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使用冷冻CCD的业余天文摄影
许维倚 / 2012-09-19

使用冷冻CCD的业余天文摄影


许维倚

 

 

谈起数码天文摄影,早几年有很多同好都写过相应的文章,随着科技的发展,社会的进步,人民生活水平的提高,我们的天文摄影也越来越多样化,业余天文爱好者越来越专业。民间天文摄影从一开始的胶片盒子到胶片相机,再发展到普通消费级数码相机,而后到单反数码相机,现在业余天文爱好者手里的冷却天文专用CCD也越来越多了。其实冷却CCD在天文上的应用比数码单反的普及要早得多,但是其价格极其昂贵,那时冷却CCD只出现在一些专业天文台的望远镜上,个人很难买得起,也很少为人所知。冷却CCD在天文摄影上的应用相对于普通数码单反相机的好处在于超低稳下CCD曝光热噪音小,读出噪音小,输出数据完全无压缩,无损坏,对焦方便,后期制作灵活等。所以他的出现引起了天文爱好者的注意,单是极其可观的价格却只能忘而此步,21世纪处,一些国外的冷却CCD相机生产商开始制作了一些相对低端的产品,但是价格相对于普通爱好者还是比较高,那些相对地端的产品折合人民币也在10万元左右。国内只有极少数的几个业余爱好者在使用。直到2007年,由清华大学邱虹云博士设计开发的QHY系列冷却天文专用CCD在国际市场上出现后,由于QHY系列冷冻CCD相对于其他品牌的天文CCD拥有很大的价格优势,业余天文CCD市场马上热闹起来。


使用冷冻CCD的天文摄影优势大概有几点。

超低温下CCD成像的热噪音小,读出噪音小,也就是信噪比高。

下面是使用单反数码相机和冷冻CCD分别普通同一个目标,曝光时间都是10MIN。由于冷冻CCD的增益(相当于相机的ISO)读出数据原始,经过简单后期后跟数码单反拍摄时的增益一样。在图中我们可以明显地看到冷冻CCD在噪点方面的优势。

 

 

单反相机:

QHY CCD

 

 由于彩色CCD的后期制作和操作相对简单,所以一般入门级的业余天文爱好者使用彩色CCD的相对多一些,更专业的天文摄影都要使用黑白的CCD,由于黑白CCD灵敏度高,合成彩色照片后像素高,通过黑白CCD配合滤镜进行不同波段的拍摄和科学研究,业余天文爱好者使用黑白CCD进行天文拍摄也在增加,或者由彩色升级到黑白。

天文专用CCD正逐渐普及,天文爱好者的拍摄水平也越来越高,我们也都渐渐抛弃单反相机,由于QHY CCD的出现,国外SBIG、APOGEE等天文CCD生产厂家长期垄断的市场局面也将瓦解,我们业余天文爱好者将有更多的机会拍摄出更为震撼的天文作品。

 


原始数据输出,图片质量无压缩,无损坏,后期制作灵活。

下图中使用单反数码相机拍摄的照片使用RAW格式拍摄的10MIN原片,仍然后压缩,而且数码相机自带的软件已经放大了,照片部分区域曝光已经饱和。使用冷冻CCD拍摄10MIN的原片数据原始,可调的范围非常大,可以使用一些专业的软件进行放大比如MaxIm、IRIS、PS等。

 

单反相机:

QHY CCD

另外通过专业软件读取,由于CCD输出原片为16位,可以做一些科学研究或者获得一些有用的信息,比如通过像素读取曝光天区的面积、通过亮度读取一些波段的数据等。

也可以通过专业的步骤做一些图象处理,得到更为精确的天体作品。比如去本底、减暗流、除平场等。在这里有必要摘录好友余恒的《所谓本底,暗流和平场的概念》解析一下BIAS、DARK、FLAT。

本底(BIAS):
零秒曝光,无信号输入时,所记录的CCD输出。CCD作为半导体材料,由于制作工艺的精度限制,不同的像元不完全一致,即使有相同的启动栅偏压,也有不同的预加电荷数,CCD启动后背景就不是均匀的了。从数学上来讲,无信号时像元的光子计数值应均为0,如果计数零点不同(0、1、2、3……都有可能),则要在计数结果中减去初始值,才是真实获得的光子数。这是CCD的固有属性,与温度、时间无关。通常选取最短的曝光时间(0.01秒以下)——这时热噪声可以忽略,不开镜头盖(注意防止漏光),拍5-10张进行叠加。

暗流(dark current noise,也称“热噪声”):
CCD器件是将接收到的光子转换为电子进行计数,但是由于电子的随机运动(随温度升高而加剧,故称热运动),在没有光照时CCD势阱中也会有电子积聚,产生输出,便为暗流。暗流也是随机产生的,符合高斯分布。
暗流随温度而改变,一般每升高5~7℃,暗流就增加一倍。而且天文摄影曝光时间较长,感光元件会因长时间使用而升温,图像质量迅速下降,因此数码相机的曝光时间不能太长。通常以叠加消除。业余CCD系统则多采用半导体制冷,而专业CCD常用液氮制冷,温度低于 -110℃,此时暗流很小,可以忽略不计。

平场(flat field):
由于CCD各像元的灵敏度并不完全一致,即使是对均匀光源面的反应也会出现差别。因此观测天体之后,还要拍摄均匀光源作为比对标准,称作平场。均匀光源可以采用白炽灯均匀照射的白布,黄昏或晨光中的天光背景等,选择一定的曝光时间拍摄多幅图像,叠加平均便得平场。其中选择天光背景时每拍一张之后都要旋转望远镜,以防止最终的平场图像中出现星点。假设每个像元从均匀光源面接收到100个光子应转换出60个电子(设CCD平均量子效率为60%),但是各像元处的实际数目可能为59、62、57……,那么同为1000个电子的像元所接收的光子数可能并不相同,这时要从最终的电子计数结果中除以各像元对应的平场值,便得到准确的相对亮度。


通常业余天文摄影只做以上3步,还有更详细的内容就不介绍了。

数码单反相机由于主要用于日常拍摄,物体的红外波段和可见光波段不在一个焦点上,如果不截止红外波段的曝光,使得照片会不清晰。在天文摄影上,有很多星云属于不可见波段范围内,普通单反相机在CCD前面附加了一块红外截止滤镜,数码单反用于拍摄一些散射红外星云,无法曝光到更多的细节。除非拆除红外截止滤镜。天文专用CCD无红外截止滤镜或者使用了更宽的红外截止滤镜,使得天体红外射线更充足的曝光,提高星云反差。下面两图是普通单反相机和天文CCD拍摄的同样的散射星云对比。
 

 

单反相机:

QHY CCD

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