CCD-kamerat ja kuvankäsittely
Kari Nilsson
Finnish Centre for Astronomy with ESO (FINCA)
Turun Yliopisto
6.10.2011
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
1 / 23
Sisältö
1
CCD-kamera
CCD-kameran toimintaperiaate
Miksi CCD-kamera?
2
Kohina ja häiriöt
Kohina
Signaali/kohinasuhde
Ilmakehän vaikutus
3
CCD-kuvien redusointi
Kalibrointikuvat
Kameravirheiden poistaminen
Kuvien jälkikäsittely
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
2 / 23
CCD-kamera
Ylivoimaisesti eniten käytetty detektori optisessa tähtitieteessä.
Kuva: Colin Aspin/NOT
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
3 / 23
NOT MOSCA CCD
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
4 / 23
CCD-kameran toimintaperiaate
CCD -kenno muodostuu pikseleistä,
joissa valo muutetaan elektroneiksi.
Elektronit siirretään sirun pintaa
pitkin vahvistettavaksi ja laskettaviksi
(CCD = Charge Coupled Device
eli varauksensiirtolaite).
Vrt. CMOS-kenno, jossa vahvistus ja
muunnos tehdään jokaisessa
pikselissä erikseen.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
5 / 23
Elektronien siirtäminen laskeminen
Varaukset siirretään ensin ns. sarjarekisteriin ja sieltä piiriin, joka muuttaa
varauksen jännitteeksi ja edelleen numeroarvoksi.
Pikselin kirkkauden yksikkönä on ADU (Analog to Digital Unit).
Muuntokertoimen antaa kameran vahvistuskerroin (Gain), jonka
yksikkö on
e − /ADU.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
6 / 23
Zoomaus CCD-kuvaan
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
7 / 23
Miksi CCD?
Herkkä: QE
∼
100%
Lineaarinen: kohteen kirkkaus
mitattavissa suoraan kuvasta.
Digitaalinen: mahdollistaa
monipuolisen jälkikäsittelyn.
Toistaiseksi parempi kuin CMOS
kun signaali on heikko.
Huonoja puolia:
Pieni näkökenttä (koko ajan
parantumassa).
NOT ALFOSC QE
Mustavalkoinen (värikuvat
kuvankäsittelyn kautta).
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
8 / 23
Kohina ja häiriöt
CCD-kuvissa Kuvissa esiintyy aina
kohinaa, eli pikseliarvojen
satunnaista vaihtelua ja
häiriöitä eli huonoja kohtia
CCD-sirulla ja ylimääräisiä
häiriöpiikkejä.
Osa aiheutuu luonnollisista syistä,
osa kamerasta.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
9 / 23
Kohina
Kohinaa aiheuttavat luonnolliset lähteet
fotonikohina: fotonit eivät saavu tasaisin aikavälein
detektorille osuvat kosmiset hiukkaset
ja kameran virheet
lukukohina: CCD-sirulta saatavan heikon signaalin vahvistaminen ja
digitoiminen aiheuttaa kohinaa
pimeän virran kohina: CCD-sirun atomien lämpövärähtely tuottaa
elektroneja, jotka havaitaan signaalina
pikselien herkkyysvaihtelut
lukuelektroniikan häiriöt.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
10 / 23
Signaali/kohinasuhde
Havaintojen laatua mitataan signaali/kohinasuhteella (S/N).
S
N
Yleisesti vaaditaan S/N
>
=
Havaittu Signaali
Kohina
3, jotta havaintoa voidaan pitää merkittävänä.
Signaali/kohinasuhteen maksimointi on tärkein tehtävä havaintoja
suunniteltaessa.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
11 / 23
Signaali/kohinasuhteen maksimointi
Saavutetaan maksimoimalla signaali ja minimoimalla kohina.
Signaalia voidaan parantaa pidentämällä valotusaikaa.
Kohina voidaan minimoida havaintojen hyvällä suunnittelulla.
Pidennä valotusaikaa
Havaitse mahdollisimman pimeässä paikassa.
Valitse mahdollisimman hyvä kamera.
◦
Käytä jäähdytettyä kameraa (esim. NOT ALFOSC: T=-120 C).
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
12 / 23
Ilmakehän vaikutus
Ilmakehässä esiintyy tiheys- ja
lämpötilavaihteluita, jotka aiheuttavat
turbulenssia. Tämä huonontaa kuvan terävyyttä.
Kuvan terävyyttä mitataan pistekohteen (esim.
tähti) puoliarvoleveydellä (FWHM, Full Width at
Half maximum). Usein käytetään myös termiä
seeing.
Ilmakehän vaikutuksen minimoimiseksi
observatoriot rakennetaan mahdollisimman
korkealle.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
13 / 23
CCD-kuvien redusointi
Kameran aiheuttamien virheiden korjaamista kutsutaan redusoinniksi.
Onnistunut redusointii vaatii ns. kalibrointikuvien ottamista:
Bias-kuva: Ota kuva 0 sekunnin valotusajalla. Tämä kuva antaa ns.
bias-tason
Dark-kuva: Ota kuva samalla valotusajalla kuin varsinainen kuva,
mutta avaamatta suljinta. Tämä kuva antaa pimeän virran tason
(huom, ei tarpeellinen NOTilla).
Tasoituskuva (at-eld): Ota kuva tasaisesti valaistusta pinnasta
(esim. tasaisesti valaistu kuvun sisäpinta, ilta/aamutaivas). Tämän
kuvan avulla voidaan korjata pikselien herkkyysvaihtelut ja
pölyhiukkasten aiheuttamat varjostumat.
Kohinan minimoimiseksi on kalibrointikuvia käytännössä otettava useita ja
laskettava keskiarvokuva.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
14 / 23
Bias-kuvia
Tuorla ST-8
Kari Nilsson (FINCA)
NOT HiRAC
CCD-havainnot
6.10.2011
15 / 23
Tasoituskuvia (NOT ALFOSC)
R-kaista
Kari Nilsson (FINCA)
U-kaista
CCD-havainnot
6.10.2011
16 / 23
Pölyä CCD:llä
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
17 / 23
Kameravirheiden poistaminen
Perusresepti:
Bias-vähennys: Laske bias-kuvista keskiarvokuva ja vähennä se kaikista
dark-kuvista, tasoituskuvista ja havaituista kuvista.
Tasoitus: Laske tasoituskuvista keskiarvokuva ja jaa sillä havaitut
kuvat.
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
18 / 23
Redusointiesimerkki
Raakakuva (KVA ST-8)
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
19 / 23
Redusointiesimerkki
Bias-vähennetty kuva
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
20 / 23
Redusointiesimerkki
Tasoitus tehty
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
21 / 23
Kuvien jälkikäsittely
Perusredusointien jälkeen saatetaan
tarvita lisää kuvankäsittelyä:
taustataivaan tasoittaminen
kosmisten säteiden
poistaminen
terävyyden parantaminen
värikuvan tekeminen (vaatii
kolme valotusta eriväristen
suotimien läpi).
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
22 / 23
Värikuvia!
Kari Nilsson (FINCA)
CCD-havainnot
6.10.2011
23 / 23