Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

CCD’ler. Giriş Ülkemizde gözlemsel çalışan araştırmacılar, tayfsal ve fotometrik olarak veri almaktadırlar. Şu anda tayfsal veriler yalnızca yurtdışı.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "CCD’ler. Giriş Ülkemizde gözlemsel çalışan araştırmacılar, tayfsal ve fotometrik olarak veri almaktadırlar. Şu anda tayfsal veriler yalnızca yurtdışı."— Sunum transkripti:

1 CCD’ler

2 Giriş Ülkemizde gözlemsel çalışan araştırmacılar, tayfsal ve fotometrik olarak veri almaktadırlar. Şu anda tayfsal veriler yalnızca yurtdışı kaynaklarla elde edilmekte fakat fotometrik veriler kendi kaynaklarımızla alınmaktadır. Fotometrik veriler için ik alet kullanılmaktadır: Fotometre CCD Fotometre ile elde edilen verilerin indirgenip bilimsel sonuç haline getirilmesi bir derece kolaydır. Çünkü veriler basit sayısal değerler olarak elde edilir. CCD verileri için ise çok daha fazla zaman harcamak ve işlem yapmak gerekmektedir. Çünkü görüntü işleme yapılması gerekir. Bu nedenlerle gözlemsel çalışan araştırmacılar CCD kullanmaktan hala kaçınmaktadırlar.

3 Fotometre İndirgemeleri Bilindiği gibi ülkemizde fotometrik gözlemlerde en çok kullanılan alet, OPTEC firması tarafından üretilen SSP5 adlı fotometredir. Bu aletle elde edilen veriler zaman, süzgeç, yıldız adı ve sayım değeri olarak tanımlanabilecek bir veri yapısıyla kaydedilmekte ve gözlenen yıldızın konumuna bağlı olarak, iyi bilinen atmosfer sönükleştirme işlemleriyle indirgenmektedir. Verilerin elde edilmesi için çok güçlü bilgisayarlar gerekli değildir. Hatta, piyasaya ilk çıkan kişisel bilgisayarlarla bile bu alet kullanılabilir. Bundan başka, fotometre olarak, Ege Üniversitesi Gözlemevi’nde kullanılmakta olan çok kanallı Vilnius Fotometresi vardır.

4 CCD’ler Ülkemizde kullanılan CCD’lerin neredeyse hepsi farklıdır. TÜBİTAK Ulusal Gözlemevi’nde Ap7p ( 512x512 ) Ap47 ( 2048x2048 ) ST8e ( 1530x1020 ) ST5C ( 320x240 ) Andor ( 2048x2048 ) SDSU ( 2048x2048 ) Ege Üniversitesi Gözlemevi, ODTÜ Gözlemevi ve Çanakkale Astrofizik Araştırma Merkezi’nde de CCD bulunmaktadır.

5 CCD Nedir? CCD’ler (Charge Coupled Devices) 1970’lerde üretilmiş ve bellek araçları olarak kullanılmıştır. Işığa duyarlıkları, görüntüleme uygulamalarında çabucak başarı kazanmış ve gökbilimde büyük bir devrim yaratmışlardır. Teleskopların ışık toplama gücünü hemen hemen 2 kat arttırmışlardır. Günümüzde bir amatör gökbilimci, bir CCD kamera ve 15 cm’lik bir teleskopla, 1960’larda fotoğraf plağı olan 1 metrelik bir teleskoba sahip bir gökbilimci kadar ışık toplayabilmektedir. CCDler ışığı, silikondan yapılmış bir yongada, elektronik bir yük desenine dönüştürerek çalışmaktadır. Bu yük deseni bir video dalgasına dönüştürülür, sayısallaştırılır ve bilgisayara bir görüntü dosyası olarak aktarılır. CCD Nedir? Bu etki, CCD’nin işleyiş temelidir. Silikon kristalindeki atomlar eş enerji bandları olarak düzenlenmiş olan elektronlara sahiptir. En düşük enerji bandı Değerlik Bandı olarak adlandırılır. En üstteki band ise İletim Bandı olarak adlandırılır. Artan Enerji Değerlik Bandı İletim Bandı Elektronların çoğu Değerlik bandındadır fakat ısıtılma ya da bir foton soğurulması yoluyla İletim bandına uyarılabilirler. Bu geçiş için gerekli enerji 1.26 electron volttur.

