Знакомьтесь: ПЗС

С.Е.Гурьянов

Термин ПЗС в нашей научной терминологии расшифровывается как Прибор с Зарядовой Связью  - своеобразный перевод английского CCD (Charged Coupled Device).
Впервые принцип работы ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был  разработан двумя сотрудниками известной телефонной корпорации Bell в конце 60-х годов в ходе поиска возможных новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах. Эта идея оказалась неперспективной, но способность кремния реагировать на видимый свет , привела к мысли попробовать использовать такой принцип для получения и обработки изображений светящихся объектов.
Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС для регистрации изображений. В 1972 году группа исследователей из JPL (Лаборатория Реактивного Движения, США) основала программу развития ПЗС для астрономии и космических исследований. Три года спустя, совместно с учеными Аризонского университета, эта команда получила первое астрономическое ПЗС изображение. На снимке Урана в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью полутораметрового телескопа были обнаружены темные пятна возле южного полюса планеты , свидетельствующие о наличии там  метана ...

Принцип работы:

Стандартный ПЗС  это довольно сложная радиоэлектронная микросхема, на поверхности которой вы можете увидеть небольшое окошечко, представляющее из себя двумерную матрицу из очень маленьких прямоугольных детекторов света, называемых пикселами. Каждый пиксел работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселах под действием световых квантов  (фотонов), пришедших от источника. Во время экспозиции каждый пиксел постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании съемки электронные заряды, накопленные каждым пикселом , измеряются.
Вся эта непростая технология может быть наглядно проиллюстрирована с помощью элегантной аналогии, предложенной Джеромом Кристианом (институт Кранеги в Вашингтоне): см. рис.1.
Предположим вашей задачей является измерение однородности и количества осадков, выпадающих с дождем на некоторый экспериментальный участок. Для решения задачи можно сконструировать устройство, перекрывающее участок емкостями для воды, типа показанного на рисунке и, после окончания дождя, приступать к измерениям. Включение транспортерных  лент приведет к тому, что вода из наполненных верхних рядов емкостей начнет переливаться в пустые нижние и далее в измерительную емкость. Измеряя каждый раз количество добавочно поступившей воды, мы сможем рассчитать и нарисовать картину распределения количества осадков, упавших на разные части нашего участка. Практически точно так же работает и ПЗС матрица, только в этом случае  дождевыми каплями являются фотоны...
После экспонирования (засветки от исследуемых источников света)  электронная схема обработки сигналов создает внутри кристалла матрицы сложное электрическое поле, которое начинает слвигать столбцы с накопленными в пикселах электронами  к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный столбец, заряды которого сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем  микротоки, пропорциональные этим зарядам. Таким образом для каждого последующего момента времени мы можем получить значение  накопленного заряда и сообразить какому пикселу на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует. Обычно этим занимается компьютер.

     Основные характеристики ПЗС:

Одним из основных параметров матрицы является, так называемая, квантовая эффективность. Уже само это название отражает эффективность преобразования  поглощенных фотонов (квантов) в фотоэлектроны и сродни фотографическому понятию светочувствительности.
Поскольку энергия световых квантов зависит от их цвета (длины волны), невозможно однозначно определить сколько электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им например потока из ста разнородных фотонов. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в паспорте на матрицу как функция от длины волны и на отдельных участках спектра может достигать 80%.  Это гораздо больше, чем у фотоэмульсии или глаза (примерно 1%).
Чем больше размеры пиксела, тем больше фотоэлектронов он может накопить до насыщения (переполнения).  Так, например, у  SBIG ST5 с размерами пикселов 10 микрон, насыщение наступает при накоплении 50 000 электронов, а  SТ6 при пикселах 23х27 микрон позволяет без насышения работать с количеством до 400 000 электронов на ячейку!  В дальнейшем это число накопленных фотоэлектронов должно быть преобразовано в пригодный для работы ЭВМ цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Большинство современных матриц позволяют производить 16 разрядное считывание и сохранение накопленной в пикселе информации. Таким образом число доступных измерению уровней сигнала (отсчетов) у такой матрицы составляет 65535 (два в шестнадцатой степени).
Если за нижний предел принять уровень в 50 отсчетов , динамический диапазон составит более 1000, что во много раз лучше аналогичного параметра для фотоэмульсий (до 100).
Поэтому несмотря на то, что большие пикселы ухудшают разрешающую способность, с ними можно получить гораздо больший диапазон яркостей, что эквивалентно большей фотографической широте в фотографии, и немаловажно при съемке объектов с большим перепадом поверхностной яркости с нормальной проработкой деталей в светах и тенях (туманности, галактики, кометы и т.п.,). В обычной фотографии сходный эффект частично удается получить только с помощью достаточно трудоемких манипуляций с нерезкими масками (см. Звездочет N4, 1996 ).

