Изучение астрономических цифровых приёмников излучения на примере камеры CANON 1000D

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение астрономических цифровых приёмников излучения на примере камеры CANON 1000D

Цель работы: изучение общих принципов устройства и работы цифровых приёмников излучения. Изучение приёмов работы с цифровой камерой и методов её исследования.

Приборы и материалы:

Цифровая камера CANON 1000D

Основы устройства приборов с зарядовой связью

Основой современных изображающих систем являются приборы с зарядовой связью (ПЗС матрицы). Рассмотрим, как действует типовая камера. Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов (пикселей), задача которых преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это следующим образом (Рисунок 1) [3].

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий, он либо срикошетит от поверхности, либо будет поглощен в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьет насквозь» нерабочую зону. Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решетки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается, необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище.

Рисунок 1 - Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС:

1) фотоны света, прошедшие через объективфотоаппарата;

2) микролинза субпикселя;

3) R - красный светофильтрсубпикселя, фрагмент фильтра Байера;

4) прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;

5) оксид кремния;

6) кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей - зона внутреннего фотоэффекта;

7) зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;

8) кремниевая подложкаp-типа.

Общие принципы фотометрического определения температуры

Одним из главных достижений в практической астрофизике являются методы, разработанные для исследования и определения температур космических источников излучения. Практически вся астрономия построена на приеме и анализе испускаемого небесными телами электромагнитного излучения и спектр. Специфика астрономии заключается в том, что это излучение является практически единственным источником информации о космических источниках излучения. При этом существует большое число источников света излучение которых по составу близко к чернотельному. Для таких источников теоретически обоснованы методы оценивания температур на основе фотометрических измерений в нескольких участках спектра.

Одним из первых подходов в этом направлении является метод, базирующийся на использовании фотометрической системы UBV. Формула для определения температур звезд, будет иметь следующий вид:

(1)

Здесь В - фотометрическая оценка излучения в голубой области спектра, V в видимой (зелёно-жёлтой) области спектра.

Цветовые характеристики камер

Метод оценивания температуры тепловых источников близких по характеристикам к АЧТ, то есть звезд базируется как на характере распределения интенсивности их излучения по длинам волн, так и на цветовой системе приемника. Последнее складывается, по крайней мере, из двух компонентов.

Первой из составляющих является кривая пропускания оптики - объектива камеры. Доступные данные указывают на то, что объективы крупнейших мировых производителей цифровых камер свободны от селективности. То есть в оптической области спектра они пропускают все излучение на уровне не ниже 99 процентов, что очень полезно для нашей задачи.

Второй является селективность (или спектральная характеристика) самой КМОП-матрицы. Она складывается в свою очередь из спектральной зависимости квантовой эффективности пикселей и, спектральных характеристик установленных на них фильтров: отрезающего инфракрасного фильтра и микрофильтров, устанавливаемых перед пикселами [4].

Стандартные объективы, имеют ровные спектральные характеристики в области 0,4-1,1 мкм, с небольшим спадом на краях диапазона, поэтому, они почти не оказывают влияния на результирующую спектральную характеристику. Объективы серий день-ночь, и объективы, специально предназначенные для цветных камер, имеют более сложную спектральную характеристику, значительно отличающуюся в ИК области от характеристики стандартных объективов. Объективы из кварцевого стекла, наоборот, имеют расширенную характеристику в области УФ вплоть до 0,3 мкм, что позволяет проводить наблюдение объектов в ближней УФ области (Рисунок 2)

Рисунок 2 - Спектральная характеристика КМОП - матриц, применяемых в камерах CANON

Данные о ходе спектральной чувствительности для типовых камер представлены на рисунке 2. Такие характеристики позволяют сравнить цветовую систему матрицы со стандартной системой UBVR. Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых - преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Фотометрические оценки температуры звезд

Рассмотрим последовательность проведения фотометрической обработки изображения некоторого созвездия.

При получении изображений (цифровой съемке) нужно учитывать минимизацию эффектов поглощения света (выполнять снимки области прилегающей к зениту) и возможного влияния нелинейности отклика приемника. Последнее обстоятельство определяет максимальное значение допустимой экспозиции для исключения ситуаций с передержкой изображений звезд.

