Canon EOS 40D

Comparaison des paramètres clefs du EOS 40D, EOS 20D, EOS 400D et EOS 350D :
(le bruit et le gain électronique sont des paramètres mesurés, voir le protocole ici)

EOS 40D, EOS 20D, EOS 400D and EOS 350D comparison for key parameters:
(noise and electronic gain are measured, see protocol here)

Une différence importante entre le 40D et le 350D/400D (mais aussi 20D, 30D, ...) est le passage à un codage sur 14 bits. Ces 14 bits sont réellement observés sur les RAW décodés du 40D. Cette performance nous approche très près de celle rencontrée dans les caméras CCD astronomique. C'est une avancée essentielle, qui fait du 40D un vrai instrument de mesure, notamment en photométrie stellaire (voir les conditions d'usage ici).

Pour couvrir la dynamique de codage de 14 bits sur le 40D les ingénieurs de Canon ont clairement multipliés la gain électronique par 4 par rapport au 350D/400D (codage du 12 bits). Le bruit de lecture du 40D augmente dans une proportion un peu plus faible, et donc, sur des poses très brèves (rarement rencontrées en astronomie), le rapport signal sur bruit dans les images délivrées par ce boîtier est légèrement amélioré par rapport aux modèles antérieur (de l'ordre de 20% environ par rapport au 400D, ce qui n'est pas négligeable).

Le niveau d'offset (bias) est aussi multiplié par 4 dans le 40D par rapport aux autres caméras testés (8 par rapport au 20D). Ce n'est pas une surprise compte tenu de l'augmentation du gain. Cela n'affecte que très marginalement la dynamique globale du 40D (rapport entre le signal effectivement enregistré et le bruit de lecture).

An important difference between the 40D and the 350D/400D (but also 20D, 30D) is the adoption of the 14 bits coding. These 14 bits are really observed on the decoded 40D RAW. This performance very close approaches that met in astronomical CCD cameras. It is an essential advance, the 40D is now a precision instrument, in particular for stellar photometry (see use conditions here).

To cover the 14 bits coding dynamics the Canon engineers clearly multiplied the electronic gain by 4 compared to the 350D/400D (12 bits coding). The readout noise of the 40D increases in a proportion one little weaker, and thus, the signal to noise ratio delivered is slightly improved (about approximately 30% compared to the 400D, a not negligible gain).

The offset level (or bias level) is also multiplied by 4 in the 40D compared to the other cameras tested. It is not a surprise taking into account the increase in the gain. That affects only most marginally the total dynamics of the 40D
(relationship between the max signal actually recorded and the readout noise).

La table ci-après donne les coefficients mutiplicatifs à appliquer aux canaux rouge, vert et bleu après développement des fichiers RAW pour que l'image qu'un écran blanc (type Spectralon) éclairé par le Soleil soit restitué de couleur blanche. Rappellons que la distribution spectrale de la lumière solaire est voisine de celle d'une étoile de type G2V. Noter que ces coefficients ne sont valides que pour des boitiers non modifiés (le filtre de réjection infrarouge est d'origine) :

The table below gives mutiplicative coefficents to be applied to the red, green and blue channel after development of RAW files so that the image of a white screen (standard Spectralon) illuminated by the sun light is restored of white color (note that these coefficients are only valid for unmodified cameras) :

Les images ci-après illustrent l'effet de l'accroissement du gain de la chaine vidéo du 40D par rapport au 400D sur des images stellaires (acquises en milieu urbain - magnitude limite de 2.5 à l'oeil nu). Pour un même temps de pose et une même "sensibilité" ISO, l'image 40D apparaît 4 fois plus dense que l'image 400D (mais attention, rappelez-vous que le bruit augmente aussi d'un peu moins d'un facteur 4 dans l'image du 40D par rapport au 400D) :

The images below illustrate the effect of video gain increase for the 40D relative to the 400D on stellar images (acquired in suburban environment - 2.5 limit magnitude with the naked eye). For the same exposure time and the same ISO sensitivity, the 40D image appears 4 time denser than the image 400D (but the noise increases also a little less than one factor 4 in the image of the 40D compared to the 400D):

Les mêmes images sont montrées ci-dessous, mais cette fois, l'intensité de l'image acquise avec le 40D a été divisée par 4 par un moyen logiciel. L'aspect des deux images 400D et 40D devient alors très proche. Mais il existe une différence importante : si l'image 40D avait été réalisée directement avec la sensibilité de 100 ISO, la dynamique d'image serait effectivement 4 fois plus élevée que celle notée avec le 400D. C'est un point importabt en astronomie. Nous y reviendrons plus loin.

