la caméra ZWO ASI224MC: tests préliminaires en ciel profond

Les données techniques de cette caméra sont sur la page caméras planétaires.

Cette caméra planétaire CMOS étonnante et de coût modéré annonce l'astrophotographie du troisième type: la photo du ciel profond avec la résolution de la photo planétaire (en plus de son but principal, la photo planétaire). J'ai effectué des beta-tests (tests avant commercialisation) d'un prototype en juin et juillet 2015. A cette époque, aucune planète n'était visible et on était proche du solstice d'été. Malgré la destination initiale clairement planétaire de cette caméra, ZWO m'a demandé d'effectuer des essais en ciel profond, même si les conditions météo étaient assez médiocres. En novembre 2014, Sony annonçait avoir réalisé avec l'IMX224 le plus sensible et le moins bruité de tous les capteurs existants à cette date (CMOS FSI et format typique PAL).

ZWO's ASI224MC camera: beta testing in deep-sky imaging

Technical data about this camera are available on the planetary cameras page.

This stunning, affordable planetary, CMOS camera states the birth of astrophotography of the third kind: deep-sky imaging with planetary imaging resolution (in addition to its primary goal: planetary imaging). I performed beta tests of a prototype from June to July 2015. At this date, no planet was visible and we were very close to the summer solstice. Despite the fact that this camera is primarily intended to planetary imaging, ZWO asked me to try deep-sky imaging, even in these poor imaging conditions. As of November 2014, Sony claimed that the IMX224 sensor had by far the greatest sensitivity and the lowest noise of all comparable sensors (CMOS FSI for typical PAL format).

A gauche: au Newton 254 (de qualité très moyenne), à droite: au télescope de 3,5 mètres, l'image originale de droite est 5 fois plus grande.

Left: with the 10-in Newton (a very ordinary optical quality); right: with a 3.5-meter telescope, the original image is 5x larger.

Les tests ont été réalisés dans un ciel bien pollué par l'éclairage artificiel et le solstice, avec soit un Newton 254, soit un téléobjectif de 180mm de focale ouvert à f/2,3, sans aucun filtre à l'exception d'une image en H-alpha. Après des séries de tests, suivant les conseils de ZWO et en accord avec les autres testeurs, il s'est avéré que le meilleur moyen de photographier le ciel profond avec cette caméra planétaire était d'accumuler un très grand nombre de poses très courtes à gain faible ou nul (le gain à 76/600 correspond à un gain de 1; un gain de 200 montre très peu de bruit, et la marge reste considérable puisque le gain va donc jusqu'à 600, soit 72 dB !).

The tests were performed under a light-polluted suburban sky in summer soltice with either a 254-mm (10-in) Newton or a 180-mm f/2.3 telelens, with no filter at the exception of an image in H-alpha. After series of tests, in accordance with ZWO's advices and the experience of the other beta testers, the best way to perform deep-sky imaging with this planetary camera proved to be recording a huge number of very short exposures and no or little gain (76/600 is unity gain, 200 shows very little noise, but the margin remains huge with a max gain of 600 = 72 dB !).

La température du capteur est montée jusqu'à 25°C environ en juillet. Je n'ai pas installé le refroidissement (bricolage sur l'ASI120MM) afin de tester la caméra brute. Toutefois une version refroidie par Peltier avec régulation était déjà prévue pour les mois à venir.
Le driver prototype de la caméra a été livré avec quelques problèmes à l'origine: la gestion du mode 12 bits et le décodage de la matrice de Bayer; ce dernier a été résolu temporairement avec un décodage par PIPP et une calibration manuelle. En août 2015, tous les problèmes étaient résolus et la caméra est devenue pleinement opérationnelle.

The sensor temperature was up to 25°C on July. I decided to use the camera with no cooling (the DIY one from the ASI120MM). However the ASI224MC was planned to be provided with a real regulated, Peltier cooling some months later. The prototype camera driver was delivered with some initial issues: 12-bit management and Bayer decoding had some trouble, fixed with PIPP for debayering and manual correction. As of August 2015, all the issues were fixed and the camera was eventually fully operational.

