Spektrometriä mielis

[jaava]

Vertailin histogrammeja kun raw-kuvat oli ajettu mediaanisuodattimen läpi (se ei vaikuta kauheasti histogrammiin), tilanteeseen kun raw kuva on "tasokenttäkorjattu" (Flat Field Corrected = FFC) (tietääkö joku virallisemman suomennoksen?):

Kuva: Histogrammit: Vasemmalla mediaanisuodatettu, oikealla tasokenttäkorjattu. Harmaat pystyviivat on 1000 ADU:n välein.

Oiskos tuosta tasokenttäkorjatusta nyt sitten auttavaan spektrin muodostukseen, kun sen ensin muuntaa harmaasävykuvaksi.

[jaava]

On jonkinlaisia ongelmia ottaa kunnollista tasokenttäkuvaa (flat field) Kaiserin valopöydästä.

Olen ottanut 101 spektrikuvaa ja suodattunut niistä (smooth) raw-tiedoston, joka pitäisi nyt tasokenttäkorjata kunnollisella tasokenttä-datalla. Kuvat on otettu aukolla 2.8, valotusajalla 0.3s ja ISO arvolla 100.
Nyt pitää saada tasokenttäkorjaustermien laskentaa varten dark frame kuvat joissa (valotusaika 0.3s ja ISO 100), joka onnistui helposti. Mutta valopöydän tasaisen valkoisen pinnan (flat frame) kuvaamisessa tulikin ongelma. Asetusten täytyy olla samat kuin spektrikuvissa (valotusaika 0.3s, aukko 2.8 ja ISO 100), joten kameraan tallentuvan kuvan säätämiseksi on käytössä vain valopöydän intensiteetin säätö ja/tai ND suodattimet. Ja ilmeisesti tekemällä kameran eteen varjostava aukko niin, että siitä pääsee kuitenkin laidasta laitaan valoa objektiiville (jotta vinjetointi tulee näkyviin) - tätä en ole vielä kokeillut. Kamen ADU-arvojen pitäisi olla luokkaa 40-70% mustan tason ja saturaatiotason välillä, ja kuvien ottaminen pitäisi olla helposti toistettavissa.

Käytössä on Kaiserin valopöytä, jonka intensiteettiä voi säätää - tosin se on epätarkka ja nappia painamalla pahuksen nopeasti säätyvä. Max ja min päätyihin se pysähtyy, joten ne saa helposti. Sitä ei ole helppo käyttää tarkasti päätyjen välillä.
Tällaisia logaritmisia histogrammeja sain tasokenttäkuvasta:

Kolmas kuva (Kaiser 50-80%) on lähimpänä haluttua intensiteettiä, mutta saavuttaminen ei ole helppoa, eikä sen toistaminen Kaiserin säätimellä ole mahdollista.

Lisäksi ihmetyttää tuo "spektrin" leviäminen, kun valopöydän intensiteetti kasvaa. Ymmärsin kyllä noin käyvän, mutta noin paljon - tuohan on aivan järkyttävää.

[jaava]

Mä olen ihmetellyt histogrammeja - tai paremminkin kameran takanäytöllä näkyvää ja mun ohjelman tekemää:

Kameran histogrammissa ihmetyttää sen oleminen melkein oikeassa laidassa ja vihreän olevan jo osittain saturaatiossa. Mä yritin kaivaa Magic Lantern:n dokumentaatiota, mutta en löytänyt tarkempaa selitystä, enkä viitsinyt asiaa lähdekoodistakaan alkaa avaamaan.
Mun ohjelman tekemässä kuvassahan oikeassa laidassa on vielä matkaa saturaatioon 2500 ADU:a (harmaiden viivojen väli on 1000 ADU). Joita on muuten pahuksen tarkkaa säätää ND suotimilla niin, ettei leikkaantumista tapahdu.
Mitä mahtaa olla kameran takanäytön kuvassa olevat harmaat vertikaaliviivat?
Kamera Magic Lantern asetukset:
- Histogram: RAW RGB, Log
- Global Draw: ON, all modes


Nuo kuvat epäilytti niin paljon, että oli pakko varmistaa jotenkin mun ohjelman toimivan oikein. Latasin RawDigger:n, josta saa helposti histogrammin vertailtavaksi. Tässä ne ovat kummatkin lineaarisia ja siirsin mun ohjelman asteikon nollan mustan tasoon:

Minusta ne vastaavat toisiaan (yritin skaalata niitä kooltaan myös vastaaviksi, mutta ADU-arvoista näkee tarkemman vastaavuuden).

