji jej przetestować).

Ps.  nie miałem pewności czy umieścić ten post tutaj, czy w subforum poświęconym astrofotografii. Mam nadzieję, że znalazł się w dobrym miejscu.

EDIT: Z góry przepraszam za długość posta oraz niewłaściwie sformatowany tekst. Później postaram się coś z tym zrobić.

 

Edytowane 3 Grudnia 2021 przez Kacper R.

[Behlur_Olderys]

33 minuty temu, Kacper R. napisał:

Maksymalne QE prawdopodobnie będzie wynosić ok 90% na długości fali 800 nm, osiągając prawdopodobnie co najmniej 75% dla 500 nm i zachowując ponad 50% dla 950 nm

 

34 minuty temu, Kacper R. napisał:

IMX 527 - 4096x2700 pikseli o boku 5.8 mikrometra, przekątna 28.5 mm, 14-bitowe ADC

Warto czekać! Oby jeszcze ktoś kamerę zrobił z tego

 

 

 

Co do samego "przepisu" - niedoczytałem, czy w procesie rozpuszcza się tylko CFA, czy też mikrosoczewki?

Z tymi przyrządami, rozpuszczalnikami itp. przydałby się jakiś @dobrychemik 

[Kacper R.]

Godzinę temu, Behlur_Olderys napisał:

Co do samego "przepisu" - niedoczytałem, czy w procesie rozpuszcza się tylko CFA, czy też mikrosoczewki?

Z tymi przyrządami, rozpuszczalnikami itp. przydałby się jakiś @dobrychemik 

Ogólnie to sam o tym nie napisałem. Sytuacja wygląda tak, że to zależy od kamery. Soczewki są typowo bardziej miękkie i łatwiej rozpuszczalne od CFA pomijając to, że zwykle soczewki są na CFA.

W przypasku STARVISów jeśli dobrze pamiętam sytuacja wygląda inaczej, bo one w ogóle nie mają soczewek, więc chyba tylko CFA.

Odnośnie IMXa 527 właściwie prawie pewne jest to, że jeśli w ogóle będzie dostępny, to ZWO i QHY zrobią z nim kamerę w ciągu kilku miesięcy. Bardziej martwiłbym się o to, że okaże się być tylko fałszywym alarmem. Póki co tylko IMX 585 jest potwierdzony :/ EDIT: Jednak 678 i 662 też.

Edytowane 30 Listopada 2021 przez Kacper R.

[Kacper R.]

Aktualizacja dotycząca błędów i informacji o których nie miałem pojęcia pisząc posta (prawdopodobnie to jedyna aktualizacja która pojawi się jako osobny komentarz, ze względu na ważne informacje):

Przede wszystkim wbrew temu co napisałem Sony klasyfikuje IMXa 462 jak i jego bliźniaczą konstrukcję - IMXa 515 jako STARVISy 1. W praktyce są one raczej ogniwami pośrednimi i są bardziej zbliżone do STARVISów 2 (mają zdecydowaną większość cech dwójek jak np. maksimum czułości matrycy przesunięte do bliskiej podczerwieni i niższe szumy odczytu wynoszące maksymalnie ok. 1 elektronu dla trybu wysokiego gainu, podczas gdy dla 1 ta wartość wynosiła zwykle co najmniej 1,5). Niestety nie mam pojęcia czym będą różnić się od pozostałych modeli.

Drugą informacją są dodatkowe informacje na temat QE tych matryc. Zakładając maksymalne QE dla IMXa 462 wynoszące 90% (o czym informację znalazłem w jednym, niezbyt wiarygodnym źródle) ich QE będzie wyglądać +/- tak jak na wykresie dołączonym do posta.
Wykres powstał na skutek nałożenia wykresów dostępnych na stronie ZWO dla kamer zawierających te matryce. IMX 571 ma zdecydowaną większość parametrów bardzo zbliżoną do wszystkich nowszych STARVISów 1.

 

EDIT: Te modele o maksimum QE przesuniętym mocno w stronę podczerwieni są oznakowane przez producenta jako "NIR Enhanced". Wszystkie z nich łączą w sobie opisane wyżej cechy charakterystyczne identyfikujące STARVISy 2. Niestety ciągle nie jestem w stanie niczego znaleźć czy różnią się modele NIR Enchansed pierwszej generacji od modeli drugiej generacji.

Drugi załączony obraz to niemodyfikowany screen z porównania ze strony producenta.

Edytowane 3 Grudnia 2021 przez Kacper R.

[MaciejW]

Kiedyś robiłem właśnie eksperymenty z rozpuszczalnikami, jako, że mam bardzo bogaty wybór w pracy. Moje obserwacje są podobne: aprotyczne polarne rozpuszczalniki działały najlepiej. Czyli właśnie NMP, który wspomniałeś, ale też pirazyny, pirydyny czy też łatwiejszy do kupienia DMSO. Nikon D40 bardzo ładnie się czyścił, jednak jakieś inne matryce od kamerek internetowych już niestety nie bardzo. Ciekawy pomysł z mieszaniną, dzięki za wartościowy post