L'avancée marquante est que cette caméra peut fonctionner de différentes manières:

• Imagerie planétaire avec une telle sensibilité, si peu de bruit et une telle facilité d'utilisation qu'après avoir pratiqué avec ferveur l'imagerie RGB pendant 10 années, elle m'a convaincu que les caméras planétaires monochromes utilisées avec WinJupOs (qui est remarquable) et une roue à filtres appartenaient désormais au passé. Je n'ai pas pu photographier les planètes à la date des tests, mais j'ai sérieusement testé l'ASI120MM en planétaire et en ciel profond or l'ASI224MC est meilleure en tout, sauf en résolution à cause de la couleur, mais cela peut être compensé en augmentant le taux d'échantillonnage en augmentant le gain, tout cela avec moins de bruit.
• La bande passante est assez étendue pour la photo en bande étroite dans l'intégralité du spectre habituel. Marc Delcroix a photographié Saturne avec d'excellents résultats dans la bande du méthane et Uranus dans l'infrarouge proche (>685 nm). Le niveau de résultat était comparable à des caméras monochromes de haut de gamme à bande élargie dans le proche infrarouge.
• De plus, j'ai photographié le Triangle de Pickering (découvert en fait par Williamina Fleming mais, comme d'habitude, c'est son directeur d'observatoire qui en a été crédité) en bande étroite avec un filtre hydrogène alpha de 6nm. Les résultats préliminaires ont montré qu'un éventuel refroidissement apporterait un avantage limité car le bruit total reste faible (pixels chauds, offset, bruit thermique éclairant le coin en haut à droite de l'image). Bien entendu, les longues poses ne sont vraiment pas la meilleure utilisation de cette caméra, mais ça marche.
• Ce n'est pas tout: malgré un seuil de détection équivalent plutôt élevé, de nombreux objets du ciel profond sont aisément accessibles pourvu qu'ils soient suffisamment contrastés. Le but n'est pas de tenter de concurrencer une caméra CCD mais la capacité à éviter la turbulence atmosphérique avec des poses très courtes et un bruit extrêmement bas rendent possibles les images du ciel profond avec les techniques de l'imagerie planétaire. Autrement dit, cette caméra permet la photographie du ciel profond à haute résolution. Seule une caméra EMCCD en était capable jusqu'alors, mais pour 25 000 euros de plus...

The breakthrough is that this camera can successfully operate in different ways:

• planetary imaging with such a sensitivity, low noise and incredible ease-of-use that it convinced me, after 10 years of fanatical RGB imaging, that monochrome planetary cameras with the (unvaluable) WinJupOs and filters wheels belong to the past from now on (for amateur, leisure imaging). I could not shoot planets at this date (others did), but I have seriously exploited the ASI120MM in both planetary and deep-sky imaging, and the 224 is better in all aspects, at the exception of accuracy because of the Bayer matrix: nonetheless this may be compensated for with the help of a stronger sampling ratio, more gain and less noise.
• the sensitivity in the whole spectrum is very good. Saturn has been imaged with excellent results in methane (CH4) band and Uranus was shot in near infrared (>685nm) by Marc Delcroix. The images show the same quality as cutting-edge monochrome, NIR-depleted cameras.
• Moreover, I shot Pickering's Triangle (discovered by Williamina Fleming but his director was granted for, as usual.) in narrow band with a 6-nm bandwidth, hydrogen alpha filter. The preliminary result showed that cooling should be a limited asset for long exposures because the overall noise (hot pixels, offset and thermal noise on the upper-right corner) remain low. Of course, long exposures are not the best use of the camera, but this works.
• In addition, despite the ASI24MC show the equivalent of a too-high detectivity threshold level, numerous deep-sky objects are easily accessible as long as they are contrasted enough. The purpose is not to compete CCD cameras but the ability to beat the turbulence with very short exposures and no noise leads to perform deep-sky imaging with the same techniques as planetary imaging. In other words, this camera allows high-resolution imaging of deep-sky objects.

Pour conclure, l'ASI224MC est vraiment une caméra polyvalente: d'un coût abordable, sans nécessiter de refroidissement, la meilleure de toutes les caméras planétaires en septembre 2015 peut aussi être exploitée selon les circonstances en monochrome ou en couleurs, en 8 ou 12 bits, en infrarouge proche ou en imagerie à bande étroite, à haute résolution en ciel profond sur les objets contrastés ainsi qu'en ciel profond en bande étroite en longue pose, même sans refroidissement. Elle n'est probablement pas adaptée à la photo des nébuleuses diffuses étendues ni aux galaxies faibles; cependant les conditions météo médiocres n'ont pas permis de réaliser des essais en profondeur sur ces sujets.

To conclude, the ASI224MC is a really all-purpose equipment: affordable, no mandatory cooling, the very best planetary camera as of September 2015 may be exploited in monochrome or colour, 8 or 12 bits, NIR and narrow-band imaging, high-resolution deep-sky imaging on contrasted objects and narrow-band, deep-sky imaging with long exposures, even with no cooling. It is likely not suited to large, faint nebulae or poorly contrasted galaxies but the bad imaging conditions during summer 2015 did not allow to perform deep-sky imaging in depth.