[jaava]

On yhä ongelmallisempaa ottaa kunnollisia Flat Field kuvia valotusajan funktiona, kun kameran muut asetukset on lukittu.
Olen ymmärtänyt että värikanavan keskiarvon mustan tason ja saturaation välissä pitäisi olla luokkaa 40% - 70%, jolloin kaiketi ollaan lineaarisimmalla alueella ja on epätodennäkösempää senselien arvojen olevan mustan tasossa tai saturaatiossa. Niin ja kohinan vaikutus jää pienemmäksi myöhemmässä FFC-laskennassa (mitä kauempana mittaus on mustan tasosta sitä vähemmän kohina vaikuttaa). Niin ja jossain sanottiin jotta kaikki värikanavat on valotettava samalla kertaa.

Mulla on Kaiserin valopyöytä, josta saa kaksi eri kirkkautta (toistettavasti), kolme sopivaa ND suodatinta (0.9, 1.8 ja 2.7). Oheisessa kuvassa on kaikki valotusajat, joilla sain edes sinne päin olevan histogrammin. Punaisella merkkasin syyn niille valotuksille jotka hylätään. Siis kaikki

Kaikki muut valotusajat oli jo kamerankin mukaan aivan metsässä. Joten saldo jäi nollille.

Pitäsköhän alkaa keräämään laboratoriolaitteita

PS. Noi mun prosentit on laskettu kaikkien värikanavan senseliarvojen summa jaettuna senselien määrällä, josta sitten prosenttilasku mustan tason ja saturaation väliin.

PS. Tuli juuri mieleen, että koska sekä punainen, että sininen kanava jää hieman miedommiksi (moni kuvan valotuksista olisi hyväksyttävä jos kanavat sais enemmän fotoneita), niin valonlähteen olisi hyvä korostaa ko. aallonpituuksia. Hmmm ... arkki vihreän kaistan vaimennussuodatinta valopöydälle, tai sopivalla kaistalla varustettu valopöytä.

PS2. Tai kamera vaihtoon - sellaiseen jossa ei ole bayer- eikä infrapuna-suodatinta. Ja kunnon jäähdytys.

[jaava]

Jos haluan mitata värikortin ruudun spektrin (tämä on yksi mun alkuperäisistä tavoitteista), niin se ei tule onnistumaan kovinkaan tarkasti järjestelmäkameran avulla.
Täytyy miettiä muita ratkaisuja kameran suhteen, mutta samalla menee optiikkakin uusiksi.

Ajattelinkin aluksi yrittää löytää optisen rakenteen, jolla saa siirretyä fotonit kuvakennolle mahdollisimman aberraatio-vapaasti. Ideaalitilanteessa valonsäteiden lähtötasossa jokaiselle fototonin (hilan takia aallonpituus vakio w) lähtöpisteelle P on kuvatasossa vain yksi piste P' johon fotonit osuu, riippumatta siitä mitä kautta P:stä lähteneet fotonit kulkee. Ja jotta geometriset suhteet ei muuttuisi, pitää jokaiselle lähtötason pisteelle P päteä P = k · P', missä k on vakio.

Jos spektrometrin perusrakenteen elementit on: rako - kollimointipeili - hila - fokusointipeili ja kenno:

niin ensimmäinen kysymys liittyy peileihin: Millainen pintapeilin muoto antaa tarkimman kuvan kennolle (siis P -> P')?

Tässä on aluksi 4 ehdokasta (löytyykö parempiakin?):

Kuva: Peilien pintojen muotoja. Kuhunkin tarkoituksella jätetty hieman aukkoa, jotta muoto on selkeämpi.