The same images are shown below, but this time, the intensity of the image acquired with the 40D was divided by 4 (software arithmetic operation). The aspect of 400D and 40D images becomes very close now. But there is an important difference: if the 40D image had been carried out directly with the 100 ISO sensitivity, the dynamics of image would be indeed 4 times higher than that noted with the 400D. For astronomical imagery the dynamics is very important parameter…

Le rendu de couleur entre ces images est similaire. Le déficit de rouge est bien visible dans l'image de la nébuleuse M27 (les raies [0III] et Hbeta donnent la couleur bleu-vert constatée). Le 40D coupe toujours la raie Halpha de l'hydrogène à 656 nm. Il faudra attendre l'arrivée de boîtier modifier (changement ou retrait du filtre de coupure IR d'origine) pour que le 40D s'exprime réellement dans le domaine de l'imagerie des nébuleuses d'émission.

The color rendition between these images is similar. The red color deficit is quite visible for the M27 nebula image (the [0III] and Hbeta lines give the blue-green noticed color). The 40D cut always the hydrogen Halpha line at 656 nm. It will be necessary to wait the arrival of modify DSRL (change or remove the internal IR-cut filter) so that the 40D is really expressed in the field of emission nebulae imagery.

La figure suivante montre une autre comparaison entre le 400D et le 40D. L'optique est un objectif Canon de 135 mm de focale f/2 (utilisé à pleine ouverture). Les conditions d'acquisition et les seuils de visualisation sont strictement identiques. La visualisation est linéaire (pas de courbes log, gamma, DDP, etc, appliqué). La balance du blanc est corrigée en utilisant les coefficients donné précédemment, et propres à chaque caméra. La balance du blanc est appliquée sur l'image 48 bits issues du développement du RAW (au préalable, celui-ci a été traitée de manière habituelle - offset, dark, flat-field). Une constante distincte est ensuite ajoutée aux composantes R,V et B pour obtenir un fond de ciel d'un gris neutre (commande BLACK sous Iris).

The following figure shows another comparison between 400D and 40D. The lens is a Canon 135 mm f:2L (used at full aperture). The acquisition conditions and the visualization thresholds are strictly identical. Visualization is linear (not log curves, gamma, DDP, etc, applied). The white balance is corrected by using the coefficients given previously, and specific to each camera. The white balance is applied to the 48 bits image after RAW development (before, this one images are prepocessed by an usual way - offset, dark, flat-field). A specific constant is then added to the each RGB components to obtain a neutral gray sky background (command BLACK under Iris).

Images 400D et 40D pour un même temps de pose mais une "sensibilité" ISO différente.
400D and 40D images for the same exposure time but for a different ISO setting.

Dans le document précédent il est important de voir que l'accroissement en sensibilité constaté pour le 40D n'est qu'apparent. Il n'est que la conséquence du surcrois de gain de la chaine vidéo du 40D, qui n'a qu'un impact faible en pratique à partir du moment ou le bruit de signal ou thermique domine le bruit de lecture (c'est le cas ici). Le bruit et le signal sont multipliés par 4 dans l'image du 40D, et donc, le rapport signal sur bruit est le même dans ces deux images. Pour s'en rendre compte, on peut, par exemple, ressérer les seuils de visualisation dans l'image du 400D (d'un facteur 4 par rapport au niveau moyen du fond de ciel). Les deux images apparaissent maintenant très proches d'aspect l'une de l'autre.

In the preceding document it is important to see that the sensitivity increase noted for the 40D is only apparent. It is only the consequence of the increase of the 40D's video electronic gain, which has only one weak impact if the noise signal (photon noise) or thermal noise dominates the readout noise (it is the case here). The noise and the signal are multiplied by 4, and thus, the signal to noise ratio is the same on these two images. For the figure below, the visu contrast of the 20D is increased relative to the gain difference. The two images appear now very close.