Для известных звезд выбранного созвездия нужно найти данные о температурах звезд (в Постоянной части Астрономического календаря или в программе Stellarium). Можно ограничиться и показателями цвета, тогда температура вычисляется формуле:

Пример таблицы основных характеристик звезд «ковша» Большой Медведицы

В столбцах таблицы последовательно приведены название, блеск, показатель цвета и вычисленная температура звезды.

На следующем этапе используя программу, позволяющую представить цифровое изображение участка звездного неба разложенным на цвета в отдельных полосах пропускания (в цветовой системе камеры), нужно оценить разности блеска звезд (приборные показатели цвета). Интерфейс программы показан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Интерфейс программы

Прежде чем приступить, к работе с данным методом первоначально необходимо запустить программу MathCad, затем уже открывать саму программу. Сущность работы программы сводится к выполнению следующего алгоритма:

1) Выбираем исследуемую звезду и записываем ее координаты n_z и m_z,(где n - горизонталь, а m-вертикаль).

Для этого выбираем наиболее удачную фотографию звезд в зените, указываем путь в трех цветахR,G,B к данной фотографии, затем открываем ее с помощью программы Paint, наводим на звезду и записываем отображаемые координаты, данные в пикселях, сперва идет координата по горизонтали, потом по вертикали.

2) Программа строит квадрат 5*5 и считает сумму отсчетов (то есть числа фотоэлектронов) по всем пикселям в каналах R, G, B.

Метод разделяет изображение на квадраты (сетку) в которых на отдельных участках можно просчитать электронный аналог видимой испускаемой величины блеска звезды, делается это прежде заданием сначала координат необходимого нам объекта, теплового источника излучения по изображению.

3) Ставим курсор невдалеке от звезды на пустом месте. Записываем координаты n_zf и m_zf и точно такую же как отмечено выше площадку строит программа и считает R,G,B.

Это необходимо для нахождения погрешности, вносимой в измеренную меру блеска звезды рассеянным светом. Найденное число будет являться мерой фоновой засветки.

В итоге получаем сводную таблицу, содержащую порядковый номер расчетной точки, ее координату, показатели цвета в полосах пропускания после чего можно произвести необходимые расчеты для определения показателей цвета точки (звезды) в инструментальной цветовой системе.

Взяв за эталон одну из звёзд мы настроили программу и выполнили следующие шаги:

1) задали путь к изображению C:\Users\f9179\Desktop\4762.bmp;

2) ввели координаты положения звезды эталона (Х и У) и пустого места рядом со звездой (х и у);

3) вводим координат пустого места рядом с исследуемой звездой;

4) вводим координаты начала исследуемой звезды (Х₁и У₁);

5) вводим координаты конца исследуемой звезды (Х₂и У₂в);

6) Разбиваем звезду на 2 части.

Имея показатели цвета можно вывести формулу связи показателя цвета с температурой, для этого необходимо сопоставить значения показателей цвета.

В синем и голубом диапазоне:

. (2)

В зеленом и красном диапазоне:

(3)

Конечное выражение для определения температуры примет вид:

.(4)

Изображение, разложенное на три цвета (в красном, зеленом и голубом диапазонах), сопоставим с данными UBV системы для этого необходимо получить разность значений в синем и голубом диапазоне, а так же зеленом и красном.

Следующим этапом, получив все необходимые данные, производим решение задачи поставленной изначально, составляем систему уравнений из данных показателей цвета двух звёзд:

Полученная формула является общей для нахождения температур звезд. Результаты расчётов, выполненных по этой формуле сопоставляем со стандартными значениями температуры.

Конструкция и технические характеристики цифровой камеры CANON EOS - 1000D

Камера представляет собой высокоточный аппарат. Корпус модели EOS 1000D выполнен в лучших традициях зеркальных камер Canon- он эргономичен и хорошо сбалансирован. Модель компактна и непривычно легка. Несмотря на свою легкость, корпус модели очень надежен, он представляет собой металлическую раму, на которой находятся электронные платы и пластиковые панели. Высококачественная конструкция корпуса препятствует попаданию внутрь пыли. CANON EOS 1000D выполнен из высокотехнологичного устойчивого к трению пластика. Расположение элементов управления традиционно система управления будет удобна для опытных пользователей и интуитивно понятна для новичков. Камера оснащена ЖК-дисплеем с диагональю 2,5”, углом обзора 160° по вертикали и горизонтали, разрешением 230000 пикселей. Монитор выполняет информационные функции, используется для просмотра отснятых фотографий, а также, в режиме LiveView, для визирования изображения «на замену» видоискателю[1].

