ATR2110C 科研级深空制冷相机

1 功能描述

ATR2110C(ATR3CMOS02300KPA)是专为天文摄影设计的数码成像设备。它具有大靶面、大像元、高灵敏度的特点,因而非常适合星空直播与流星监控。因为图像传感器冷却后的超低读出噪声和无辉光特性,该相机也可用于深空天体的拍摄。其卓越的表现和广泛的用途将会给予用户非凡的天文摄影体验。

ATR2110C的功能如下:

  • SC2110彩色CMOS图像传感器
  • 分辨率:1920*1200
  • 12微米方形像素
  • 69英寸画幅
  • 12位 ADC
  • 512MB内存
  • 精确的温度调节
  • G灵敏度:120000 mV/Lux s @HCG,10900 mV/Lux ·s @LCG
  • 无辉光
  • 超低噪声:4 到 0.61e-@HCG
  • 支持高帧率模式(8位LCG模式输出下全像素最高帧率120FPS)
  • 最大信噪比:50dB
  • 动态范围:72 dB (线性模式)
  • 短曝光下能够达到低于环境温度35℃的制冷温差/长曝光下能够达到低于环境温度42℃的制冷温差(长曝光指曝光时间长于1秒)
ATR2110C 图1 SC2110图像传感器及其像素结构

2 ATR2110C规格和性能

2.1 相机规格

传感器

思特威SC2110背照式彩色图像传感器

对角线长度

27.4 mm

图像分辨率

230万像素(1920*1200)

像素尺寸

12mm x12mm

画面区域

23.2mm x14.6mm

不同分辨率下的最大帧率 (USB 3.0)

12bit

8bit

85(LCG)/40(HCG) FPS @ 1920*1200

240(LCG)/80(HCG))FPS @ 960*600

120(LCG)/40(HCG)FPS @ 1920*1200

240(LCG)/80(HCG))FPS @ 960*600

不同分辨率下的最大帧率 (USB 2.0)

12bit

8bit

8(LCG)/4(HCG) FPS @ 1920*1200

12(LCG)/4(HCG) FPS @ 960*600

12(LCG)/4(HCG) FPS @1920*1200

24(LCG)/8(HCG) FPS @ 960*600

快门类型

卷帘快门

曝光时间

0.1ms – 3600s

增益

1x – 100x

信噪比

50 dB

动态范围

72 dB (线性模式)

读出噪声

5.01-0.4e-

量子效率峰值

>89%

满阱电荷

17ke-

ADC

12bit

DDR3缓存

512MB (4Gb)

数据传输接口

USB3.0/USB2.0

相机安装接口

M42x0.75mm

前窗保护玻璃

红外截止滤镜/AR增透滤镜

光谱响应范围

380-690nm (装备红外截止滤镜)

相机拍摄/控制软件开发工具包

Windows/Linux/macOS/Android 多平台软件开发工具包(Native C/C++, C#/VB.NET, Python, Java, DirectShow, Twain等。);

拍摄模式

静态照片模式/视频模式

相机尺寸

直径 80mm * 长度107.1mm

相机重量

0.577kg

占用后截距长度

17.5mm

制冷

两级TEC制冷

有效制冷温差

短曝光下低于环境温度35℃/长曝光下低于环境温度42℃(> 1s)

支持的操作系统

Microsoft® Windows® XP / Vista / 7 / 8 / 10 / 11 (32 & 64 bit)

OS x (Mac OS X)

Linux

表1 ATR2110C技术规格

2.2 思特威SC2110 QE曲线

ATR2110C的传感器G灵敏度为120000 mV/Lux·s @HCG,10900 mV/Lux·s @LCG。其QE曲线如 图2所示:

ATR2110C 图2 SC2110 QE曲线

2.3 12位ADC和ROI

ATR2110C输出原生12位ADC。该相机支持硬件像素合并输出模式,硬件像素合并后输出更低分辨率的12bit图像数据。该型号还支持硬件ROI,并且ROI的尺寸越小,帧率越高。

表2显示了ATR2110C在不同分辨率下的12位/8位模式, USB3.0 / USB2.0数据传输接口下的帧率:

数据位 & 接口

帧率(FPS)

分辨率

12bit ADC

8bit ADC

USB3.0

USB2.0

USB 3.0

USB 2.0

1920*1200

85(LCG)

40(HCG/HDR)

8(LCG)

4(HCG/HDR)

120(LCG)

40(HCG/HDR)

12(LCG)

4(HCG/HDR)

960*600

240(LCG)

80(HCG/HDR)

23(LCG)

8(HCG/HDR)

240(LCG)

80(HCG/HDR)

24(LCG)

8(HCG/HDR)

