使用冷冻CCD的业余天文摄影.doc

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： 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57，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：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