Pallo on helpoin työstää, eikä kuulemma toruskaan ole kovin vaikea. Käsin hiotaan myös peilejä, joissa on paraboloidinen pinta (elliptic baraboloid kun a = b).
Kuvan "elliptic paraboloid" ja "ellipsoid" ovat muodoltaan hieman mutkikkaampia (2 eri vahvistusta), ja niiden työstäminen kuulemma vaikeampaa. Jokin lähde kertoi elipsoidin olevan paras kun valonsäteitä tulee optisen akselin ulkopuolelta eri kulmissa, mutta erittäin vaikea työstettävä.

Mikä olisi paras tapa testata nuo muodot esimerkiksi "ray tracing" geometrista optiikkaa käyttäen - onko ilmaisia/halpoja optiika-ohjelmia olemassa?

PS. Lisäsin peilien pintojen muotoihin niiden matemaattiset mallit. Ja vähän muutakin.

[jaava]

Olen katsellut harrastajakäyttöön sopivaa spektrometriä erilaisten valonlähteiden spektrin taltioimiseksi.
Tokihan mulle tutkimuskäyttöönkin sopivat kelpaisi, mutta ovat hinnaltaan 500EUR ylöspäin ja oikein hyvät sitten kymppitonneja.

Viimeisin tarve on ollut mun valolaatikon aukosta ulos tulevan valon laatu - onko aukon reunojen maalaus mustaksi vain haitaksi. Niin ja millaista valoa mun Kaiserin valopöydästä nyt sitten saa (jonka CRI luku on 95).

Aluksi katselin DIY-ratkaisuja, mutta en haluaisi enää yhtään projektia kontolleni. Sitten yritin löytää erilaisia vaihtoehtoja kaupallisille tuotteille. Päädyin myös eBay:tä katsellessa rajoittamaan haut EU-alueelle.
Kaikenlaisia alle 100 EUR ratkaisuja löytyy, mutta minkälaisia sudenkuoppia niihin sisältyy - onko ne enemmänkin arvauskoneita.
Sitten tuli ranskalaisen yrityksen (Thunder Optics) tuote SMA-E Spectrometer vastaan. Suomeen sen saisi noin 250 eurolla (on jo hyvin kipurajalla):
SMA-E Spectrometer:

• Wavelength range between 350 and 920nm
• Resolution of less than 1.5 nm at 550nm
• Metallic high-quality slit 50, 70, 100 (default) or 200um
• Spectragryph software including calibration file
• Based on a 1800×1200 pix Sony IMX CMOS sensor (luulisin monokromaattiseksi)
• Transmission diffraction grating of 1000 lines/mm
• USB-2 connection to PC

https://thunderoptics.fr/product/sma-e- ... aedd0e4327
https://physicsopenlab.org/2021/06/11/t ... ragryph-2/

Onko ehdotuksia muista tuotteista tai tietoa tutkimuslaboratoriosta, jolla komerossa pölyttyy hyvä ja halpa laite.
Vai tekeekö näillä opetuskäyttöön ja harrastajille sunnatuilla mitään.

Ovat saaneet uuden mallin SMA-M Spectrometer , jossa nyt sitten monokromaattinen kenno
Muutokset E-malliin nähden:

• The use of a monochrome detector to eliminate the decay of the signal around 550nm (Bayer filter effect)
• Three times greater sensitivity than the SMA-E models
• Enhanced UV detection (at least five times more sensitive)
• A wider acquisition time range for weak signal detection

https://thunderoptics.fr/product/m-spectrometer/

Hinta on noussut melkoisesti: 412€

[janne.]

https://www.aliexpress.us/item/1005007241834839.html

kiinalaista pientuontantoa, kenno on käsin muunnettu mustavalkoiseksi ja hila taitaa olla dvd:stä. ekat erät myyty jo, mutta kunhan seuraava erä tulee niin tuolta niitä saa.

tubessa arvioitu ihan hyväksi: https://www.youtube.com/watch?v=LxQmaJYMOAk ja https://www.youtube.com/watch?v=9XIhMJAFPd4&t=2s

[janne.]