Images du 400D et du 40D, mais avec des seuils de visualisation adaptés pour le 400D afin d'aboutir au même contraste (le contenu interne de l'image n'est pas modifié).

Dans le document suivant nous avons mis cote à cote les images 20D, 400D et 40D du même champ, acquises avec l'objectif de 135 mm f/2 et avec le même temps de pose. Les seuils de visualisation sont strictement identiques. Le seul écart est que les images 20D et 40D ont été acquises avec la "sensibilité" ISO (gain interne de la caméra en fait) de 400 pour le premier et 100 ISO pour le second (noter la légère différence d'échelle compte tenu de la plus grande dimension des pixels du 20D) :

In the following document, 20D, 400D and 40D of the same field are compred (135 mm f/2 lens and same exposure time). The visualization thresholds of are strictly identical. The only difference is that the 20D and 400D images were acquired with the ISO “sensitivity” (internal camera gain in fact) of 400 and the 40D image was acquired with the ISO “sensitivity” ISO (note the effect of different size of pixel on the image scale):

Canon a assez bien compensé la perte de sensibilité potentiellement lors de la réduction de la taille des pixels du 40D par rapport au 20D en améliorant le rendement global de détection de ces pixels. Mais on regrette tout de même cette course aux petits pixels (à même taille de pixel que le 20D, en intégrant les progrès technologique implementée dans son capteur CMOS, le 40D verrait son rendement grimper très significativement... dommage que le marketing gouverne les bureau d'études !).

La figure ci-après montre les mêmes images mais dans une version noir et blanc (le résultat d'une simple addition des canaux RVB) et en négatif. Cette représentation est instructive car elle permet de mieux appréciser le bruit et la détectabilité (capacité à voir des étoiles faibles) :

The figure below shows the same images but in a black and white version (the result of a simple addition of RGB channels) and negative visu. This representation is instructive for appreciate detectivity (capacity to see faint stars):

Ces images permettent de constater qu'il y a fort peu différence dans la capacité de détection entre les générations d'APN. Il faut souligner cependant un écart important avec le 40D, du fait qu'ici l'appareil est réglé à 100 ISO, alors que le réglage est à 400 ISO avec le 20D/400D. Le signal enregistré est certe le même dans ces situations, mais la naunce est que le 40D code celui-ci sur 16384 pas codeurs (ADU) alors le 20D/400D ne code que sur 4096 pas codeur. La dynamique du 40D est bien multiplée (approximativement) par 4 par rapport aux boitiers précédents.

There is very little difference in the detection capacity between the generations of APN. But it is necessary to underline an important difference: the 40D coding dynamic is of 16384 ADU then the 20D/400D codes only on 4096 ADU.

Au passage, tachons de tordre le cou à une idée reçue et tenace ! A partir du moment où on travaille avec des fichiers RAW et dans la plupart des situations de l'imagerie faible flux avec un appareil numérique, le choix des ISO n'a quasiment pas d'impact sur la "sensibilité" de la caméra (sa "détectivité"). Vous verrez les mêmes étoiles, y compris les plus faibles possibles, que l'appareil soit réglé à 100 ISO, 200 ISO, 400 ISO, ... La raison est liée à la nature même des bruits qui affectent une image du ciel profond : le bruit dominant est le plus souvent le bruit de signal du ciel (bruit de photon). Les exceptions sont l'observations au travers d'un filtre étroit spectralement (interférentiel) ou en spectrographie, car alors le fond lumineux est très faible. Mais même dans ces situations, le bruit d'origine thermique, tout de même présent dans les APN à cause de l'absence de refroidissement, joue encore pour réduire l'importance de la "sensibilité" ISO. La situation est encore plus claire avec le Canon 40D, dont le réglage interne à gain fort nous place plus directement dans le régime du bruit de signal, ce qui est optimal en terme de détectivité.

