Digitaalinen ST-7E CCD kamera

ST-7E CCD kamera on täyttänyt Jyväskyläläisten tähtiharrastajien kovimmatkin odotukset tähtitaivaan äärimmäisten himmeiden kohteiden tehokkaana valonkerääjänä. Tällä sivulla löytyy tietoa CCD:n tekniikasta ja kuvien käsittelyn perusteista.


Perustietoa CCD tekniikasta

CCD-tekniikka on laajentanut harrastajien mahdollisuuksia havaita kohteita, jotka aikaisemmin ovat olleet havaittavissa vain ammattilaisten käyttämillä jättiläisteleskoopeilla. Karkeasti ottaen voitaisiin sanoa, että jos joidenkin kohteiden havaitsemiseen tarvittiin ennen kolmemetristä ammattilaisen jättiputkea, niin nykyään vähintään samaan mittaustarkkuuteen päästään jo 60cm teleskoopilla, joka on varustettu nykyaikaisella CCD-kameralla. Lisäksi CCD:n tunteettomuus valosaasteelle on aivan toista luokkaa kuin perinteisellä filmimateriaalilla, jolla kuvaaminen vaatii erittäin hyvän ja pimeän havaintopaikan.

CCD koostuu pienestä, noin peukalon kynnen kokoisesta valoherkästä piikennostosta. Kennosto muodostuu pienistä pikseleistä, joita nykyajan kameroissa on parhaimmillaan jopa miljoonia. Valofotoni aiheuttaa Piissä valosähköisen reaktion, jossa vapautuu elektroni. Koska elektronit ovat varauksellisia hiukkasia, ne voidaan varastoida kameran muistiin jokaisesta pikselistä erikseen. Valotuksen päätyttyä nämä varaustiedot luetaan tietokoneelle, joka muodostaa niiden perusteella kuvan. Nykyajan digitaalikamerat toimivat täysin samalla periaatteella, mutta niiden rakenne poikkeaa kuitenkin jonkin verran tähtitieteellisiin tarkoituksiin suunnitelluista kameroista.

CCD:n suuren herkkyyden vuoksi kamera rekisteröi myös ympäristön aiheuttamaa lämpösäteilyä. Tämä lämpösäteily näkyy kuvassa kohinana, joka vaikeuttaa himmeämpien kohteiden havaitsemista. Tästä syystä tähtikuvaukseen tarkoitettu kamera täytyy jäähdyttää. Harrastajakäytössä jäähdytys tapahtuu peltier-elementillä, joka jäähdyttää CCD kennon noin -40 astetta ympäristöä kylmemmäksi. Ammattilaiskäytössä jäähdytys suoritetaan nestemäisellä typellä, joten niissä muodostuva lämpökohina on olemattoman pientä. Koska kuva on digitaalisessa muodossa, tämä lämpökohina on kuitenkin poistettavissa jälkikäteen kuvankäsittelyllä ja erilaisilla kalibrointikuvilla, näistä enemmän alempana.

ST-7E CCD-kameran tekniikkaa

Kamera on tyypiltään ST-7E ja se on samalta valmistajalta kun Rihlaperän tähtitornilla lainassa ollut ST-6 . Edelliseen kameraan verrattuna ST-7E:ssa on erilainen CCD-kenno ja nopeampi liitäntätapa tietokoneeseen.

Valoherkkä CCD -kenno on kooltaan 6.9 x 4.6 mm, mikä on hieman pienempi kuin ST-6:ssa. Se koostuu 768x512 pikselistä, joista jokainen on kooltaan 9 x 9 mikronia. Pienemmät pikselit merkitsevät parempaa erotuskykyä, mutta myös pidempiä valotusaikoja, sillä pieneen pikseliin osuu vähemmän valoa.


Valmisteluja

Nyrölän tähtitornissa vuoden 1999 syksyllä kameran käyttöönotto sujui ongelmitta. Kamera kiinnitetään kaukoputken perään okulaarin paikalle ja lukitaan pienenllä kiristysruuvilla. Kamerassa on erillinen virtalähde, joka kytketään pistorasiaan ja datakaapelin toinen pää liitetään kameraan ja toinen jalustapilarin CCD-liitynnään. Lämpimän huoneen kuvaustietokoneessa (486dx) tähtitornista tuleva kaapeli onkin kiinni valmiiksi.

