CCD Kamera



Kaj je CCD?
Kratica CCD pomeni Charge Coupled Device. To je naprava z svetlobno občutljivim detektorjem, na katerem so v dveh dimenzijah porazdeljeni majhni "pixli" (slikovni elementi). Slikovni elementi so lahko razporejeni tudi v več tisoč vrstah in stolpcih. Ko se svetloba ali katero drugo elektromagnetno sevanje usmeri na CCD površino, se vsak slikovni element odzove na fotone, ki padejo nanj tako, da proizvaja elektrone (notranji fotoefekt). Električni naboj vsakega slikovnega elementa je odvisen od prejete količine sevanja (od števila vpadnih fotonov). Po ekspoziciji se naboji vsakega slikovnega elementa prenesejo iz detektorja tako, da se ohrani informacija o vpadnih fotonih. Vrednosti signala in pozicije svetlobnih elementov se digitalizirajo in shranijo v računalnik, tako da se kasneje uporabijo za tvorbo slike na računalniškem zaslonu ali za obdelavo. Svetlost slike je linearno sorazmerna z ekspozicijo. Šum ozadja je posledica odbite svetlobe od molekul in prašnih delcev v atmosferi. Dodatna napaka (šum) je posledica prenosa podatkov iz CCD-ja v računalnik (ojačitev, digitalizacija, shranjevanje). Največji problem pa povzroča termični šum v CCD čipu (elektroni skačejo med svetlobnimi elementi iz valenčnega pasu v prevodni pas). Ta šum, imenovan tudi termični tok, se zelo učinkovito zmanjša s hlajenjem CCD čipa. Cenejše kamere se ponavadi hladijo s termočleni.
Svetlobno občutljiv elektronski detektor so razvili leta 1970 in se sedaj množično uporablja v "zemeljski" in "vesoljski" astronomiji za slikanje, fotometrijo, spektroskopijo, astrometrijo in še na mnogih področjih. Za CCD-je je značilno, da so občutljivi na širokem območju valovnih dolžin, od modre do skoraj infrardeče. Večina CCD-jev je v primerjavi s površino fotografskega filma relativno majhna in pokriva zato relativno majhno vidno polje. Ima tudi nižjo resolucijo kot fino zrnat fotografski film, je pa CCD detektor veliko bolj občutljiv, zato so ekspozicijski časi veliko krajši (pri klasični fotografiji so potrebne celourne ekspozicije, pri CCD-ju pa za enak efekt zadostuje že nekaj minut). Ravno zaradi tega so CCD-ji primerni za slikanje šibkejših objektov, zorno polje pa ni tak problem, saj ga povečamo s skrajšanjem goriščne razdalje. razdalje.


kamera in teleskop

Teleskop, na katerem je pritrjena CCD kamera st7



CCD Kamera ST7


CCD kamera model ST7 je proizvod podjetja SBIG (Santa Barbara Instrument Group) in predstavlja CCD sistem z nizkim šumom. S kamero je moč delati slike, kakršne lahko vidimo v revijah in knjigah. Ta kamera ima dva CCD-ja, enega za sledenje in drugega za slikanje. Sledenje je zelo natančno, zaradi nizkega šuma.
Število slikovnih elementov je 765 krat 510, velikost posameznega elementa pa je 9 krat 9 mm. Velikost CCD senzorja je 6,9 krat 4,6 mm, kar pomeni, da je vidno polje, za teleskop s premerom zrcala 10 palcev in goriščno razdaljo 2540 mm, veliko le 9,3 krat 2,6 ločne minute (premer lune in sonca je približno 30 ločnih minut). En slikovni element torej zajame zorno polje veliko 0,73 krat 0,73 ločne sekunde. Kamera ima možnost nastavitve treh različnih ločljivosti; visoka ima velikost slikovnega elementa 9 krat 9 mm, srednja 18 krat 18 mm in nizka 27 krat 27 mm. Manjša kot je ločljivost, večja je občutljivost CCD-ja in krajši so ekspozicijski časi, kar je zelo uporabno pri grobem fokusiranju in snemanju šibkih objektov. Kamera lahko maksimalno sprejme (Full Well Capacity) 160.000 elektronov na slikovni element pri srednji ločljivosti in 40.000 pri visoki. To je prag nasičenja. Že predhodno omenjeni šum kamere je 15 elektronov rms (root mean square), bolj pride do izraza pri kratkih ekspozicijah in ga že po nekaj 10 sekundah preseže signal ozadja. Razmerje med signalom in šumom je v grobem sorazmerno kvadratnemu korenu števila zbranih elektronov. Če torej hočemo razmerje med signalom in šumom izboljšati za dvakrat, moramo ekspozicijo podaljšati za štirikrat. Pri kameri lahko razmerje signal-šum preseže vrednost 400 pri srednji ločljivosti in 200 pri višji.
Kamera in računalnik sta povezana z 16 bitnim analogno-digitalnim pretvornikom A/D. A/D nasičenje je povezano z nasičenjem na slikovni element, ki pri srednji ločljivosti znaša 65.535 prenosov, kar pomeni 160.000 e : 65.535 = 2,4 elektrona na prenos. Termični tok elektronov znaša približno en elektron na sekundo na slikovni element pri temperaturi 0°C. Vsaka ohladitev za 5°C zmanjša termični tok približno za polovico.
Najkrajši ekspozicijski čas je 0,11 sekunde. Na kamero se da pritrditi tudi kolo s filtri, kar nam omogoča, da iz treh slik posnetih z različno kombinacijo filtrov in različnimi ekspozicijskimi časi, s pomočjo računalniške obdelave sestavimo barvno sliko.


CCD kamera st7

CCD kamera st7 s pretvornikom



Program CCDOPS

Program za upravljanje kamere se imenuje CCDOPS. Obstajata dve verziji tega programa. Prva deluje v okolju DOS, druga, na pogled in uporabniku bolj prijazna, pa deluje v okolju MS Windows. Po funkcijah se obe verziji kar dosti razlikujeta, saj verzija za MS Windows ponuja več možnosti pri obdelavi slike. Program lahko posneto sliko shrani v več formatih, a odpira lahko le sliko, shranjeno v st7 formatu. Program avtomatsko doda opazovalčeve podatke, ekspozicijski čas, datum in čas, uporabljeni filter, število slikovnih elementov, temperaturo CCD detektorja, podatke o teleskopu in še ostale, za opazovalca ponavadi dokaj nepomembne podatke.
Program omogoča tudi obdelavo slik. Tako npr. lahko slike tudi prekrivamo, nalagamo eno na drugo, jih pri tem seštevamo ali delamo povprečje za izboljšavo razmerja signal/šum. Vsekakor sta zelo pomembni funkciji, ki omogočata odštevanje termičnega toka in slike izravnalnega polja (flat field). Na podoben način lahko sestavimo tudi barvno sliko, tako da posnamemo isti objekt skozi rdeč, moder in zelen filter (kar se da z majhnim časovnim zamikom), nato pa slike sestavimo skupaj z ukazom Utility in RGB Combine. Ta postopek je dokaj enostaven, vendar zahteva določeno mero spretnosti in nekaj potrpljenja. Vsekakor mora teleskop slediti z minimalnimi odstopanji. Filtre lahko uporabljamo tudi za izboljšanje kontrasta.



Še več podatkov o CCD kameri ST7 lahko najdete na internet strani:

     http://www.astrosurf.com/terre/re/st7.html
     http://www.sbig.com/sbwhtmls/st7.htm


Naprej