Pour la comparer à ses concurrentes commercialisées par ZWO au même moment, en termes simples et d'après les données constructeur de Sony:

• L'ASI185MC est la même que l'ASI224MC avec environ deux fois plus de photosites (pas négligeable !), un peu plus de bruit (3,5x plus) et moins de gain (voir les données détaillées dans la page sur les caméras planétaires).
• L'ASI178MC a environ deux fois plus de bruit que l'ASI224MC (ce qui reste très faible) et un gain bien plus faible, mais elle possède un convertisseur 14 bits, 6 mégapixels (saperlipopette) et un plus grand puits de potentiel (grande dynamique). Au premier coup d'oeil, l'ASI178MC devrait être mieux adaptée aux amas ouverts étendus, aux éclipses lunaires et autres sujets à grand champ. D'un autre côté, même si les photosites de l'ASI178MC sont extrêmement petits, ce capteur est de type BSI et le fill factor (surface utile des photosites) est bien plus avantageux; donc cette caméra pourrait se révéler douée en imagerie du ciel profond à large champ, pour une fraction du prix d'une caméra CCD refroidie plus performante.

To be compared to its contemporary competitors from ZWO, in simple words and according to Sony's datasheet:

• the ASI185MC is the same as the ASI224MC with about twofold photosites (not to be neglected !), a little more noise (3.5x more) and less gain (see the page about planetary cameras).
• the ASI178MC has about to times more noise than the ASI224MC (this remains very low) and a lesser gain, but it offers a 14-bit converter, 6 mega pixels (wow) and a large potential well (better dynamic). At a first glance, the ASI178MC should be more suited to large stellar clusters, lunar eclipses and other wide-field subjects. On the other hand, the 178's photosites are very tiny but, as the sensor is backside illuminated and because this leads the photosites to have a better fill factor, the camera could be very interesting for large field, deep sky imaging at a fraction of the cost of a more performing, cooled CCD camera.

Livrée avec:

• objectif grand-angle 2,1mm (environ 150°) à monture C, de très bonne qualité
• câble ST4 pour l'autoguidage
• câble USB-3 d'excellente qualité
• adaptateur 31,75
• pas de vis 42mm
• adaptateur C
• CD avec driver et logiciel
• Mode d'emploi en Anglais
Fenêtre de protection neutre (démontable) L'arrière présente quatre pas de vis M4 et un pas Kodak

Delivered with:

• wide-field (about 150°), very good quality objective lens, with a C mount
• ST4 cable for autoguider port
• "premium" USB-3 cable (very thick and stiff, it's all good!)
• 1'1/4 adapter
• 42mm thread
• CD with driver and user's manual
• clear protection window (removable)
• the rear side has four M4 threads and a Kodak thread.

Images de test ciel profond

Images prises en plein solstice d'été, ciel éclairé de banlieue, magnitude visuelle au zénith typique = 3,5 (pas terrible comme ciel... On a de belles caméras mais on ne peut pas vraiment s'en servir !). Certaines images sont en plein format dans la page "nébuleuses planétaires" et "amas stellaires".

Test images ASI224MC deep-sky

Images taken close to the summer solstice, light-polluted, suburban sky, visual magnitude at zenith is typically 3.5. Some full-format images are shown in the "planetary nebulae" and "stellar clusters" pages.

M57 Newton 254, gain=400, single 5-second exposure. Really astonishing for such a short exposure.

M57 Newton 254, gain=200, single one-minute exposure.

M57 Newton 254, gain=400, 114 x 5 seconds.

M57 Newton 254, gain=200, single, raw (no debayering) 5-minute exposure, totally overexposed.

M57 Newton 254, gain=76, 191 x 5 seconds, 12 bits. Improper colour balance, fixed now with new driver.
Note the details despite the "long" individual exposures.

Comparison of detectivity relative to QHYCCD's QHY6 cooled CCD; note the faint IC1296 spiral galaxy.

M27 Newton 254, gain=76, 409 x 5 seconds, 12 bits.

M11 telelens (180-mm f/2.3), 100 x 10 seconds, 8 bits

M13 Newton 254, gain 200, single 5-second exposure, 8 bits

Same image, levels increased

M13 Newton 254, gain 500, single 500 milliseconds exposure (wahoo), 8 bits.
Noise is conspicious with gain=5/6, but this is genuine, real-time, colour deep-sky imaging...

M13 Newton 254, gain 250, 135 x 2 seconds, 8 bits, no autoguiding

M13 Newton 254, 350 x 10-second exposures, 8 bits.
Note the loss in accuracy because of the turbulence (and rough processing). The best method is definitively acquiring numerous, short exposures with limited gain.

comparison with QHYCCD's QHY5, 200 x 2.5 seconds, 10 bits

comparison with ASI120MM, gain 60, 130 x 10 seconds, 10 bits

M8 low above the horizon and mist, telelens, 150 x 10 seconds, 8 bits

Pickering's Triangle (that is Fleming's Triangle), close to dawn, 24 x 2 minutes, 6-nm bandpass, H-alpha filter, telelens, no cooling, 8 bits