Zakaj je CMOS tehnologija spremenila svet astronomije?

0

Pred nekaj leti je v Nici (Francija) potekala delavnica Juno Ground- Based Support from Amateurs: Science and Public Impact. Na njej smo lahko prisluhnili številnim zanimivim predavanjem. Sam sem imel to čast, da sem v okviru mojega sedaj že nekajletnega tesnega sodelovanja s kitajskim podjetnem ZWO predstavil CMOS tehnologijo v predavanju z naslovom CMOS technology changed the astronomy world.

Ali je CMOS tehnologija spremenila svet astronomije?

Je, se glasi enostaven odgovor. V zadnjem desetletju so največji napredek v astronomiji, predvsem amaterski, poleg programske opreme zagotovo prinesle astronomske kamere, ki temeljijo na CMOS tehnologiji. Razlogov za to je kar nekaj. Astronomske kamere s CCD (kratica za Charge-Coupled Device) senzorji so v svetu astronomije prevladovale praktično od poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja in če sem pošten – predolgo! CCD senzorji proizvajalca KODAK, ki so večinoma v vseh CCD astronomskih kamerah, so že 20 let in več stara tehnologija, kar je danes za preostali razvojni trend v svetu resnično smešno. A k sreči je CCD tehnologijo v zadnjih nekaj letih enostavno povozil čas in v ospredje so prišle astronomske kamere, ki v sebi skrivajo CMOS (kratica za Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) senzorje. CMOS tehnologija pa zaradi globalnega trga in navzočnosti v proizvodih za masovno uporabo doživlja pravi razcvet.

Nekje v letih 2009 do 2010 so CMOS senzorji na globalnem trgu začeli prevladovati. Danes CMOS senzorje zaradi odličnih karakteristik uporabljamo v vseh masovnih komercialnih proizvodih, znanosti in medicini.

In kaj so prednosti CMOS tehnologije? Proizvodnja CMOS senzorjev je v primerjavi s proizvodnjo CCD senzorjev cenejša, kar posledično omogoča cenejše končne izdelke. CMOS senzorji se danes uporabljajo v praktično vseh masovnih potrošniških proizvodih, kot so na primer pametni telefoni, računalniki, fotoaparati .., kar CMOS tehnologiji omogoča, da ima največji tržni delež. CMOS senzorji imajo zelo visoko občutljivost, QE (kratica za Quantum Efficiency, kvantni izkoristek) se giblje med 70 in 80% (odvisno od modela, lahko tudi več ali manj), CMOS senzorji imajo v primerjavi s CCD senzorji izredno nizek bralni šum ter zmožnost hitrega zajemanja slike in še bi lahko naštevali. V svojem predavanju sem se dotaknil prav teh treh najbolj ključnih prednosti, ki so izredno pomembne pri astrofotografiji: visoke občutljivosti, nizkega bralnega šuma in zmožnosti hitrega zajemanja slike, zato jih v nadaljevanju tudi na kratko predstavimo.

Simulacija slike Jupitra, posnetega z različnimi kamerami. Pri vseh je osvetlitev 0,001 sekunde, velikost slikovnega elementa pa 2,9 mikrometra. Glavna razlika med njimi je v bralnem šumu in občutljivosti. Levo: bralni šum 8e–, kvantni izkoristek 60%. Na sredi: bralni šum 1e–, kvantni izkoristek 75%. Desno: bralni šum 0e–, kvantni izkoristek 100%.

Tri vrhunske lastnosti cmos senzorjev

Za občutljivost (QE) katerekoli astronomske kamere lahko rečemo, da ni nikoli previsoka. Vedno si želimo, da ulovimo prav vse fotone svetlobe, ki padejo na naš senzor. Želeli bi seveda 100% izkoristek, a v praksi je to nemogoče. Običajno se nam amaterjem dostopne kamere ponašajo s kvantnim izkoristkom, ki je nekje med 70 in 80 odstotki. To poenostavljeno pomeni, da senzor od 100 vpadnih fotonov svetlobe ulovil le 70 fotonov, 30 pa se jih izgubi. Visoka občutljivost je še posebej pomembna pri astrofotografiji, kjer se srečujemo z objekt, ki sijejo šibko. Občutljivost senzorja se spreminja z valovno dolžino svetlobe. Planetarna kamera ASI224 ima na primer visok kvantni izkoristek v infrardečem območju spektra, kar pomeni, da je mogoče s to kamero posneti dobro sliko Jupitra z metanskim filtrom (filter CH4), ki prepušča le ozek pas v bližnji infrardeči svetlobi.

Simulacija Jupitra, posnetega s kamerama, ki imata majno in veliko občutljivost (QE).

Bralni šum povzroča sama elektronika kamere, ker je žal toplejša od 0 Kelvinov, tako da je ta šum vedno navzoč na vsaki sliki, tudi če s kamero posnamemo popolno temo. Zakaj pa želimo nizek bralni šum? Preprosto zato, ker želimo, da dobimo bolj kakovostno (čisto) sliko našega objekta, bodisi galaksije ali planeta, bralni šum pa nam zamegli najbolj šibke podrobnosti (ki se zlijejo s šumom). Večina astronomskih CCD kamer ima bralni šum osemkrat večji od modernih astronomskih CMOS kamer.

