Цифровые панорамные приемники CMOS и ПЗС матрицы Дешевизна производства У каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума. Эквивалентная схема ячейки КМОПматрицы: 1 — светочувствительный элемент (диод); 2 — затвор; 3 — конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 — усилитель; 5 — шина выбора строки; 6 — вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 — сигнал сброса CMOS и ПЗС матрицы Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs) В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств. В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике. Квантовая эффективность Приемники излучения в астрономии должны обладать рядом свойств: высокой чувствительностью, малыми шумами, большим динамическим диапазоном и хорошей линейностью. Чувствительность определяется как отношение количества зарегистрированных фотонов к количеству упавших на приемник и называется квантовой эффективностью (Quantum Efficiency - QE). характеристики ПЗС-камер Шум считывания указывается в электронах на пиксель, внесенных в конечный сигнал после считывания ПЗС. Ошибка АЦ преобразования + «призрачные электроны» вносят аддитивную неопределенность в выходной сигнал (флуктуации). Среднеквадратическое отклонение этих флуктуаций (1 сигма) и есть шум считывания. Шум считывания не является пуассоновским. Зависит от скорости считывания и температуры. Шум считывания современных ПЗСкамер лежит ниже границы 10 e/pix Шум считывания измеряется по кадрам подложки (bias) характеристики ПЗС-камер темновой ток и темновой шум Их часто путают! e/(pix*sec) Темновой ток появляется в результате термогенерации электронов в кремнии и проявляется как добавочные электроны в выходном сигнале. Темновой ток уменьшается в 2 раза при понижении температуры на 5-6 градусов. Есть «горячие пиксели» в которых уровень темнового тока больше, чем в нормальных пикселях. Темновой ток имеет пуассоновский характер и Шум темнового тока =sqrt(тока) Темновой ток можно вычесть, но шум останется и даже удвоится! характеристики ПЗС-камер шум дискретизации (оцифровки) Необходимо преобразовать заряд (электроны) в цифровые отсчеты (ADU). ADU принимает целые значения в диапазоне от 0 до 65535 (2^16). Коэффициент преобразования gain («усиление») = e/ADU Пусть глубина нашей потенциальной ямы 500 000 электронов, коэффициент преобразования 500000 / 65535 = 7.6 e/ADU. Мы округляем выходное значение до почти 8 электронов! Или вносим неопределенность в 8 электронов! Современные ПЗС со скрытым каналом и относительно небольшим размером пикселя редко имеют глубину ямы более 150 000 электронов. характеристики ПЗС-камер попиксельная и внутрипиксельная неоднородность чувствительности Пиксели имеют немного разные размеры, неоднородности подложки. Это приводит к вариации чувствительности от пикселя к пикселю и внутри пикселя. Попиксельные вариации можно удалить зная «функцию отклика» каждого пикселя – плоское поле. Внутрипиксельные вариации становятся незначительными при больших размерах изображений. Неоднородности могут достигать значений 2-5% Линейность – способность приемника давать неискаженную информацию о освещенности. Идеальным является случай линейной зависимости выходного сигнала от количества упавших на приемник фотонов. Линейность очень важна в фотометрии, отношение выходных сигналов от двух звезд дает отношение блеска этих звезд. Звезды имеют очень разный блеск, самые слабые создают освещенность в 10 миллиардов раз меньшую, чем самые яркие. Когда слабые звезды «тонут» в шумах, яркие вызывают насыщение приемника (увеличение освещенности не приводит к увеличению выходного сигнала). Динамический диапазон— это отношение максимально возможного сигнала, сформированного светоприемником, к его собственному шуму. Динамический диапазон Сравнение линейности и динамического диапазона фотопленки и современной ПЗС. Переполнение ямы Влияние антиблюминга линейность на Температура! Скорость считывания! Временная стабильность! Следить за параметрами! Подбирать ПЗС под свои задачи! технология MPP или AIMO - снижение темнового тока, но есть и минусы! ICCD и EMCCD Усиление сигнала на стадии переноса до очень высоких значений. Как следствие, шум считывания становится несущественным. OTCCD FITS формат Калибровка ПЗС - кадров. Вы поле зрения засвечено к краю. Этот Ещевидите, одно замечательное свойство неравномерно, ПЗС – матриц, заметно их оченьпотемнение хорошая стабильность. эффект называется виньетированием и связан с недостатками оптики телескопа. Кроме Если где-то на матрице есть «горячий» или «мертвый» пиксель, то его положение не того, возможна неравномерность чувствительности матрицы от пикселя пикселю или меняется со временем. Это позволяет бороться с шумами очень простымкспособом: из просто пылинки защитном окне матрицы. Разделим кадр, полученный после вычитания полезного кадрана(frame) вычитается кадр, полученный с тем же временем накопления dark frame, на кадр плоского поля (dark (flat field). Кадр плоского поля получается при съемке (экспозицией), но в полной темноте frame). равномерно освещенной поверхности через тот же телескоп, часто для этих целей фотографируют сумеречное небо, когда звезд еще не видно. (frame-dark) (frame / flat darkfield frame) N=1 N=10 Получение цветного изображения. Астрономические ПЗС – матрицы дают черно-белое изображение. Хотя существуют цветные матрицы, но в астрономии они не используются. Цветное изображение получается при сложении трех монохромных изображений полученных через фильтры основных цветов: красный, зеленый и синий (Red, Green, Blue). Этот метод получения цветных изображении называется аддитивным. Сумма трех цветовых слоев: R+G+B