Ohjelman käynnistämisen jälkeen ensimmäiseksi on syytä laittaa kameran jäähdytys päälle, noin 20 astetta ulkolämpötilan alapuolella on todettu sopivaksi lämpötilaksi. Mitä kylmemmäksi kameran saa, sitä vähemmän kuvissa on lämpökohinaa. Ensimmäinen työvaihe CCD-kameralla (niinkuin tavallisellakin kameralla) kuvatessa on tarkennus. Nyrölässä tarkennus on tehty seuraavalla tavalla: tarkennusta on muutettu käsin ja jokaisen tarkennuskerran jälkeen on otettu fokusointikuva, josta on katsottu onko kuva tarkka. Tähän saa helposti kulumaan 15 minuuttia. Tarkennuksen yhteydessä kannattaa tarkistaa seurantaputken suuntaus kirkkaan tähden avulla, se helpottaa myöhemmin kohteiden löytämistä.

Kohteiden lopullinen tarkennus tehdään digitaalisen tarkennuslaitteen avulla.

Ja eiku kuvaamaan!

Kun fokusointi on suoritettu on aika siirtyä ensimmäiseen kuvauskohteeseen. Kohde löytyy yleensä helposti tietokoneen kääntäessä putken oikeaan suuntaan. Aluksi kannattaa ottaa lyhyt valotus, esim. 15 s ja tarkistaa kohteen paikka ja sommittelu. Kun kohde on halutussa paikassa otetaan sitten pidempi valotus, joka kohteesta riippuen on yleensä muutamia minuutteja. Tuloksena on raakakuva, tässä tapauksessa Supernovajäänne Messier1, joka on syytä heti tallettaa tietokoneen kovalevylle. Kuvaa voi tarkistella heti kuvausohjelmalla, mutta yleensä kuvien käsittely tehdään vasta kotona.

Korjailu

Kuvien myöhempää käsittelyä varten on otettava myös kalibrointikuvia. Jokaista eri valotusaikaa kohti on otetteva vähintään yksi ns. pimeäkuva, "darkki", joka otetaan kameran suljin kiinni. Pimeäkuvaan rekisteröityy kuvan lämpökohina ja kuvan luvussa mahdollisesti syntyvät häiriöt. Kun se vähennetään alkuperäisestä raakakuvasta, nämä häiriöt saadaan tehokkaasti eliminoitua. Varsinkin vanhemmissa kameroissa niissä syntyvä lämpökohina oli erittäin häiritsevää ja ilman näiden häiriöiden poistamista CCD-kameran muodostamalla kuvalla ei tee juuri mitään. Tästä näet raakakuvan dramaattisen parannuksen sen jälkeen kun siinä oleva lämpökohina on poistettu.

Toinen yhtä tärkeä kalibrointikuva on ns. flatfield-kuva, "flätti", joka saadaan kuvaamalla jotain tasavaloiseksi tiedettyä kohdetta, yleensä joka hämärää taivasta tai kupua erityisen objektiivin eteen asetetun suodattimen läpi. Tällainen flat-kuva pitää ottaa joka kerran kun kameran asentoa muutetaan suhteessa kaukoputkeen, yleensä siis kerran kuvausyössä. Flat-kuvalla korjataan eri pikseleiden keskinäiset pienet herkkyyserot ja kaukoputken ja pölyhiukkasten aiheuttamat varjostukset (katso edellinen kuva). Tuloksena on valmis kuva, jota voidaan edelleen parannella erilaisen kuvankäsittelysuodattimien avulla.

Yhteenveto

Kameran pääasiallinen käyttöpaikka on nyt Nyrölän tähtitornilla, jossa kuvaus tapahtuu uudella huippunykyaikaisella 16 tuumaisella Meade-teleskoopilla. Tähän mennessä saadut tulokset ovat ylittäneet kaikkien hurjimmatkin odotukset: Nyrölän huippuolosuhteet yhdistettynä uuden teleskoopin mahtavaan valonkeräyskykyyn on todellakin mahdollista havaita jopa 22 magnitudin tähtiä noin tunnin valotusajalla! Jo minuutin valotusajalla näkyy jopa 18-19 magnitudin kohteita. Tällä laitteistolla voidaan nähdä vaikkapa gammasädepurkausten optisia vastikkeita tai tehdä erittäin himmeistä, jopa 18 magnitudin supernovista tarkkaa fotometriaa.

Takaisin Siriuksen kotisivulle