Make your own free website on Tripod.com

Observatii cu camere CCD

 


Introducere

De cativa ani buni, in astronomie si nu numai, se vorbeste despre un nou tip de "detector", mult mai "bun" si mai sensibil decat filmul fotografic si care furnizeaza o "imagine" direct in format electronic, gata de prelucrat pe calculator.
Respectivul detector este numit "camera CCD", este un detector electronic, un mic patratel, de siliciu, folosit initial de astronomi dar care si-a facut rapid loc in camerele video comerciale si mai nou, in aparate foto "digitale". Mai jos vom vorbi putin despre cum functioneaza o camera CCD folosita in astronomie.
Pentru cateva imagini efectuate cu o camera CCD, sariti direct la galerie.

Camerele CCD. Constructie si functionare

CCD-ul este un mic cip din siliciu, care are delimitate pe el niste mici patrate sau dreptungiuri numiti pixeli. Marimea tipica a unui cip CCD este de 5-10 mm pe o latura, marimea pixelilor de pe suprafata cipului fiind intre 7 si 24 microni. Astfel, un cip CCD este o matrice de pixeli, avand de la 200x300 pixeli pana la 2028x2048 de pixeli si mai mult.
Siliciul este sensibil la lumina, si cand lumina cade pe suprafata lui, materialul produce electroni = efectul fotoelectric, care i-a adus lui Einstein premiul Nobil pentru Fizica, si care sta la baza celulelor solare!
Cam acelasi principiul sta si la baza CCD-urilor, lumina (gandita ca fiind alcatuita din fotoni) cade pe "pixeli" delimitati pe suprafata cipului CCD si "smulge" electroni din fiecare pixel. In CCD, acesti electroni sunt "stocati" si se acumuleaza intr-o structura gen condensator electric, cate un mic condensator pentru fiecare pixel. "Condensatorii" nu sunt macroscopici, ci sunt de fapt "crescuti" pe chipul CCD in procesul de creare al chipului.
Deci expunem siliciul la lumina, el transforma fotonii in electroni, cu cati mai multi fotoni pe un pixel, cu atat mai multa sarcina se acumuleaza "sub" pixelul respectiv. Dupa ce "expunem" CCD-ul, mai vrem sa-l si "citim". Din limitari de harware, nu putem citi toti pixelii odata, de fapt ii putem citi numai cate unul odata.
Asa ca de fapt electronica chipului incepe si citeste sarcina acumulata in primul pixel din coltul din dreapta jos a chipului, apoi sarcina de pe linia de jos este "mutata" un pixel mai la dreapta, al doilea pixel la rand este citit si tot asa, pana se termina cu primul rand.
Cand am terminat cu primul rand, toate sarcinile sunt "mutate" o "o linie" mai jos, linia doi de jos devenind linia unu si fiind citita pixel cu pixel ca mai sus. Si tot asa, pana se termina de "citit" tot cipul.
Cumva, citirea merge ca o masina de scris, litera dupa litera, apoi "enter" si trecem la randul urmator, si tot asa, pana terminam toata pagina.
Dupa citire, softul CCD-ului converteste semnalul citit intr-o imagine electronica, care se poate prelucra mai departe folosind un calculator. Formatul acestei imagini nu este un format grafic obisnuit, adica nu e .gif, .jpg., sau nici chiar .tif-ul folosit de artistii grafici. De obicei, este o variatie a unui format numit .fits, format folosit de astronomii de pe toate meridianele. De aceea software-ul obisnuit pentru grafica, Adobe PhotoShop sau Corel PhotoPaint si tot asa nu merge la prelucrarea imaginilor CCD. Din fericire, mai orice camera CCD vine cu ceva soft special si in plus exista multe pachete soft scrise de amatori si profesionisti.
Cei care ruleaza Linux au un avantaj mare aici. Pot folosi software gratuit - pachetul IRAF, scris de catre astronomii profesionisti pentru prelucrarea imaginilor CCD, ca doar nu credeati ca CCD-urile au fost inventate special pentru folosirea in camere foto digitale sau camere video (CCD-urile din camerele foto digitale sunt niste "mizerii" dupa standardele CCD-urilor pentru astronomie)!

  • De ce sunt camerele CCD atat de speciale

    O sa ziceti, mare schecherie. Hai sa vedem de ce sunt camerele CCD asa de bune pentru astronomie
    Toata "vraja" sta intr-un numar numit QE = quantum efficiency = eficienta cuantica.
    In spatele acestui nume destul de pompos sta un procent:
    Ce procent din fotonii cazuti pe cip sunt convertiti in sarcina electrica? Cati fotoni trebuie sa cada pe un pixel pentru a produce un electron? Daca e unu la unu, atunci eficienta cuantica este 100%. Nu e unu la unu. Cele mai bune camere CCD au o eficienta cuantica maxima de 80%, asta inseamna ca trebuie 10 fotoni pentru a produce 8 electroni. Dar camerele CCD ieftine, vorbim de cele pentru astronomie, abia au o eficienta cuantica maxima de 35%.
    Tot zic maxima. Eficienta CCD-ului de a transforma fotonii in electroni nu este aceeasi pentru lumina de toate culorile (= lungimile de unda). In general CCD-ul e mai sensibil la lumina rosie si IR si cam orb la lumina albastra si UV.