Камера обеспечивает множество таких функций, как высокоскоростная точная автофокусировка для движущихся объектов, стили PictureStyles, позволяющие расширить возможности съемки, различные режимы съемки от полностью автоматического режима до творческих режимов, а также съемка с просмотром в режиме LiveView.

В камере также установлены интегрированная система отчистки EOS для удаления следов пыли на изображении и блок самочистки датчика изображения для стряхивания пыли с датчика.

Если камера быстро переносится с холода в теплое помещение, то на камере и ее внутренних деталях может образоваться конденсат.

Во избежание конденсации сначала поместите камеру в закрывающийся пластиковый пакет. Перед извлечением камеры из пакета необходимо подождать, пока она нагреется. ЖК-дисплей изготовлен по высокоточной технологии и имеет более чем 99,99 процентов эффективных пикселей, среди оставшихся 0,01 процентов могут быть несколько неработоспособных пикселей. Неработоспособные пикселы, отображающие только черный, красный и т.п. цвет, не означают неисправность. Они не оказывают влияния на записанные изображения.

Цифровая камера позволяет сразу просмотреть снятое изображение. Зарядное устройство данной камеры рассчитано на напряжение питания от 100 до 240 В переменного тока частотой 50/60 Гц(Рисунок 4).

Рисунок 4 - Внешний вид камеры CanonEOS-1000D

Для формирования изображения модель EOS 1000D использует 10-мегапиксельную КМОП-матрицу. Высокое разрешение датчика позволяет получать снимки, которые можно с высоким качеством печатать в формате А4 даже после значительного кадрирования. Светочувствительность матрицы изменяется в пределах ISO 100-1600. Камера оснащена мощной многоуровневой системой защиты матрицы от пыли. Система предусматривает особую конструкцию корпуса и антистатическое, отталкивающее пыль, покрытие матрицы. Но основной частью системы «антипыль» является особый механизм, который заставляет матрицу вибрировать приблизительно в течение секунды после включения, благодаря чему датчик сбрасывает с себя самые упорные микрочастицы. Вибрация ничуть не замедляет работу камеры: она очень кратковременно и немедленно прекращается при нажатии спусковой кнопки. В процессор камеры также «зашита» система DustDeleteData, -онаопределяет положение частиц пыли, а впоследствии пользователь может устранить проявившиеся дефекты при помощи программы DigitalPhotoProfessional[3].

В таблице 1 приведены подробные оптические и технические характеристики камеры Canon 1000D.

Баланс белого может устанавливаться автоматически, по предустановкам или вручную с помощью пользовательской настройки [2]. На замену профессиональному режиму установки цветовой температуры в градусах Кельвина пришла упрощенная функция сдвига в цветовых областях от синего к янтарному и от малинового к зеленому. Возможен также брекетинг баланса белого. Камера поддерживает библиотеку стилей, которые позволяют придавать изображению нужный характер (пейзаж, портрет и др.) Модель оснащена встроенной вспышкой и поддерживает работу со вспышками внешними. Возможна синхронизация с выдержкой 1/200 с., беспроводное управление группой вспышек, синхронизация по второй шторке, коррекция и брекетинг мощности импульса.

В камере привлекает возможность видеть изображение перед съемкой (удобно для фокусировки) и возможность применения карточки SD. Привлекает размер пикселя, емкий аккумулятор и небольшой вес. Эта модель является самой легкой среди линейки EOS, однако при этом обладает достаточно весомым набором передовых функциональных возможностей. Аппарат оснащен фирменным новым процессором обработки изображений DIGIC III. Эффективность нового процессора заключается в том, что в нем улучшена технология подавления шумов, автоэкспозиции и экспозиции [4].

цифровой камера фотометрический приемник

Литература

1) Матрицы камер SONY и CANON

http://photodrom.com/book/article/chistka-matricy-fotoapparata.html (актуален на 17.01.2013).

2) Фотометрические характеристики цифровых камер

http://www.vnisi.ru/joomla/ru/deyatelnost/fotometricheskie-izmerenija (актуален на 13.11.2012).

3) Технические характеристики цифровых фотоаппаратов

http://ru.wikipedia.org/wiki (актуален на14.03.2013)

4) ПЗС-матрица в цифровых камерах

http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Tecnic/12_103951.doc.htm (актуален на 13.11.2012)

Размещено на Allbest.ru