En cas de doute, les images ci-dessous font office de démonstration. L'observation en question est réalisée dans des conditions urbaines avec un objectif Canon 135 mm f/2. La seule différence entre chaque image est la sensibilité ISO affichée sur le boîtier. Cinq clichés élémentaires posés chacun 2 minutes sont additionnés. Le prétraitement est standard (une carte du signal thermique spécifique est utilisée pour chaque sensibilité ISO). Les seuils de visualisation sont choisis avec des valeurs proportionnelles à la sensibilité ISO afin de donner le même aspect aux images lors de l'affichage. On note que la détectivité dans ces images est extrêmement proche ! L'augmentation de la sensibilité ISO n'a ici que pour seul effet de réduire la dynamique de l'appareil photo (saturation des parties de haute lumière). Voir ici un autre exemple, numérique cette fois, faisant intervenir le rendement quantique absolu. Alors pourquoi, cette notion de ISO à la vie dure et perdure en photographie numérique ? Parce que les appareils sont très largement utilisés pour produire des images directement exploitables en format JPEG. Faire entrer toutes les nuances des images dans leur diversité dans 8 bits de codage seulement, même en modifiant la table de transcodage (les courbes reliant l'information enregistrée et celle qui est restitué), est une opération difficile pour le concepteur de boîtier photo. La notion de sensibilité ISO, pur héritage de la photographie sur film, demeure utile dans ce cas, et même indispensable. C'est aussi bien sur une notion très familiaire des photographes "diurnes". Mais lorsqu'on dispose de toute l'information délivrée par le détecteur électronique sous une forme linéaire (fichier RAW),, que le bruit de lecture est très discret (cas des boîtiers Canon), et que bien sur, on est en capacité d'exploiter toute la substance d'un fichier brut, alors la notion gain ISO est quelque peu obsolète. Du reste, dans la plupart des caméras CCD astronomiques de qualité, le gain n'est même pas réglable !

Effet du réglage ISO avec un Canon 40D : 100, 200, 400, 800 ISO (voir le texte).

La table ci-après donne le bruit de lecture du 40D mesuré en fonction de la sensibilité ISO pour un temps de pose très bref (de 1/4000 s) en obscurité. C'est la fluctuation aléatoire dans l'image lorsqu'elle est réalisée dans le noir avec un temps d'exposition si bref que le bruit thermique est insignifiant. The table below give the measured readout noise relative to the ISO sensitivity (for very short dark exposures, 1/4000 s, so the thermal noise is not significant).

Le graphe suivant montre, pour une pose de 300 s à une température ambiante de 23°C, la distribution du nombre de pixels chauds dans l'image (signal thermique). La sensibilité est réglée à 400 ISO pour le 350D et le 400D et à 100 ISO pour le 40D (afin de tenir compte de la différence de gain des chaînes vidéo). Le 400D montre le signal thermique le plus élevée. La meilleure performance est atteinte par le 40D, dont le capteur CMOS semble bénéficier d'une fonderie de fabrication soignée. Le fait que le capteur CMOS du 400D voit ces performances dégradée par rapport aux générations précédentes est déjà signalé ici.

The following graph shows, for an exposure of 300 sec. at an ambient temperature of 23°C, the distribution of the number of hot pixels in the image (thermal signal). The sensitivity is fixed to 400 ISO for the 350D and the 400D, and to 100 ISO for the 400D (in order to take into account of the gain difference of the video chains). The 400D shows the highest thermal signal. The best performance is reached by the 40D (the better electronic fundry). The 400D thermal signal problem is adressed here.

Les images d'obscurité ne montrent pas la moindre trace de halo lumineux associés aux circuits du CMOS (ce problème est réglé chez Canon depuis le 400D).

Le panneau de commande du 40D à subit des modification très intéressantes et importantes pour l'astronomie :

The dark images do not show trace of luminous glow associated the circuits of the CMOS circuits (this problem is fixed by Canon since the 400D).

The control panel of the 40D contain very interesting and important modifications for astronomy:

Le panneau de "remote control" du Canon EOS 40D. En arrière fond, l'image qui vient juste d'être traitée sommairement sous Iris
après extraction du fichier RAW (pose de 30 secondes du champ de M27 avec un objectif Canon 85 mm f/1.2L utilisé à f/2.0).
The “remote control” dialog box of the Canon EOS 40D. The foreground image has been just fast processed under Iris software
after extraction of the RAW data (30 seconds exposure of the M27 field's with a Canon lens 85 mm f/1.2L used at f/2.0).

