Rzut oka na EMCCD i sCMOS do ekstremalnej astrofotografii dla prawdziwych Spartan

Wykorzystanie ultra niskoszumowych kamer do astrofotografii

Bardzo niska jasność fotografowanych obiektów głębokiego nieba stwarza poważne wyzwania kamerom i sensorom. By uzyskać odpowiedni stosunek sygnału do szumu ekspozycje muszą być na tyle długie by sygnał fotografowanego obiektu był (znacznie) wyższy od poziomu szumów. By zminimalizować prąd ciemny kamery są chłodzone o kilkadziesiąt stopni. Jednak nadal pozostaje szum odczytu. Szum odczytu na poziomie kilku, kilkunastu elektronów może znacząco utrudniać rejestrowanie np. bardzo słabych emisji pochodzących z mgławic (takich jak otoczki M27 czy M57) bez jeszcze większego zwiększania czasu ekspozycji...

Porównanie osiągów CCD i EMCCD w warunkach słabego oświetlenia

By poradzić sobie z rejestrowaniem bardzo słabych efektów świetlnych w aparaturach laboratoryjnych stworzono nowy tym matryc - EMCCD, gdzie wytworzone w pikselach przez fotony elektrony są powielane przed odczytem. Pozwala to na praktycznie wyeliminowanie wpływu szumu odczytu na rejestrowany sygnał (z powielaniem szum odczytu poniżej 1 e).

EMCCD ma też swoje ograniczenia (jak szum powielania, czy nieduży zakres dynamiczny). Kolejną technologią do fotografii słabych źródeł światła jest sCMOS (Scientific CMOS) pozwalająca na raz zaoferować dużą szybkość, duży zakres dynamiczny oraz dużą czułość, czy pole widzenia. W tej technologii szumy odczytu są nieco większe - na poziomie 1-2 e w zależności od prędkości i samej matrycy.


Porównanie CCD, EMCCD i sCMOS

Porównanie poziomu szumów CCD, EMCCD i sCMOS


SNR dla CCD, EMCCD i sCMOS

Zależność stosunku sygnału do szumu w zależności od zarejestrowanego sygnału dla CCD, EMCCD i sCMOS


Technologie te opracowane na potrzeby aparatury naukowej powoli przenikają do "amatorskiej" astrofotografii. Głównym ograniczeniem jest i będzie cena - sięgająca kilku, kilkunastu tysięcy Euro za kamerę z niedużą matrycą EMCCD. Tylko używane kamery można czasami dostać znacznie taniej. Szybkiego spadku cen sCMOS nie ma co się spodziewać. Rynek EMCCD rozrasta się jednak także w dół dzięki dostępnym matrycom różnych konkurujących ze sobą producentów (np. Texas Instruments).

Spore doświadczenie z kamerami EMCCD w amatorskiej astrofotografii ma Carsten Dosche. Używa on kamery Andora - Luca-S o klatce 658 x 496 z 10 mikrometrowymi pikselami. W sieci dostępne jest jego opracowanie Astrophotography with next generation EMCCD cameras, jak i galeria zdjęć.

Stosując kamerę EMCCD w astrofotografii można znacząco skrócić czas ekspozycji (do kilku, kilkunastu sekund), lecz z zachowaniem zbliżonego sumarycznego czasu fotografowania jak w przypadku matryc CCD. Tak więc zamiast kilku długoczasowych ekspozycji wykonuje się wiele bardzo krótkich.

Dla krótkich ogniskowych długoczasowe ekspozycje to nie problem. Dla długich ogniskowych i dużych rozdzielczości wpływ seeingu, czy wymóg bardzo precyzyjnego prowadzenia mogą już przechylić szalę na korzyść znacznie droższych nowych technologii. Fotografowanie małych mgławic planetarnych, czy galaktyk może być tego przykładem.

NGC891 Carsten Dosche

NGC891, Carsten Dosche - 16 calowy F/3.6 Newton (Obserwatorium Elsterland), RGB 3x500x5 sek

Tak więc dla posiadaczy np. ODK16 i innych nie za chudych teleskopów kamery EMCCD to opcja do fotografowania np. licznych i bardzo małych mgławic planetarnych i galaktyk. sCMOS jak i po części tańsze technologie CMOS mogące zapewnić wysoką czułość i znacznie niższe szumy odczytu przy bardzo szybkich prędkościach (60 i więcej FPS) znalazłyby zastosowanie w ekstremalnej astrofotografii planetarnej (dla dużych apertury, na ultrakrótkich czasach ekspozycji jak 1-10 ms i mniej). W pozostałych przypadkach klasyczne technologie świetnie dadzą sobie radę.

Warto też wspomnieć o matrycach Sony i kamerkach Atika. Dość stare już matryce umieszczone w Atiku 314E i 320E dają dwie kamerki o szumach odczytu na poziomie 3e-. Atik 314L+ oparty na genialnej matrycy ICX285 oferuje 3,7 - 4 e szumu odczytu. Prąd ciemny i amp glow też praktycznie "nie istnieją" w tych kamerach (dzięki samym parametrom matryc jak i chłodzeniu). Z tego powodu spora rzesza astrofotografów wykorzystuje je w astrofotografii zbierając więcej klatek o relatywnie niedużych czasach ekspozycji.



blog comments powered by Disqus

Kategorie

Strony