表2 ATR2110C不同分辨率/数据位/数据传输接口 (USB3.0/ USB2.0)下的帧率

2.4 DDR3缓存

ATR2110C相机具有512MB (4Gb) DDR3缓存,有助于保持数据传输稳定性, 并有效减少辉光现象,因为图像数据能被缓存,无需将数据匆忙发送到接收端。

2.5 像素合并

ATR2110C支持从1x1到8x8的数字像素合并(堆叠或平均方法)和从1x1到2x2的硬件像素合并(平均方法)。硬件像素合并的效率远快于软件像素合并。

2.6 增益转换开关

ATR2110C支持HCG、LCG和HDR模式转换。

2.7 用于精确温度调节的电源和冷却系统

请记住,相机系统只能通过DC12V3A的移动电源或电源适配器供电。

ATR2110C的冷却系统为两级 热电冷却 (TEC)系统·,带有可控电风扇辅助散热。

TEC系统由PID算法控制,允许TEC精确调节到目标温度,偏差为0.1°C。

工作温度可调节至特定数值,有效制冷温差可低于环境温度42°C。这种高效的制冷系统保证了相机图像质量的稳定性和质量。

2.8 无辉光特性

ATR2110C经过精心设计,能够实现零辉光照片拍摄。 图3图4 显示了不同相机在 20°C下 5 分钟曝光有/无辉光的图像。 相比之下,ATR2110C捕获的图像并没有辉光现象。

ATR2110C 图 3有辉光
ATR2110C 图 4无辉光

2.9 相机表现分析

相机性能可以通过e-/ADU、读取噪声、满阱电荷和动态范围进行评估。

e-/ADU:用于视觉应用的相机中的传感器具有将入射光子转换为电子的像素。CCD/CMOS相机的增益代表从电子(e-)到数字计数或模数单元(ADU)的转换系数。 增益表达为转换为数字的电子数或每个 ADU (e-/ADU) 的电子数。

读出噪声: 读出噪声 是在读出过程中在相机电子设备内产生的,当电子经过模数转换、放大和处理步骤,才能够产生图像。读出噪声是衡量相机性能最重要的参照。 更低的读出噪声通常意味着更好的信噪比和更高的图像质量。

满阱电荷:电子被保留在每个像素中并转化为电荷,可以测量以显示落在每个像素上的光量。 可能的最大电荷称为“满阱容量”。 在噪声和模数转换器质量等相同条件下,传感器的满阱容量越大,传感器的动态范围就越高。 由于可以制作像素的深度是有限制的,因此满阱容量通常与像素的聚光元件的正面面积成正比。

动态范围: 动态范围是最大输出信号电平与最小信号放大时的本底噪声(本底噪声,即黑色图像中的RMS(均方根)噪声电平)之间的比值。 相机的本底噪声包含传感器读出噪声、相机处理噪声和暗电流散粒噪声。 动态范围 代表相机显示/复现图像中最亮和最暗部分的能力,以及两者之间的变化数量。 理论上说,这是场景内动态范围。 在一张图像中,可能有一部分是死黑的,另一部分是完全过曝的。

对于ATR系列相机, 增益值 处于xxx%模式。这里 xxx 用作描述相机性能的 x 轴(增益值)

ATR Gain formula

以下测试数据均来自SharpCap,相机使用ASCOM驱动进行测试:

用于HCG性能分析的相机设置如下所示:

  • 全分辨率
  • RAW 12 位模式
  • 温度: -10°C
图5显示了表3中相机数据分析曲线:
ATR2110C 图5 ATR2110C的e/ADU、读出噪声、满阱电荷和动态范围

相机分析数据如表3所示:

传感器分析数据

增益值

100

600

1100

1600

2100

2600

3100

对数增益 (dB)

0.00

1.52

2.86

3.94

4.99

5.87

7.5

e-/ADU

0.47

0.4

0.34

0.3

0.27

0.24

0.18

读出噪声 (e-)

0.61

0.56

0.51

0.48

0.47

0.45

0.4

满阱电荷(ke-)

1.9

1.6

1.4

1.2

1.1

1

0.8

动态范围 (stop)

11.63

11.5

11.42

11.32

11.19

11.09

10.98

表3 相机分析数据

用于LCG性能分析的相机设置如下所示:

  • 全分辨率
  • RAW 12 位模式
  • 温度: -10°C
图6显示了表4中的相机数据分析曲线:
ATR2110C 图 6 ATR2110C的e/ADU、读出噪声、满阱电荷和动态范围

相机分析数据如表4

传感器分析数据

增益值

100

600

1100

1600

2100

2600

3100

对数增益 (dB)

0.00

1.4

2.73

3.8

4.83

5.71

7.29

e-/ADU

8.43

7.18

6.16

5.44

4.83

4.37

3.65

读出噪声 (e-)

5.01

4.87

4.81

4.54

4.28

4.11

3.67

满阱电荷(ke-)

17.2

14.7

12.6

11.2

9.9

9

7.5

动态范围 (stop)

11

11

11

11

11

11

10.99

表4 相机分析数据

用于HDR性能分析的相机设置如下所示:

