Преимущества и недостатки ПЗС

· Основной прогресс в регистрации астрономических объектов был достигнут, в первую очередь, за счет удивительной чувствительности ПЗС-матриц. Если для получения изображения слабой галактики на фотопленку требуются порой часовые выдержки, то ПЗС позволяет сократить время экспозиции до нескольких минут или даже секунд.

· Способность приемника улавливать свет от объекта определяется его квантовой эффективностью, которая отражает эффективность процесса преобразования поглощенных частиц света (квантов) в электроны и сродни фотографическому понятию светочувствительности.

· Поскольку энергия квантов зависит от их длины волны, невозможно однозначно определить, сколько электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им, например, потока из ста разнородных частиц света. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в паспорте на матрицу как функция от длины волны и на отдельных участках спектра может достигать 80%. Это гораздо выше аналогичного показателя для фотоэмульсии или глаза, у которых квантовая эффективность составляет 1% и 3% соответственно.

· Известно, что фотографическая эмульсия способна сохранять свою чувствительность к свету лишь короткое время в самом начале экспозиции и резко теряет ее при длительных выдержках. ПЗС-матрица, напротив, обладает выдающейся линейностью. Это означает, что ее чувствительность остается стабильной в течение всего времени экспозиции, и число электронов, собираемых в пикселе, прямо пропорционально числу попавших на него квантов света.

· Мелкие детали объекта не смогут быть зафиксированы, если приемник излучения не будет обладать соответствующей разрешающей способностью. Современный уровень технологии позволяет выпускать матрицы с размерами пиксель от 7 до 52 микрон, и сейчас запросто можно встретить в продаже матрицы с пикселями менее 10 микрон. Для фотопленки это фактически эквивалентно разрешению 100 линий на миллиметр, что с трудом осуществимо для эмульсий с высокой чувствительностью.

· Однако столь малые размеры светочувствительных элементов требуются далеко не всегда. Во-первых, не каждый телескоп реально способен сфокусировать лучи разных длин волн в такую маленькую точку. Кроме того, чем больше размеры пикселя, тем больше электронов он может накопить до полного насыщения. Несмотря на то, что крупные пиксели ухудшают разрешающую способность, с ними можно получить гораздо больший диапазон яркостей, что эквивалентно большей фотографической широте в фотографии. Это свойство особенно важно при съемке астрономических объектов, обладающих большими перепадами яркости.

· Если за нижний предел принять уровень сигнала в 50 электронов, то динамический диапазон матрицы с 10-микронными пикселями составит 1:1000 (50000, деленные на 50). У матриц с более крупными пикселями эта величина еще больше. Она много раз лучше аналогичного параметра для фотоэмульсий, которые не могут воспроизвести детали, яркость которых отличается более чем в 100 раз.

· Помимо большого диапазона воспроизводимых яркостей ПЗС обладает еще и широким спектральным диапазоном, значительно превосходящим возможности фотопленки и, тем более, глаза. ПЗС реагируют на свет в диапазоне от рентгеновского до ближнего инфракрасного излучения (от единиц ангстрем до, примерно, 11 тысяч ангстрем). Таким образом, на сегодняшний день ПЗС обладают самым широким спектральным диапазоном среди всех известных приемников излучения.

· Чрезвычайно полезное для астрономии свойство этих приемников излучения — стабильность. Поскольку матрица изготавливается на основе достаточно прочного кремниевого кристалла, ее параметры мало изменяются со временем. Однажды прокалиброванная по наблюдениям стандартных звезд с разными фильтрами, она надолго соответствует полученным данным.

· При всех своих положительных качествах ПЗС обладают одним серьезным недостатком — они очень малы. Вследствие этого, поле зрения при использовании такой ПЗС оказывается много меньше поля зрения, которое мы можем получить при съемке на фотопленку, не говоря уже о фотопластинках.

    Для увеличения поля зрения иногда используют так называемые составные матрицы, состоящие из нескольких небольших матриц, вплотную прижатых друг к другу.

· Следует помнить, однако, что применение матриц столь крупных размеров сопряжено с трудностями обработки и хранения информации.

· Работа с ПЗС предъявляет высокие требования к компьютеру — поскольку для обработки изображений он должен обладать достаточным объемом оперативной памяти и хорошим быстродействием. Еще несколько лет назад вычислительная техника подобного класса стоила очень дорого, но в последнее время цены на нее стабильно падают, становясь доступными все большему числу потенциальных покупателей.

    Одна из самых известных и удобных программ для обработки астрономических снимков, в формате FITS – “MaxIm DL”.

Практическая часть