Шумы и как с ними бороться:

Нижний предел обнаружения объекта на ПЗС зависит от уровня шумов, как случайных, так и производимых самой матрицей. Если ваша матрица производит больше электронов за счет своих внутренних свойств, чем производят фотоны от исследуемого объекта, то, образно говоря, полезный сигнал "утонет в шуме" и ни одна, даже самая современная программа не позволит вам получить качественное изображение исследуемого объекта.
Существует множество источников шумов: в основном это термоэлектроны производимые самой матрицей и шумы считывания, возникающие при перемещении зарядов по матрице. К этим обычным источникам можно добавить множество экзотических, таких как возможные радиочастотные наводки от всевозможных окружающих проводов, включения и выключения различных приборов, и даже регистрацию космических лучей! И что самое обидное из всех этих источников вас интересует только один род шумов - сигналы от изучаемых вами объектов. Можно согласиться, что для регистрации предельно слабых объектов уменьшение нежелательных шумов главный показатель качества матрицы.
Темновой шум это результат генерации термоэлектронов самими пикселами ПЗС матрицы за время экспозиции.  Количество возникших электронов  зависит от двух основных параметров: продолжительности экспозиции и температуры матрицы.
Охлаждение матрицы - один из эффективных способов уменьшить тепловые шумы. Как утверждают производители, количество теплоэлектронов уменьшается вдвое при уменьшении температуры кристалла всего на 8 градусов! Современные астрономические ПЗС практически все снабжены встроенным твердотельным электрическим холодильником на эффекте Пельте.  А небольшой терморезистор , укрепленный с обратной стороны кристалла, позволяет управлять электронной схемой, поддерживающей температуру матрицы с точностью до 0.1 градуса и фиксировать эту температуру на мониторе компьютера и в сохраняемом изображении.
Практика съемки заключается в получении темнового фрагмента с такой же длительностью и температурой, с какими будет производится съемка объекта. При обработке результата компьютер сможет вычесть этот темновой шум из полученного изображения.
Высокая точность воспроизведения параметров съемки во многих случаях позволяет использовать однажды полученный темновой фрагмент многократно, потому что скорость рождения термоэлектронов в каждом пикселе определяется технологией его изготовления и должна с хорошей степенью точности воспроизводиться  при одинаковой температуре и одинаковой продолжительности экспозиции.  Охлаждение матрицы может настолько уменьшить производство термоэлектронов, что становятся доступными очень длительные экспозиции (до 1 часа и более!) , в то время как у большинства матриц при комнатной температуре пикселы заполняются такими теплоэлектронами уже за несколько секуд даже при отсутствии засветки!
Большим конструктивным достоинством  многих матриц является наличие встроенного, управляемого с компьютера, (с помощью миниатюрного электромагнита) механического лепестка-затвора, который без проблем позволяет получать темновой фрагмент любой длительности как отдельно, так и в процессе съемки объекта (минимальная экспозиция для моей ST6 составляет 1/300 секунды, а у ST5 даже 1/1000!сек.).
Как было отмечено выше, при операциях перемещения зарядов по пикселам неизбежно возникает шум считывания  (при переливании нашей воды из ведра в ведро трудно вылить каждый раз все до последней капли!). Большинство современных матриц могут работать в таком режиме, когда  перед началом каждого следующего измерения отдельно измеряется количество оставшихся в ячейках электронов и это значение вычитается из последующего измерения, что, естественно практически удваивает полное время считывания информации. Если вы просто ищете объект съемки или наводите резкость, то для экономии времени предусмотрен режим быстрого считывания, при котором малые остаточные заряды не учитываются.  Большой шум считывания не является на наш взгляд краеугольным камнем в оценке качества матрицы. Для ST6 этот шум составляет  порядка 30 электронов на пиксел ( у ST5 - 20 эл.). Конечно, такой уровень существенен при съемке с короткими выдержками и особенно слабых объектов. Если фотоны от объекта рождают 100 электронов на пиксел, то отношение сигнал/шум будет около 3:1. Но простое увеличение времени экспозиции быстро исправит эту проблему. Так, накопив от того же объекта 1000 электронов, мы тем самым легко увеличим это важное соотношение практически в 10 раз...