Simulacija prikazuje Jupiter, posnet s kamerama, ki imata visok in nizek bralni šum.

Hitrost vzorčenja je zagotovo zelo pomembna, še posebej pri planetarni fotografiji. Če planet slikamo z manj kot 30 sličicami na sekundo, nam seeing v celoti pokvari zajeto sliko. Seveda, želimo si čim večje hitrosti, a s tem pridejo številne tehnične omejitve: kamera tega enostavno ne omogoča, omejena hitrost zapisovanja na disk računalnika (v planetarni fotografiji priporočamo uporabo hitrih SSD diskov), uporabljamo starejšo in počasnejšo USB 2.0 povezavo, imamo majhen teleskop in še bi lahko naštevali. Vemo, da s hitrim zajemom slike lahko praktično v celoti zamrznemo posledice slabega seeinga in tako dobimo izredne podrobnosti, ki jih sicer nikakor ne bi. Upoštevajmo pa, da je hitrost vzorčenja odvisna tudi od občutljivosti kamere in od bralnega šuma, ki nam omogočata, da lahko v krajšem času dobimo več. Danes nam ASI kamere zaradi naštetih karakteristik omogočajo zelo velike hitrosti vzorčenja, tudi z 200 ali več sličicami na sekundo. Vse tri naštete lastnosti pa na koncu seveda hodijo z roko v roki.

Simulacija prikazuje Jupiter, posnet s kamerama, ki imata majno in veliko hitrost vzorčenja (fps = frames per second).

Je CMOS tehnologija absolutni zmagovalec

Če smo pošteni, moramo povedati, da tudi pri CMOS senzorjih ni vse idealno. CCD čipi imajo v primerjavi s CMOS-i običajno veliko boljši dinamični razpon. To v praksi pomeni, da na primer svetle zvezdice niso prehitro presvetljene. A tudi pri CMOS tehnologiji nekateri modeli kamer že omogočajo razmeroma dober dinamični razpon. Tudi velikost slikovnih elementov, ki je izražena v mikrometrih (μm), je pri CMOS senzorjih v nekaterih modelih kamer zelo majhna (zelo popularen model kamere ASI1600 ima velikost slikovnega elementa le 3,8 μm). Pri planetarni fotografiji je to sicer zelo dobra prednost, pri fotografiji objektov globokega vesolja pa bi se verjetno bolje obnesli malenkost večji. Zakaj? Z majhnimi slikovnimi elementi imamo sicer veliko ločljivost, opazovalni pogoji pa so pri nas praviloma zelo slabi. Tako v praksi nikoli ne izkoristimo te velike ločljivosti, zaradi nje pa imamo velikanske datoteke zajetih slik, ki jih moramo na koncu, če hočemo dobiti sliko posnetega objekta, nekako obdelati. Tudi zato imajo nekateri novejši modeli CMOS kamer senzorje s slikovnimi elementi velikosti okrog 6 μm. Za CCD kamere so značilni slikovni elementi velikosti 6 μm, 9 μm pa tudi več.

Moderne ZWO CMOS kamere s katerimi lahko fotografiramo planete, Sonce, Luno in objekte globokega vesolja.

Prihodnost je seveda v rokah proizvajalcev senzorjev, kot so Sony, Omnivison, Aptina in drugi. Največji proizvajalec senzorjev Sony je že opustil proizvodnjo CCD senzorjev in se posvetil zgolj in samo razvoju vse boljših CMOS senzorjev (na primer serija Exmor R Back- Illuminated). Kodak, nekdaj vodilni proizvajalec CCD senzorjev (najdemo jih v kamerah proizvajalcev, kot so SBIG, ATIK, Apogee in številnih drugih) pa bo, če ne bo naredil kaj revolucionarnega, zaradi neprilagodljivega sistema upravljanja propadel, kot kakšna Nokia, ki ni pravočasno prepoznala potenciala pametnih telefonov. Seveda pa se moramo zavedati, da astronomija za proizvajalce senzorjev ne igra nobenega pomembnega parametra. Proizvajalci astronomskih kamer lahko le izbirajo med tem, kar jim je na voljo na tržišču.

Na koncu bodimo pošteni in povejmo, da lahko danes zahvaljujoč ravno dostopni CMOS tehnologiji številni astronomi amaterji kar iz domač ega vrta delamo fotografije, ki so res vrhunske in že mejijo na neverjetno. Pa še nekaj. Na polici sta CMOS in CCD kameri popolnoma enakovredni – na obeh se nabira prah.

Delite na

O avtorju

Matej Mihelčič

Urednik Spikinega spletišča, astrofotograf, popularizator astronomije, organizator astronomskih srečanj in delavnic.