Jesteś tutaj

Podstawy CCD

Jeszcze kilkanaście lat temu głównym źródłem astronomicznych danych były klisze fotograficzne. O ich niedoskonałościach wie chyba każdy kto kiedykolwiek próbował swoich się w astrofotografii. Szczególnie nieprzyjemne jest długie naświetlanie. Trochę w lepszej sytuacji byli zawodowi astronomowie. Duże teleskopy dawały więcej światła, przez co czas ekspozycji był krótszy. Zaletą profesjonalnych teleskopów była także stabilność i bardzo dobre prowadzenie. Amatorzy nie mieli jednak dostępu do tak dobrego sprzętu, a ich teleskopy, które podczas długich eskspozycji niemiłośiernie się trzęsły, doprowadzały ich do furii. Jednak to już przeszłość!

W astronomii nastała era CCD. Warto zaznaczyć, że potoczne CCD zwane może być zamiennie detektorem CCD lub kamerą CCD. Ale co to właściwie jest CCD? CCD to skrót z angielskiego Charge-Coupled Device, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza wieloładunkowe urządzenie. Ale to za pewne nic czytelnikowi nie mówi. Zacznę więc po kolei. Urządzenie zwane CCD w uproszczeniu zamienia padające światło, a dokładniej jego cząstki - fotony - na sygnał wyjściowy. Fotony uderzając w elektrony półprzewodnika, z którego zrobiony jest detektor, wybijają je ze swoich "miejsc". Następnie poprzez zliczanie wybitych elektronów wiemy ile światła padło na detektor. To jest uproszczona zasada działania kamery CCD. Detektor CCD jest to dwuwymiarowa płytka, na powierzchni której mamy równoległe kolumny i wiersze fotoelementów. Są to tak zwane piksele. Produkowane teraz detektory mają wymiary od 196 x 145 do 4096 x 4096 pikseli. Weźmy dla przykładu kamerę o wymiarach 1530 x 1020 pikseli. Wymiar ten oznacza tyle, że na jednym boku mamy 1530 pikseli ustawionych jeden przy drugim, a na boku prostopadłym do niego 1020 pikseli także ustawionych jeden przy drugim. Z prostej matematyki możemy wyliczyć, że na całej powierzchni chipa CCD mamy 1560600 piksele. Porównajmy sobie teraz jaka jest wydajność kwantowa kliszy fotograficznej i detektora CCD. Jeżeli na kliszę pada 100 fotonów światła to rejestrowany jest tylko jeden z nich. Oznacza to, że wydajność kwantowa wynosi 1%, co odpowiada w rzeczywistości wydajności kwantowej kliszy. Weźmy pod uwagę gorszy typ detektorów CCD - tzw. front-illuminated. Detektory tego typu mają wydajnosc kwantową sięgającą 50%, czyli na 100 padających fotonów rejestrowanych jest 50. Detektory lepszego typu, tak zwane back-illuminated mają wydajność kwantową sięgającą nawet 90%, czyli aby otrzymać taki efekt jak na kliszy fotograficznej po 15 minutach, przy zastosowaniu kamery CCD wystarczy naświetlać zaledwie 10 sekund. Oczywiście nie dla całego zakresu widma optycznego wartość wydajności kwantowej jest stała, lecz maksimum przypada dla długości fali około 700 nm i zmniejsza się zarówno idąc w stronę fal czerownych, jak i niebieskich. Istotną zaleta jest także liniowość odpowiedzi. To znaczy nie da się ani prześwietlić, ani niedoświetlić ekspozycji, jak to ma miejsce w przypadku kliszy fotograficznej.

Powyższe kilkanaście zdań ma na celu zapoznać czytelnika z tym o czym będę pisał na tej stronie. Warto zacząć dokładniej przyglądać się zjawiskom i budowie detektora CCD, gdyż łatwość jego obsługi oraz przeważająca ilość zalet nad wadami wróży mu duże sukcesy w przyszłości.