Le transfert des images RAW entre le boîtier et le PC est très rapide. Avec la liaison USB2 d'un PC Duo Centrino 2Ghz, Vista, le temps de transfert est inférieur à 2 secondes !

La possibilité de lancer depuis l'ordinateur des poses longues supérieures à 30 secondes sera s'en doute l'une des nouveauté les plus appréciée. Jusqu'alors, le pose B (Bulb) était interdite en remote, ce qui obligeait à utiliser des interfaces annexes pour réaliser des poses longues. Les choses sont bien plus simple à présente. Le logiciel de pilotage fourni un mode intervalomètre qui met en application la pose B. Il est a present possible de programmer le nombre d'images, la durée d'exposition (supérieure à 30 secondes donc si on le désire), un intervalle entre les images. C'est rudimentaire, mais parfaitement opérationnel et très pratique en attendant que d'autres logiciels de pilotage mis à jour soit disponibles. Associé à la vitesse de transfert très haute, c'est ajout logiciel procure un confort d'utilisation indéniable du boîtier EOS 40D.

The transfer of RAW images between the DSRL and the PC is very fast. With USB2 connection, a Centrino Duo PC 2Ghz + Vista, the transfer time is lower than 2 seconds!

The possibility of expose more then 30 seconds by using the computer is one of the most appreciated innovation. An external setup is now not necessary for long exposure. The things are much simpler now (only the USB2 link is necessary). The Canon software provided a intervalometer mode which applies theBulb exposures. It is now possible to program the number of images, exposure time (higher than 30 seconds if you like), an interval time between the images. It is rudimentary, but perfectly operational and very practical while waiting for that other updated driving softwares are availables. Associated with the high speed of transfer, the software Bulb exposure give an appreciated user comfort.

Une autre nouveauté marquante est l'apparition du mode "live view". Dans ce mode, le miroir reflex du boîtier est relevé et le capteur est lu comme on le ferait avec le capteur d'une caméra vidéo. Une image rafraîchie en temps réel peut être affichée sur l'écran. Elle est très pratique pour réaliser des prises de vue difficiles, à bout de bras par exemple. Mais en astronomie, l'intéret premier est l'aide à la focalisation. C'est intéret est d'autant plus grand que Canon a eu le très bonne idée de permettre la visualisation de ce signal temps réel sur l'ordinateur relié via l'interface USB.

Another outstanding innovation is the “live view”. In this mode, the reflex mirror is raised up and the sensor is in continous reading regime (as a video camera). The image refreshed in real time can be seen on the LCD, but it is also possible to shows the "live view" output by using the PC (via USB interface). For astronomical application the focusing assistance is the primer application.

L'écran LiveView recopié sur l'ordinateur. Il est possible d'ajouter un cadrillage pour améliorer le cadrage. Il semble que la possibilité
d'enregistrer des films vidéo soit prévu à terme, mais elle n'est pas encore opérationnelle...
The LiveView on the PC computer (note the grid option).

Pour faciliter la mise au point, il est possible d'agrandir fortement une partie de l'image (il est facile de sélectionner la zone de son choix). Cette fonction prend tout son poids dès que l'on réalise que Canon a prévu depuis la même interface la commande électrique de la mise au point si on utilise un objectif photo. La commande est très précise, même avec les optiques les plus ouverte. Avec un tel système, la mise au point considérablement facilité et on n'hésite pas à la vérifier souvent. Le contrôle à distance du boîtier est quasi total.

For facilitate focusing operation, it is possible to strongly enlarge a part of the image (it is easy to select the zone of your choice). Also Canon software offer the possibility to control the electrical focusing of photographic lens. The function is very precise and useful. The remote control of the DSRL is now total.

Le champ de l'étoile Altair (l'objet brillant au centre) tel qu'il apparaît en temps réel avec un objectif de 85 mm f:1.2.
The Altair star field (the bright object near the center). 85 mm f:1.2 lens.