ostin tuon kiinalaisvalmisteisen spektrometrin ja tein sillä nyt ensimmäisen läpäisyspektrimittauksen polarisaatiosuotimesta:



valonlähde on aika himmeä värikirjon ääripäissä joten siellä tulos on kohinaisempi, kuten odottaa saattaa.

spektrometrin saa hyvin tarkaksi aallonpituuden suhteen (n. puoli nanometriä), mutta intensiteetin suhteen se ei mielestäni ole tarkka ainakaan sellaisenaan. asia liittyy jotenkin käytetyn kuvakennon rakenteellisiin juttuihin (ja kennon aallonpituusriippuvaiseen herkkyyteen yleensäkin), tuloksena on heittelyä mitatuissa valoarvoissa joka muuttuu aallonpituuden mukana. läpäisyspektrin mittauksessa tuo ei käsittääkseni haittaa koska tulos on aina suhteellinen ekaan mittaukseen, ei absoluuttinen.

lisäksi pitää pitää silmällä toisasteista diffraktiota, joka tuottaa spektristä himmeämmän kopion kaksinkertaisella aallonpituudella. diffraktiota suurempi hankaluus onkin sisäiset heijastukset kirkkaita valonlähteita mittaillessa. lisäksi valonlähteellä pitää olla tarpeeksi kirkkautta jotta kennon lyhyen enimmäisvalotusajan (n. 1/3s) puitteissa ehtii spektri ylipäätään valottumaan. esim. 130 kandelaa/neliömetri-kirkkauksinen näyttö on vielä liian himmeä mitattavaksi.

valmistaja toimitti theremino-nimisen mittaussoftan, joka on aika kankea mutta ajaa minun käytössä asiansa. lisäksi tuli mukana joitain taulukkoja joilla voi laskea spektristä ainakin värilämpötilan ja värintoistoindeksin kaikkine alitekijöineen. lisäksi on tekijän "virallinen" youtube-kanava: https://www.youtube.com/@LaoKang2024

[janne.]

ja tässä vielä vertailua Displaycalin mukana toimitettuun i1pro -spektrimittaukseen näytön taustavalosta. mittaus onnistui kun laitoin näytön kirkkauden täysille ja spektrometrin valotusajan samoin.





pääosin täsmää ihan ok, mutta vihreän huipussa on jotain outoa väreilyä ja sinisen kaksoishuippu on hiukan eri muotoinen myös. taustavalon ledien ikääntyminen, teho ja lämpötila voivat vaikuttaa.

pyörittelin spektrometriä näytöllä ja oletettavasti taustavalon pwm-välkytys näytti aiheuttavan jotain virheitä mittauksiin, mutta en tosiaan tiedä mistä on kyse. myös mustan taso pitäisi vähentää mittauksista, siitä tulee spektrin ääripäihin varsinaiseen signaaliin verrattaessa isot virheet.

[saloma-3]

Hienoja teknisiä apuvälineitä. Mutta eikö loppupeleissä olennaista ole se, mitä harjaantunut ihmissilmä pystyy erottamaan? Noin valokuvauksen tarpeisiin.

[janne.]

Hienoja teknisiä apuvälineitä. Mutta eikö loppupeleissä olennaista ole se, mitä harjaantunut ihmissilmä pystyy erottamaan? Noin valokuvauksen tarpeisiin.

miksi rajoittua siihen mikä on näkyvää?

tästäpä päästäänkin siihen että kolorimetrit eivät täytä luther-ivesin ehtoa. joten, vaikka kolometrin mukaan valkoinen on täsmälleen samoissa cie xy -koordinaateissa molemmissa näytöissäni, on toinen niistä silmälle erisävyinen. kunnolliseen profilointiin tarvitaan näytön spektri.

[saloma-3]

Silmällähän kuvaa katsotaan. Oli kone vaikka kuinka spekseissä. Jostain opuksesta myös olin lukevinani, että kolorimetri on käytännössä parempi valokuvaajan kannalta.
Mutta en ole asiantuntija ollenkaan. Kunhan yritän keskittyä valokuvataiteeseen omalla vaatimattomalla panoksellani.