COMPARAISON DES CANON 40D, 50D, 5D ET 5D Mark II
CANON 40D, 50D, 5D, 5D Mark II COMPARISON

1. PARAMETRES OPTO-ELECTRONIQUE (OPTO-ELECTRONIC PARAMETERS)

Notes. La caméra QSI-532 est un modèle monochrome, à refroidissement thermo-électrique, spécialement conçue pour l'imagerie faible flux (pour une application astronomique par exemple). Le deteteur est un CCD Kodak KAF-3200ME, au rendement quantique particulièrement élevée. ADU = Analog Digital Unit (i.e. des comptes numériques). Pour trouver le gain électronique inverse à une "sensibilité" ISO autre que 400 ISO, utiliser la formule : gain_XXX ISO = (400 ISO/XXX ISO) x gain_400 ISO. Par exemple, le gain électronique inverse du 50D à 100 ISO est égal à 400/100 x 0.57 = 2.28 électrons/ADU. Le signal thermique apparent (en nombre d'électrons par seconde) est déduit d'une analyse statistique de longues poses prises dans le noir juste après la mise en route de l'appareil. Il faut souligner que le signal d'obscurité est très dépendant de la température du détecteur (voir la figure 1).

Notes: The QSI-532 is a high quality CCD monochrome camera, thermo-electrically cooled, specially designed for faint flux imagery (astronomical application for example). The detector is a high quantum efficiency CCD (Kodak KAF-3200ME). ADU = Analog Digital Count. For compute the inverse electronic gain at XXX ISO "sensitivity" use the relation: gain_XXX ISO = (400 ISO/XXX ISO) x gain_400 ISO. For example, the inverse electronic gain of 50D at 100 ISO is 400/100 x 0.57 = 2.28 electrons/ADU. The apparent thermal signal (electron rate per second) is derived from statistical analysis of long exposures dark frame taken just after power on. The dark signal rate is very dependant of detector temperature (see figure 1).

Fig 1. Dark signal versus detector temperature
A gauche, extrait d'une image RAW du signal d'obcurité prise avec le 5D Mark II juste après la mise en route.
A droite, une image prise dans les mêmes conditions après 10 minutes de LiveView.  Dans les deux cas le
temps de pose est de 300 secondes. La température du détecteur est montée et le signal thermique est 5 fois plus élevée
après une longue session de visualisation LiveView..
Left, part of a RAW image taken in the dark with the 5D Mark II just after power on.
Right, the same part after 10 minutes of LiveView display. The exposure time is 300 seconds for the
two situations. The dark signal increase by a factor 5 after a long LiveView session.

2. RENDEMENT QUANTIQUE (QUANTUM EFFICIENCY)

Les courbes suivantes permettent de comparer le Rendement Quantique (QE) absolu des caméras 40D, 50D, 5D et 5D Mark II. En bonus : le QE du 40D après le retrait dur filtre interne de réjection infrarouge (couche 1). Le QE est le taux de conversion entre les photons incidents et les photo-électrons produits dans le détecteur. Les courbes sont déduites d'une comparaison spectrophotométrique avec comme référence la caméra QSI532 (CCD Kodak KAF-3200ME) en utisant le spectrographe LISA et un jeu de filtres interférentiels étroits. La précision de mesure est estimée à +/-15%. Le "Pixel Quantum Efficiency" est l'efficacité d'un pixel isolé. Le "Geometric Quantum Efficiency" prend en compte l'organisation de Bayer du détecteur. Considerons un structure élémentaire CFA (Color Pixel Array) de 2x2 pixels. Nous avons un pixel pour coder le rouge, deux pixels pour coder le vert et un pixel pour coder le bleu, si bien que le rendement quantique effectif est réduit d'un facteur 0.25, 0.50 et 0.25 respectivement pour les bandes rouge, verte et bleu.

The following curves compares absolute Quantum Efficiency of cameras 40D, 50D, 5D and 5D Mark II. Also a bonus: the Quantum Efficiency of a 40D with IR-cut filter removed. The curves are derived from spectrophotometrics comparison with the QSI532 as a reference (CCD Kodak KAF-3200ME) by using LISA spectrograph and set of narrow filetrs. Accuracy is problably +/-15%. The Pixel Quantum Efficiency is the efficiency of an isolated pixel. The Geometric Quantum Efficiency take into account the Bayer organisation of the detector. Consider a 2x2 CFA (Color Filter Array) elementary structure. We have one pixel for the red channel, two pixels for the green channel and one pixel for blue channel, so because the Bayer organisation the effective QE is reduced by a factor 0.25, 0.50 and 0.25 pixel respectively for red, green and blue spectral bands.