  • 全分辨率
  • RAW 12 位模式
  • 温度: -10°C
图7显示了表5中的相机数据分析曲线:
ATR2110C 图 7 ATR2110C的e/ADU、读出噪声、满阱电荷和动态范围

相机分析数据如表5

传感器分析数据

增益值

100

600

1100

1600

2100

2600

3100

对数增益 (dB)

0.00

1.4

2.73

3.8

4.83

5.71

7.29

e-/ADU

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

读出噪声 (e-)

1.38

1.47

1.61

1.75

1.89

2

1.08

满阱电荷(ke-)

4.1

4.1

4.1

4.1

4.1

4.1

4.1

动态范围 (stop)

11.54

11.45

11.33

11.2

11.09

11.01

11.88

表5 相机分析数据

3 产品包装和连接方式

3.1 包装清单

ATR2110C 图 8 ATR2110C的包装信息

标准封装

A

外箱:L:50cm W:30cm H:30cm (20pcs, 12~17Kg/ carton, 0.045m³),图片中未展示

B

三防箱:L:28cm W:23cm H:15cm (1pcs, 3.9Kg/ box);外箱尺寸:28.2cm W:16.7cm H:25.5cm(TBD),图片中未展示

C

ATR2110C相机本体

D

电源适配器: 输入: AC 100~240V 50Hz/60Hz,输出: DC 12V 3.3A

E

电源线

F

高速USB3.0 A公头转 B公头镀金连接线缆(1.5m)

G

M48M转M42F-0mm接圈

H

M42M-M42F-21mm延长筒(TBD)

I

M42M-M48F-16.5mm延长筒(TBD)

J

M42M-12.5mm接圈

K

相机盖

表6 ATR2110C的包装清单

3.2 相机尺寸和卡口

ATR2110C 图9 ATR2110C的尺寸和卡口

项目

规格

直径

Æ80mm

高度

107.1mm

卡口

M42Fx0.75mm

表7 ATR2110C 的尺寸和卡口

3.3 相机外观和接口

ATR2110C 图10 相机外观和接口

项目

规格

1

保护窗:黑白相机为AR增透滤镜,彩色相机为红外截止滤镜。

2

M42Fx0.75螺纹

3

散热口

4

指示灯:1) 电源指示灯。2) 系统指示灯。3)制冷指示灯。4)风扇指示灯

5

DC 12V 3A 电源端口5.5x2.1mm

6

进气口

7

USB 3.0/ USB 2.0 端口

8

USB 2.0 集线器

表8 相机外观和接口列表

3.4 相机接口转接方案

ATR2110C可以使用合适的接环连接到望远镜或者镜头。最常见的接环已经包含在包装中,但我们也会根据需求提供特定的接环。

内螺纹法兰的厚度为17.5mm,即相机占用的后截距为17.5mm。ATR2110C带有 M42x0.75 接口,可以通过M42×0.75的螺纹直接连接到望远镜。

ATR2110C还可以通过M42M-1.25“或M42M-2”接环连接到使用1.25“或2”目镜的望远镜。 图10 显示了相机和接环的连接。将接环拧到相机上后,相机可以插入望远镜的目镜管。表9 列出了相机和接环的详细信息。

ATR2110C 图11 ATR相机与接环的连接

项目

规格

占用后截距长度

17.50mm

M42M-1.25"接环

M48M-1.25"接环适配带有1.25"接口的望远镜

M42M-2"接环

M42M-2"接环适配带有2" 接口的望远镜

表9 相机与其适配接环的连接

3.5 相机与镜头的机械连接

图12显示了ATR相机与镜头的连接。表9列出了连接的各项参数。
ATR2110C 图12 ATR相机与尼康F卡口/佳能EF卡口镜头的连接

项目

规格

1

Nikon F-M42转接环(TBD)

2

EOS EF-M42转接环

3

尼康F卡口镜头

4

佳能EF卡口镜头

5

ATR相机,带 M42Fx0.75接口

表10 相机与镜头的连接

3.6 相机与电子附件的连接

在ATR2110C相机的背面,有三个连接端口:DC 12V/3A电源端口,USB3.0/ USB2.0端口以及USB集线器。

由于 SC2110明显较大的电量消耗, ATR2110C (包括其冷却系统)目前只能由12V/3A电源供应驱动。USB3.0不再作为电源端口运作,而是仅作为一种数据传输方式。USB集线器能够与其他设备连接,使用户有效避免混乱的线缆管理。一旦另一台设备通过USB集线器连接到相机,那么它将通过相机上的USB3.0/USB2.0 端口连接到计算机设备。

ATR2110C 图13相机电子端口连接

项目

规格

USB3.0/USB2.0 端口

使用USB3.0/USB2.0线缆连接到计算机

USB集线器,用于配件连接

使用USB2.0线缆连接到滤镜轮

使用USB 2.0线缆连接到导星相机

电源端口

DC12V/3A

表11 相机电子端口连接细节

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