Le champ LiveView de l'amas des Pleiades (M45) lorsque le boîtier Canon EOS 40D est équipée d'un objectif Canon 135 mm f:2L.
Cette image permet d'apprécier la magnitude limite atteinte. Il n'est pas difficile de trouver une étoile dans le ciel pour focaliser.
The LiverView image of open cluster M45 (Pleaides). The 40D is equiped with a 135 mm f:2L Canon lens.
The limiting magnitude can bee appreciated.

La focalisation avec LiveView et une optique AF. A gauche, l'image est clairement défocalisée. A droite, le point est fait. L'opération ne dure qu'une poignée de seconde et elle est très fiable.
Focusing with LiveView and an AF optics. Left, the image is clearly out of focus. On the right, is now very sharp. The operation take only fliew seconds and it is highly reliable.

Ajoutons pour finir que le mécanisme d'obturation du 40D a été entièrement revu. Il est extrêmement doux et les modes d'obturation dits "silencieux" laisse espérer un niveau de vibration très bas en imagerie haute résolution. Il est bien sur possible de relever le miroir reflex avant une pose, mais aussi de déclencher à partir du mode LiveView (peut être est-il possible de surveiller en partie les trous de turbulence avant de déclencher - à tester).

Consulter aussi cette page qui donne des informations sur les performances du 40D modifié en retirant l'un des filtres interne de coupure infrarouge.

Pour conclure, le 40D n'apparait pas moins ou plus sensible que les appareils de la génération précédente pour les applications faibles flux. Sont attrait n'est pas a rechercher de ce coté là. La possibilité de commander des poses longues à partir de l'interface USB et le mode LiveView sont en revanches de grandes avancés. Le codage sur 14 bits a un intéret un peu plus marginal, mais après tout, bon a prendre. A l'usage, le 40D s'approche fort des caméras CCD spécialisée. C'est la première fois que j'ai vraiment ce sentiment ! La plupart des caméras CCD sont même dépassée sur certains points (vitesse de transfert des images, visualisation temps réel du champ). Tout ceci dans un boîtier au prix raisonnable, bien fini et qui fait de belles photos de tous les jours. Le EOS 40D, le boîtier de la maturité !

Let us add to finish that the obturation mechanism of the 40D was entirely re-examined. It is extremely soft and “quiet” obturation modes are probably efficient for high resolution images.

To conclude, the 40D does not appear less or more sensitive than the preceding DSRL generation for faint flux applications. But the 14 bits coding, the possibility of long exposure starting from interface USB and the LiveView mode are real advances. The 40D approaches CCD cameras and It is nearly the first time that I have really this feeling! The majority of cameras CCD are even exceeded on certain points (transfer speed of the images, real time Live View). All this in a reasonable price. The camera is well finished and makes beautiful photograph of the every day. The EOS 40D, the DSRL camera of maturity!

	CANON 350D	CANON 400D	CANON 20D	CANON 40D
Surface sensible Effective sensor size	22.2 mm x 14.8 mm	22.2 mm x 14.8 mm	22.5 mm x 15.0 mm	22.2 mm x 14.8 mm
Nombre de pixels Pixel number	3456 x 2304	3888 x 2592	3504 x 2336	3888 x 2592
Taille des pixels Pixel size	6.4 microns	5.7 microns	6.4 microns	5.7 microns
Conversion A/D A/D conversion	12 bits	12 bits	12 bits	14 bits
Gain électronique inverse à 400 ISO Inverse electronic gain @ ISO 400	2.67 electrons/ADU	2.74 electrons/ADU	3.06 electrons/ADU	0.78 electrons/ADU
Bruit de lecture à 400 ISO (RMS) Readout noise @ ISO 400 (RMS)	3.00 ADU (or 8.0 e-)	2.54 ADU (or 7.0 e-)	2.35 ADU (or 7.2 e-)	8.38 ADU (or 6.5 e-)
Niveau moyen du signal d'offet Mean level of offset signal (bias)	256 ADU	256 ADU	128 ADU	1024 ADU

	400D	20D	40D
Canal rouge (red channel)	1.56	1.56	1.47
Canal vert (green channel)	1.00	1.00	1.00
Canal Bleu (blue channel)	2.27	1.78	2.08

100 ISO	200 ISO	400 ISO	800 ISO	1600 ISO
5.74 ADU	6.40 ADU	8.38 ADU	13.08 ADU	22.06 ADU