Fig 2. Quantum efficiency of Canon 40D and Canon 50D

Fig 3. Quantum efficiency of Canon 5D and Canon 5D Mark II

Fig 4. Quantum efficiency of Canon 40D and Canon 40D modified

Fig 5. Quantum efficiency comparison with KAF-32000ME CCD

Notes. L'amélioration du détecteur du 50D par rapport au 40D permet de compenser entièrement la réduction de la taille du pixel (de 5,7 microns à 4,7 microns). C'est une belle prouesse pour le 50D. Actuellement, le détecteur le plus performant de la gamme Canon testée est celui qui équipe le 50D (plus grande densité de pixels sans que la détectivité en souffre). Remarquer l'accroissement du rendement entre le détecteur du 5D et celui qui équipe le 5D Mark II, sans toutefois que ce dernier bénéficie de la technologie du 50D. Dommage et regrettable ! Toute catégorie confondue, on mesure le gouffre qui s'épare les capteurs équipant les APN et un bon détecteur CCD monochrome. Sans modification du boitier reflex, le rendement du pixel n'est que de 5% pour le 5D Mark II et de 7% pour le 40/50D au niveau de la raie de l'hydrogène Halpha. Il chute à 1,3% et 1,8% seulement à 6563 A si on considère qu'un pixel sur quatre est capable d'enregister la couleur rouge (à comparer au rendement de 80% du KAF-3200ME). On peut pondérer ce constat en soulignant qu'avec un détecteur monochrome il sera nécessaire de réaliser trois images successives si le but est d'obtenir une image couleur (dans ce cas précis, le rendement du capteur monochrome diminue donc d'un facteur 0,33 environ si le but est de faire une image polychromatique, alors le capteur de l'APN va saisir l'image couleur en une fois). Si en outre le champ image couvert entre en ligne ce compte (pour un programme de surveillance du ciel ou pour simplement couvrir une vaste zone du ciel avec des optiques de courte focale), alors un Canon 5D voit son rendement croitre de plus d'un facteur 5 par rapport à la caméra QSI532. En revanche, pour réaliser un sondage profond en imagerie stellaire ou pour une une application spectrographique, un CCD tel que le KAF-32000ME sera bien plus efficace. Il n'y a donc pas de réponse définitive pour juger la qualité des uns et des autres car tout est question du besoin.

Notes. The improvement of the 50D detector's with regard to the 40D compensate completely the pixel size reduction (5,7 microns to 4,7 microns). It is a beautiful performance for the 50D. At present, the most successful detector of the of tested series in the 50D CMOS. Notice the performance increase between 5D and 5D Mark II, without however that this last one benefits from the technology of the 50D. Regrettable! We measure also the abyss which separates the CMOS APN technology and a (very) good monochrome CCD detector (but it is necessary to take three sucessives images for color images... application are not the same !). 

3. EXEMPLE D'APPLICATION

On observe une nébuleuse diffuse dans le raie OIII de l'oxygène (5000 A de longueur d'onde environ) avec un fond de ciel supposé parfaitement noir. Supposons de plus qu'une surface de 1 seconde d'arc carré de cette nébuleuse envoie 0,5 photon toutes les secondes de temps dans l'ouverture du télescope.

Quel va être le rapport signal sur bruit d'une pose de 10 minutes réalisée avec un Canon 50D ?

Il nous faut connaitre la surface angulaire couverte sur le ciel par un pixel du détecteur. Supposons que compte tenu de la focale du télescope, l'angle sous-tendu par un pixel soit de 2 secondes d'arc. Une structure CFA élémentaire de 2x2 pixels (1 pixel R, 2 pixels V et 1 pixel B) represente alors une surface angulaire sur le ciel de 16 secondes d'arc carré ((2 x 2)x(2x2)).

Le nombre de photons reçus par seconde de temps dans la cellule CFA sera donc de 0.5 x 16 = 8 photons par seconde.

Au bout de 10 minutes de pose (600 secondes) le nombre cumulé de photons arrivant dans la structure CFA est de 8 x 600 = 4800 photons.

On relève sur la figure 1 le rendement quantique géométrique vers 5000 A pour la couche verte dans le cas du 50D. On trouve QE = 16%.

Le nombre (S) de photoélectrons est donc 4800 x 0.16 = 768 électrons.