    Tot n-am zis, de ce e grozav CCD-ul. Cel mai "jegos" CCD tot are o QE maxima de 30%. Pentru comparatie, filmul foto are o QE (echivalenta) de 1-3%.
    In plus, CCD-ul are "raspuns linear". Intensitatea raspunsului pixelilor este liniara, pentru o plaja mare de intensitati ale luminii incidente. Desigur, daca e prea multa lumina, pixelii se "satureaza" = condensatorii se umplu se sarcina. Dar pana la anumite limite, pentru o intensitate dubla cazuta pe un pixel, "punctuletul" din imagine va fi de doua ori mai luminos.
    Pentru comparatie, filmul foto raspunde "logaritmic". Vrem o inegrire de 2 ori mai mare, expunem de 2.71 ori mai mult ( e= baza ln ~ 2.71).

  • Ce facem cu CCD-ul

    Acelasi lucru care il facem cu filmul foto. In punem in focarul unui telescop si il expunem la lumina. Dar pentru ca este mai sensibil decat filmul, putem sa "pozam" obiecte mai slabe decat puteam cu pelicula foto, fie ea si foarte sensibila. Asta la Deep Sky
    In fotografia planetara, unde obiectele sunt stralucitoare, putem folosi acum timpi extrem de scurti. Astfel putem "ingheta" turbulenta atmosferica si obtine detalii foarte fine!
    . Mai e o smecherie. Pentru ca raspunsul CCD-ului este liniar, putem media mai mute imagini cu expuneri scurte si obtine o imagine cu un raport semnal/zgomot mult imbunatatit. Si pentru ca totul se face pe calculator, de la achizitia imaginii pana la procesarea finala, treaba merge mai repede si mai "curat" decat in laboratorul foto.

    Astroclubul si camerele CCD

    Astroclubul a luat contact cu tehnica CCD anul trecut, cand a imprumutat de la SARM pentru cateva luni o camera CCD Meade Pictor 216XT. Membrii clubului au luat cu ea cateva imagini bune, obiecte Deep Sky, cometa Linear. Camera s-a intors la SARM in noiembrie 2000.

    Acum, membrii clubului au acces periodic la o camera identica, cumparata de prof. Mircea Rusu pentru Facultatea de Fizica.

    Prezentam mai jos cateva imagini luate prin cele doua camere de catre membrii Astroclubului.


    Luna si Planete
    Deep Sky


     
    Luna si Planete

    Luna
    5 Martie 2001, 00 UT
    1/1000 s la F:12
    CCD Pictor 216XT in focarul unui refractor 60mm f:12

    Din imaginea originala a fost decupata numai partea care continea Luna
    Imaginea este "bruta", fara scadere de bias si dark si impartire la flat
    Jpg.-ul exportat din .fits-ul original fost prelucrat putin cu "GIMP"
    Autor Bruno Sonka
    Luna
    5 Martie 2001, 00 UT
    1/1000 s la F:12
    CCD Pictor 216XT in focarul unui refractor 60mm f:12

    Din imaginea originala a fost decupata numai partea care continea Luna
    Imaginea este semi prelucrata, bias si dark scazute, dar nu este imparita la flat
    Jpg.-ul exportat din .fits-ul original fost prelucrat putin cu "GIMP"
    Autor Bruno Sonka
    Deep Sky

    Cometa C/1999 S4 Linear
    12 Iulie 2000
    60s la 2.8
    CCD Pictor 216XT in focarul unui teleobiectiv 135/2.8

    Cometa Linear C1999/S4 a fost mai putin spectaculoasa ca Linear A2 a verii lui 2001, fiind mai putin stralucitoare si in plus, neindepartandu-se prea mult de Soare pentru observatorii din emisfera nordica.
    Apasati pe imagine pentru a viziona o mica animatie care arata miscarea cometei printre stele.Imaginea este un .gif animat (40k). O varianta cu camp mai mare a aceeasi animnatii de poate downloada aici (.gif, 240k)
    Gif-ul animat a fost realizat de Bruno Sonka din 4 cadre diferite, luate la intervale de aprox. 1/2h.
    Autor Bruno Sonka
    Cometa C/2001 Q2 Petriew
    22 august 2001
    4x60s la f:4.2 (cu focal reducer) intre 7:09 si 7:37 UT
    CCD Sbig ST7 in focarul unui telescop D=500mm f:8

    Cometa Linear C/2001 Q2 a fost o surpriza totala. Descoperita vizual de canadianul Vance Avery Petriew la un star-party in Cyprus Hills, Saskatchewan, Canada, este singura descoperire vizuala din 2001, restul fiind gasite de catre programele automate LINEAR, NEAT si Loneos. Apasati pe imagine pentru a viziona o mica animatie care arata miscarea cometei printre stele.Imaginea este un .gif animat (85k).
    Gif-ul animat a fost realizat de Alin Tolea din 6 cadre de 1min, luate intre 7:09 si 7:57 UT
    Autor Alin Tolea