Observatii cu camere CCD

de Alin Tolea

Introducere

In ultimii 2-3 ani, majoritatea aparatelor foto se pe piata sunt "digitale", adica inregistreaza imaginea direct in format electronic transferabil pe calculator. Motivul pentru care aceasta este posibil este ca in loc de film foto, aparatele respective au in planul focal al obiectivului un "chip'.
Respectivul detector este numit "chip CCD" ( sau o varianta numita CMOS), este un detector electronic, un mic patratel de siliciu, inventat si 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. Pixelii nu sunt delimitati fizic pe chip, ci prin intermediul unor voltaje aplicate pe chip... Marimea tipica a unui cip CCD este de 5-10 mm pe o latura, marimea pixelilor de pe suprafata cipului fiind intre 4 si 24 microni. Astfel, un cip CCD este o matrice de pixeli, avand de la 200x300 pixeli pana la 3000x5000 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 "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 poate fi folosit chiar direct la prelucrarea imaginilor CCD. Pentru Adobe Photoshop exista un mic "plugin" care permite importul direct al unei imaginii .fits in Adobe Photoshop, numit "fits liberator". Pluginul este gratuit. 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 Unix/Linux/Mac OSX 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 in general 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 in 1999, cand a imprumutat de la SARM pentru cateva luni o camera CCD Meade Pictor 216XT. Membrii clubului au luat cu ea cateva imagini bune la obiecte Deep Sky si cometa Linear. Camera s-a intors la SARM in noiembrie 2000.

Din 2004 Astroclubul are acces la o camera CCD, construita de Radu Corlan si pusa de acesta la dispozitia membrilor. Camera are chip TC237. Camera ruleaza sub Linux, iar Radu are cateva soft-uri foarte bune, in special programul de prelucrare de imagini GCX.

Observatii cu camerele CCD

Iata mai jos linkuri catre cateva proiecte realizate de membrii astroclubului folosind camere CCD. Avem aici atat galerii de imagini "frumoase" la obiecte Deep Sky cat si proiecte mai serioase, observatii la stele variabile si astrometrie la asteroizi. Pentru imagini la planete si Luna, urmati linkurile din sectiunile corespunzatoare din meniul din stanga paginii, desi majoritatea imaginilor la planete sunt luate la ora actuala cu camere web, care contin si ele la randul lor tot niste chipuri CCD sau CMOS.