In diesem Teil geht es um die Vermessung der Canon 5D Mark II Darks. Schon im vorherigen Beitrag haben wir gesehen, dass bei den CR2 Raw-Dateien die Bias- und Dark-Werte bei ca. 1024 ADU “festgenagelt” sind.
Mittelwert und Varianz der Bias-Daten zeigen dabei wie erwartet keinerlei Temperaturabhängig, die Dark-Daten natürlich schon. Aus der Literatur zu CCD- und CMOS-Sensoren ist zu erwarten, dass sich der Dunkelstrom jeweils in 6-8 K (bzw. °C) Schritten verdoppelt.
Bei den Canon Darks ist das aber etwas komplizierter …
Erstes Problem: wie misst man sinnvoll und überhaupt welche Temperatur?
Eigentlich wäre das ganz einfach, denn die Kamera hat tatsächlich einen Temperatursensor und schreibt den entsprechenden Wert als “CameraTemperature” in die Metadaten. Dies ist jeweils der Messwert zu Beginn einer Belichtung, nicht zum Ende!
Dabei muss allerdings eine Einschwingphase berücksichtigt werden, die in den beiden Grafiken oben für Darks mit einer Länge von 180 s und 360 s zu sehen. Schaut man nur auf “CameraTemperature”, ist der eingeschwungene Zustand relativ schnell erreicht. Eine bessere Sicht liefert allerdings die Auswertung der Varianz (hier einzelne Auswertung eines Bildausschnitts, nicht die Differenzmethode aus dem vorherigen Beitrag). Bei 180s ist erst mit dem 5. Dark der eingeschwungene Zustand erreicht, bei 360s erst mit dem 6.
Und leider sind die “CameraTemperature”-Werte alles andere als zuverlässig. Beispiel: bei einer Umgebungstemperatur von stabil 20 °C (Keller) starten die Werte bei 16-21 und stabilisieren sich im Bereich 28-35, mit einem Modus bei 31-33. Bei einer Umgebungstemperatur von 7 °C mit Tiefstwerten knapp über 4 °C starten die Werte bei 7-17, Stabilisierung bei 18-24, Modus ebenfalls bei 18-24. Das ist unbrauchbar.
Als Referenz wird daher im Folgenden die Umgebungstemperatur bei einigermaßen identischen Bedingungen betrachtet: freie Wärmeabfuhr an der Kamera, aber kein Wind, der zusätzlich kühlen würde. Die “CameraTemperatur” liegt dann im eingeschwungenen Zustand als Schätzwert ca. 12 °C über der Umgebungstemperatur.
Zweites Problem: wie misst man den Dunkelstrom?
Wie beschrieben ist in den Raw-Daten gar kein Dunkelstromanteil mehr zu finden. Aber hier hilft uns die Statistik. Aus der vorherigen Betrachtung kennen wir die Varianz der Dark-Daten:
Und damit den Dunkelstrom bzw. auch diesen pro Zeiteinheit:
Die Erwartung ist, dass DC / t nur von der Temperatur, nicht aber ISO und Belichtungszeit abhängt.
Temperaturabhängigkeit
Für Umgebungstemperaturen von -1 / 7 / 20 °C bei ISO 800 und 480 s ergibt sich die in der Tabelle gezeigte Abhängigkeit, d.h. der Dunkelstrom DC / t verdoppelt sich ca. in 5 °C Schritten. Das ist ein Anstieg in kleineren Schritten als erwartet (6-8), bei anderen ISO-Einstellungen und kürzeren Belichtungszeiten weicht das Ergebnis allerdings kaum von diesem Wert ab.
ISO- und Belichtungszeitabhängigkeit
Basierend auf der Statistik wäre DC / t nicht von der ISO-Einstellung und der Belichtungszeit abhängig. Tatsächlich zeigt sich aber eine Abhängigkeit in der Auswertung.
Im Vergleich ISO 1600 zu ISO 800 bei Belichtungszeiten von 60 und 120 s zeigt sich ein höherer DC / t, + 25 % bei 60 s, + 5 % bei 120 s. Hier ist die Datenlage für definitive Aussagen zu dünn und insbesondere kurze Darks mit 60 s neigen zu Ausreißern.
Im Vergleich der Belichtungszeiten mit einer Ausgangsbasis bei ISO 800, 120 s zeigen längere Belichtungszeiten höhere Dunkelströme. Bei 180-360 s liegt DC / t ca. 9-10 % über dem Referenzwert, bei 480-960 s sogar 34-40 %, mit scheinbar einem deutlichen Sprung zwischen 360 und 480 s.
Ein Erklärung wäre, dass sich bei längeren Belichtungen die Elektronik der Kamera noch stärker aufheizt. “CameraTemperature” liefert dafür keine wirklich belastbaren Anhaltspunkte, in einer Messreihe bei Umgebungstemperatur 7 °C zeigen aber zumindest die Mittelwerte einen Trend von ca. + 2-3 °C bei 60 / 180 / 360 s Belichtungszeit.
Fazit
Analyse des Dunkelstromverhaltens ist ein mühsames Geschäft, die Kamerasoftware rechnet den eigentlichen Dunkelstrom raus, der Temperatursensor liefert keine belastbaren Daten und Belichtungsreihen sind gerade bei längeren Belichtungszeiten schwierig, da ca. 10 Darks im eingeschwungenen Zustand bei gleichbleibender Umgebungstemperatur benötigt werden.
Ergnisse der statistischen Analysen zeigen eine Verdopplung des Dunkelstroms in jeweils 5 °C Schritten, mittlere Belichtungszeiten ergeben ca. + 10 %, lange Belichtungszeiten bis + 40 %.
Bei nächtlichen Temperaturen ist das Dunkelstromrauschen (DC-Varianz) erst bei Belichtungszeiten ab ca. 7 min höher als das Ausleserauschen (Bias-Varianz).