ПЗС и фотометрия:

Применимость ПЗС для фотометрии оказалась поистине уникальной. Во-первых это двумерный приемник, и одновременно с исследуемым объектом вы получаете изображения  множества окружающих звезд пригодные для калибровки снимка. Далее поскольку матрица изготовлена на основе достаточно прочного кремниевого кристалла, ее временные параметры достаточно стабильны. Однажды прокалиброванная по наблюдениям стандартных звезд с разными фильтрами, она надолго соответствует полученным данным.  Очень важна и замечательная линейность ПЗС . Иными словами число электронов накапливаемых в пикселе точно пропорционально числу пришедших фотонов, в отличие от фотоэмульсий и телевизионных детекторов типа видикон (всем известные области недодержек, передержек и даже соляризации изображения)...
Несомненные удобства ПЗС для фотометрии становятся очевидными  в связи с возможностью учесть локальные технологические неоднородности в чувствительности отдельных пикселов при производстве матриц. На практике это выправляется с помощью техники флэт поля.
По английски флэт - это пол, площадка, уровень. Идея состоит в том, чтобы в рабочей комбинации матрица + телескоп получить снимок равномерного серого поля ( это может быть просто лист белой бумаги, освещенный рассеяным светом, или участок белесого сумеречного неба без звезд ). В дальнейшем компьютер сможет учесть возникшие перепады яркости по поверхности кадра и подкорректировать конечный снимок! Еще большим преимуществом использования такого режима является возможность учесть ложные фотометрические неоднородности изображения, вносимые самой оптической системой вашего телескопа. Если вам приходилось снимать небо штатным зенитовским Гелиосом, то вы наверняка обратили внимание на то, что этот объектив дает значительно более яркое пятно от неба в центре поля, чем по краям.
Чувствительность матрицы к свету поистине удивительна. Особенно когда у вас есть уже богатый опыт в астрофотографии. В качестве примера посмотрите на мой снимок редкого, сближающегося с Землей астероида 1980 РА, о котором я рассказывал в Звездочете N10 за 1996г. На снимке легко можно обнаружить несколько слабых галактик. И это при общей экспозиции всего в 1 минуту с небольшим, даже по любительским понятиям, 15 см рефлектором Ньютона (1:4.5)!

