CCD kamery a jejich použití v astronomii

1. CCD kamerya jejich použití v astronomii Lukáš Král

2. Kde se vzalo CCD • zkratka Charge Coupled Devices (nábojově vázané prvky) • polovodičová matice přeměňující světlo na elektrický náboj • vznik v 70. letech 20. stol., původně jako paměťová zařízení • vysoká účinnost (až 90%) => dnešní 15 cm dalekohled s CCD kamerou se vyrovná 1 m dalekohledu s fotografickou deskou ze 60. let

4. Princip CCD • dopad fotonu na křemíkovou destičku vyvolá uvolnění elektronu • elektrony drženy vnějším elektr. polem v místě svého původu (v daném pixelu) • po skončení se změří počet elektronů v každém pixelu – úměrný intenzitě světla • přenos dat do počítače –> obrázek

6. Astronomické CCD kamery • kvalitnější CCD čipy než v digitálních fotoaparátech, velmi malý tepelný šum • firma SBIG – průkopník CCD kamer pro astroamatéry, u nás nejrozšířenější, kamery ST-4 až ST-10 • Meade (kamery Pictor) – levnější alternativa, méně kvalitní software • Apogee, Audine, webkamery apod.

7. Co je uvnitř? • samotný CCD čip (ST-7: 6,9 x 4,6 mm, 765 x 510 pixelů o velikosti 9 mikrometrů) • elektronika pro ovládání čipu, digitalizaci obrazu a komunikaci s počítačem • mechanická závěrka – ne u všech kamer! • chlazení – dříve kapalný dusík, dnes hlavně Peltierův článek (–> velký odběr proudu) • desikant – vysoušecí látka; nebo vakuum • někdy otočné kolo (karusel) s barevnými filtry

8. CCD čip

9. Pořizování astronomických snímků • vychladit před pozorováním (běžně 30 stupňů pod okolní teplotu; problémy s námrazou) • nastavit správně čas v počítači!! • úzké zorné pole => nutné přesně zcentrovat s hledáčkem, jinak nic nenajdeme • režim Focus („video“) – nastavení objektu do středu zorného pole • pořízení zkušebního snímku –> odhad vhodné expoziční doby • pořízení korekčních snímků (dark, flat) • vlastní snímkování objektu (skládání/barevné filtry)

10. Korekční snímky – dark frame • dark frame (temný snímek) – při stejné teplotě a expozici jako normální snímek, ale se zakrytým objektivem => jen šum • odečte se v počítači od normálního snímku–> odstranění zejména tzv. horkých pixelů • pozor na boční světlo

11. Korekční snímky – flat field • flat field – korekce na různou citlivost jednotlivých pixelů, vinětaci dalekohledu a nečistoty na čipu • pořídí se nasnímáním rovnoměrně osvětlené bílé plochy – nejlépe zakrýt objektiv průsvitným papírem a namířit soumrakovou oblohu • musí být hodně nasycený (omezení šumu), často se průměruje několik flat fieldů • světlý snímek se flat fieldem vydělí a poté se znovu vynásobí konstantou • pořídit dobrý flat field je umění, špatný flat field snímek naopak pokazí

12. Příklad flat fieldu (ostravská SBIG ST-7)

13. Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava 1) surový světlý snímek

14. Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava 2) odečten dark frame

15. Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava 3) upraven jas a kontrast

16. Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava 4) poděleno flat fieldem

17. Příklad zpracování obrázkuŘasová mlhovina v Labuti, SBIG ST-7, Ostrava 5) sečteno dohromady 8 snímků celková doba expozice: 8 x 3 = 24 minut

18. Barevné snímky • snímáme přes barevné filtry (RGB) a výsledné snímky zkombinujeme do jednoho barevného (speciálním programem) M 27 „Činka“ SBIG ST-7 teleobj. 9 cm exp. 3x2x3 min HaP Ostrava

19. Jas a kontrast • neboli brightness/contrast, range/offset, low/high threshold apod. • nejedná se o úpravu samotného snímku, ale pouze o nastavení jeho zobrazení na monitoru • 16-ti bitová kamera rozliší 65536 odstínů šedi (intenzit světla), kdežto oko jen několik set • => musíme si ze snímku „vytáhnout“ jen tu oblast intenzit, ve které je to, co nás zajímá

21. CCD fotometrie • měření jasnosti hvězd (komet, planetek, ...) CCD kamerou • pořízení série snímků hvězdného pole • zpracování fotometrickým softwarem: • odečtení darku, podělení flatem • automatické rozpoznání hvězd • automatické změření instrumentálních jasností hvězd (součet intenzity pixelů v urč. oblasti mínus intenzita pozadí, přepočet na magnitudy) • spočtení rozdílu proměnná – srovnávačka –> relativní (diferenciální) fotometrie • známe přesnou jasnost srovnávačky a korekce daného přístroje –> absolutní fotometrie

22. Příklad CCD světelné křivkyProjekt Eridanus, HaP J. Palisy Ostrava

23. Software • CCDOPS – pro kamery SBIG, snímání i základní zpracování, DOS i Win verze, zdarma na www.sbig.com • Iris – skvělý a stále se zlepšující program pro pokročilé zpracování snímků, umí i jednoduchou astrometrii a fotometrii, Windows, zdarma na http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm • Munipack – automatická fotometrie, Linux/DOS/Windows, zdarma na http://munipack.astronomy.cz • GIMP – univerzální program pro práci s obrázky (jako Photoshop), zdarma pro všechny platformy

24. CCD versus klasická fotografie • Přednosti CCD: • vysoká citlivost –> kratší expozice menším dalekohledem • přímo digitální snímky –> ihned je vidět výsledek, snadné zpracování na PC, možnost skládání mnoha kratších expozic • ideální pro fotometrii a astrometrii, automatické snímkování i zpracování • Nevýhody CCD • vyšší cena kamery (ale zase malé provozní náklady) • malý čip => malé zorné pole • nutnost kvalitní montáže i dalekohledu • nutnost mít u dalekohledu počítač pro ovládání CCD

25. Stránky o CCD pozorování v Ostravě: http://ostrava.astronomy.cz/ M 101 „Vírová“ SBIG ST-7 teleobj. 9 cm 5x2 + 6x3 min HaP Ostrava