CCD-kamerat ja kuvankäsittely

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? NOT ALFOSC QE 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). 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 Havaittu Signaali = N Kohina Yleisesti vaaditaan S/N > 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 NOT HiRAC Kari Nilsson (FINCA) CCD-havainnot 6.10.2011 15 / 23

Tasoituskuvia (NOT ALFOSC) R-kaista U-kaista Kari Nilsson (FINCA) 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