     Разрешающая способность:

Погоня за передачей мелких деталей привела к тому, что сейчас запросто можно увидеть в продаже ПЗС с размерами одного пиксела менее 10 микрон. Фактически для фотоэмульсии это эквивалентно разрешению 100 линий на миллиметр, что с трудом осуществимо для эмульсий с высокой чувствительностью. И не каждый телескоп, реально способен сфокусировать лучи разных длин волн в такую точку.  Тем не менее все больше и больше производителей предлагают нам конструкции на базе уже серийной микросхемы корпорации Кодак - Kodak KAF 0400 CCD chip (768х512 элементов размерами 9 микрон). Это MEADE PICTOR 416 XT (1695$), SBIG ST7 (2450$), Apogee AM4 (2495$) и др. Обратите внимание - стоимость одного пиксела у первой уже менее 0.5 цента! Встречаются и гораздо более экзотические, но и дорогие предложения . Цены на ПЗС с развитием рынка и технологии производства постоянно падают, поэтому если этот вопрос для вас актуален - обратитесь к прайст-листам фирм продавцов.
При среднем фокусном расстоянии любительского телескопа в 1.5 метра, 10 микрон в фокальной плоскости будут соответствовать всего 1.4 угловой секунды и, чтобы достичь такого разрешения, вам понадобится не только качественная оптика, но и хорошая ночь и отличный часовой привод.

Дополнительные возможности:

Способ подключения матрицы к компьютеру зависит от фирмы производителя ( типа приобретаемой вами матрицы) и должен быть детально описан в руководстве по эксплуатации. Понятно, что управлять работой матрицы должна довольно сложная электронная схема (плата с радиоэлементами). Одни фирмы выпускают эту плату как типовую плату расширения для компьютера, которая ставится в свободный разъем внутри него, другие - в виде отдельного блока размерами с книгу , который подключается  к одному из стандартных разъемов (портов) на задней панели компьютера. Преимущества первого способа состоят в возможности более быстрой полной обработки изображения (у современных моделей со SCSI-интерфейсом время обработки может быть порядка 1 секунды - действительно - раз - и готово!), второй способ привлекает возможностью установить на таком блоке дополнительные разъемы и реле, например для управления телескопом и, что немаловажно при морозах, непосредственно возле телескопа может быть только этот обрабатывающий сигналы блок, а сам компьютер можно попытаться спрятать в более теплое место. Как следует из документации на  ST6 с обычным разъемом и простым трехпроводным кабелем сигнал без проблем передается  на  расстояние до 30 метров, а с применением специальных драйверов и кабелей с витыми парами проводов и гораздо дальше. Основной неприятностью  является  проблема уберечь провода от радиочастотных наводок. Очень интересной возможностью многих камер является способность управлять телескопом. По крайней мере исправлять ошибки гидирования. Для этого в корпусе обрабатывающего блока находятся 4 реле, которые могут замыкаться и включать двигатели тонкой коррекции (вверх, вниз, вправо, влево). Запустите эту систему, и она как заправский водитель отработает и рассчитает все эти движения и тут же, с учетом сползания избранной гидирующей звезды по кадру, сама будет включать нужные двигатели на необходимое время.  Причем сможет проделать такой трюк даже с вашим самодельным приводом!!!
Если ваш телескоп не имеет моторной коррекции по обеим осям, возможности матрицы и компьютера вновь смогут достаточно неординарно решить эту проблему. Речь идет о так называемой track and accumulate технологии. Идея заключается в том, что полная длительная экспозиция разбивается на несколько коротких, таких, при которых проблемы плохого гидирования еще не заметны. При съемке в таком режиме вы отмечаете на первом кадре одиночную звезду для гидирования и желаемое количество и длительность фрагментов. Определив положение этой звезды , компьютер просто будет смещать все последующие кадры так, чтобы ее изображения накладывались друг на друга. Финальный результат будет зачастую не хуже, чем при съемке с одиночной длительной экспозицией. В дополнительном файле будут сохранены все выполненные смещения кадров ( аналогично часто применяемой в астрономии фотопечати с нескольких негативов). В конце-концов полученное изображение можно сохранить в файле специального формата, либо в одном из форматов, распространенных в мире ЭВМ.  Такие изображения можно затем обрабатывать с помощью различных компьютерных графических пакетов и передавать по электронной почте. В общем, работа с ПЗС лично для меня доставляет гораздо больше удовольствия, чем простое фотографирование, хотя для съемки протяженных объектов мы все же не забываем и о фотоаппаратах.