En négligent le signal thermique, le rapport signal sur bruit (S/B) peut écrire :

Tous les paramètres sont connus (en particulier le bruit de lecture ou RON pour Read Output Noise via la table de la section 1).

Supposons qu'on travaille à 400 ISO, alors le bruit de lecture pour le 50D est de 4.9 électrons. D'où

Il est important de noter que le bruit de lecture est totalement négligeable ici. Ce sera du reste fort souvent le cas ! Par voie de conséquence, il faut souligner que le rapport signal sur bruit dans le fichier RAW ne dépend pas de la sensibilité ISO contrairement à ce que le bon sens pourrait laisser croire. Dès lors que l'on exploite les fichiers RAW sans passer par le JPEG (c'est le cas en imagerie astronomique avec les outils logiciels dédiés), que l'on soit à 100 ISO ou à 400 ISO dans le périmètre de l'exemple présenté (très courant), à savoir de régime de bruit de photons, le rapport signal sur bruit ne change quasiment pas.

Il est instructif de calculer le signal observé en comptes numériques (ADU). Par exemple à 400 ISO le gain électronique du 50D est de 0.57 électrons/ADU, d'où le signal observé en pas codeur par pixel de la couche verte :

Le facteur 2 dans la formule tiens compte du fait que l'on a deux pixels vert par structure CFA élémentaire.

Refaisons le calcul à 1600 ISO. Dans ce cas le gain électronique inverse est de 0.1425 élecrons/ADU, d'où

A 1600 ISO le signal est apparemment plus important, l'image parait mieux posée. Mais non, ce qui compte pour le calcul du rapport signal sur bruit se sont les valeurs du signal en électrons. A 400 ISO ou à 1600 ISO, le rapport signal sur bruit sera toujours de 27. En revanche, vous perdez de la dynamique d'image à 1600 ISO puisque vous vous approchez plus vite de la saturation. Donc ici, vous avez tout à perdre à utiliser 1600 ISO plutot que 400 ISO.

Observons le même objet dans les mêmes conditions, mais cette fois avec un Canon 5D Mark II. Puisque par rapport au 50D la taille du pixel passe de 4.7 à 6.4 microns, nous capturerons 1.85 fois plus de photons (ce coefficient est dans le rapport des surfaces des pixels) avec le 5D Mark II, soit 8900 photons là ou le 50D n'en voit que 4800. En même temps, le rendement quantique à 5000 A du 5D MarkII est de 14% (16% pour le 50D - noter aussi au passage que le progrès du 5D Mark II se fait particulièrement sentir par rapport au premier 5D à cette longueur d'onde). Finalement, avec le 5D Mark II, le S/B atteint 35, ce qui est un relatif progrès si on considère en même temps la perte de résolution spatiale induite par l'usage de pixels plus gros (voir la figure 6). A titre d'exercice, vous pouvez vérifier que le rapport signal sur bruit avec la caméra QSI-532 approche 80.

Fig 6. De l'importance de la résolution spatiale sur la quantité d'information acquise.
(l'optique est un 85 mm f/1.2, fermé à f/4)

Que se passe-t-il si la source prise en exemple est 10 fois moins intense ou que le temps de pose n'est que de 60 secondes ? Le bruit de lecture commence à pointer dans ces conditions. Mais les flux considérés sont alors très faibles (on peut les rencontrer, par exemples, en imagerie avec des filtres spectraux nébulaires très étroits car la brillance du fond de ciel est peu génante, en spectrographie ou quant le temps de pose est définitivement trop court par rapport à la brillance de l'objet visé). On entre alors en régime de bruit de lecture. Dans ce cas particulier, le bruit (en électrons) des APN testés diminuant alors que le gain ISO augmente, il y a intéret à augmenter la sensibilité ISO (la dynamique du signal n'est pas un problème puisque par définition, il n'y a quasiment plus de signal). Cette réduction du bruit en augmentant les ISO est dûe à une composante du bruit indépendante du gain et dont l'importance relative diminue lorsqu'on augmente le gain.

Si vous désirez tenir compte du bruit du signal thermique dans le calcul du rapport signal sur bruit, il faut utiliser la formule :

avec t, le temps de pose en seconde, et Nd, le taux de signal thermique par seconde (électrons par secondes, voir la tableau de la section 1).

Le rendement quantique est un paramètre fondamental entrant dans la définition de la qualité d'un détecteur photonique, d'où l'importance de l'évaluer et j'espère, l'intéret pour vous de cette note.

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