6 CCD’nin Gücü 40 cm’lik teleskopla CCD ile ve 5 m’lik teleskopla fotoğraf plağına alınmış aynı gökadanın görüntüsü

7 CCD’nin Çalışma Prensibi Bir CCD’nin bir görüntü üretmesi için yapması gereken 4 şey vardır: Yük üretimiFotoelektrik Etki, fotonların yakalanması Yük Toplamapikseller: (kapı olarak adlandırılan) elektrotlardan oluşmuş alan, elektronların biriktirilmesi Yük aktarımıKapılar yoluyla bir fark akımının uygulanması. Sinyal elektronlarının dikey kayıt birimlerinden (sütunlar) aşağıya doğru yatay kayıt birimine aktarılması. Her satırın yonga-üzeri yükseltici tarafından ardıardına okunması. Yükün algılanmasıHer bir yük paketinin bir çıkış voltajına dönüştürülmesi ve sayısal olarak kaydedilmesi. Birim ADU CCD’nin Çalışma Prensibi

8 Don Groom LBNL Kodak Kaf1401 İnce CCD MIT/LL CC1D20 İnceltilmiş CCD CCD’lerin Görünümü

9 Mozaik CCD ve görüntüsü CCD’lerin Görünümü

10 Orion’daki Atbaşı Bulutsusu Mozaik CCD CCD’lerin Görünümü

11 Resim : Canada France Hawaii Telescobu 12 CCDden oluşan bir mozaik CCDnin görüntüsü CCD’lerin Görünümü

12 4 CCDden oluşan Royal Greenwich Gözlemevi CCDsi. Küçük olan 5. CCD takip için kullanılmaktadır. M13 CCD’lerin Görünümü

13 Kaplamalı ve kaplamasız CCDler Üretimden sonra bir CCD alanının daha küçük CCDlere ayrılması.

14 TUG SDSU CCDsi x 2048, piksel boyutu 15 mikron. CCD’lerin Görünümü TUG SDSU CCDsi RTT150’ye takılmış durumdayken

15 TUG Ap7p CCDsi. 512 x 512, piksel boyutu 24 mikron. CCD’lerin Görünümü TUG Ap7p CCDsi T40’a takılmış durumdayken

16 CCD’nin artıları ve eksileri Artıları: Piksel başına toplanan yükle gelen foton akısı arasında doğrusal ilişki olması elektrona kadar yük biriktirme kapasitesi (full well capacity) ile büyük bir dinamik aralığa sahip olması. Bir çok modern inceltilmiş/arkadan aydınlatmalı alette %100’e varan çok yüksek bir kuantum etkinliğine ulaşılabilmesi. Verinin alınır alınmaz doğrudan bilgisayar yardımıyla işlenebilmesi. Uzun zaman aralıkları boyunca ışık toplayabilmesi. Yonga-üzeri satır/sütun birleştirme (on-chip binning) yoluyla CCD üzerinde sinyal işlenebilmesi. CCD’nin Sıvı Azot sıcaklıklarına kadar (77 K) soğutulmasıyla ısısal gürültünün çoğunun yokedilebilmesi. Ayrıca, CCD’lerin doğrusal (ve sayısal) olması nedeniyle bir çok pozun Poisson gürültüsünü azaltmak amacıyla birleştirilebilmesi. Özelliklerinin `ideal’ algılayıcıya çok yakın olması. CCD’nin artıları ve eksileri Eksileri: Oldukça pahalı olması. Bilimsel amaçlı 1K x 1K boyutlarında küçük bir CCD için bile 10,000 $. Aynı türden her CCD’nin genel özellikler bakımından benzer ama eşdeğer olmaması. Kuantum etkinliği, yonga kalitesi ve diğer bozuklukların aletten alete değişmesi.

17 Yük Aktarım Etkinliği Herhangi bir pikseldeki yük, okunmadan önce birkaç yüz bin kez aktarılır. Bu nedenle Yük Aktarım Etkinliği oldukça önemlidir. Yük Aktarım Etkinliği (CTE) yükün 1 pikselden diğerine aktarılma yüzdesidir. Bu sayının %100’e çok yakın olması çok önemlidir x 1024’lük bir CCD’nin ortasındaki bir pikseli ele alalım. Bu pikselde toplanan yük, 512 kez paralel kayıt birimi tarafından, 512 kez de seri paralel birimi tarafından olmak üzere 1024 kez aktarıma uğrayacaktır. Yük Aktarım Etkinliği’nin %98 olduğunu düşünelim. Okuma anında bu pikselin yükü, başlangıçtaki yükünün ( ) x %100 = % ’i olacaktır. Bu çok kötü bir değerdir. Günümüzde iyi denilebilecek Yük Aktarım Etkinliği %99.999’dur. Bu etkinlikle sonuçta okunan değer, başlangıç değerinin % 99’u olur. Yük Aktarım Etkinliği

18 Fotoelektrik Etki 1.26 eV Isısal olarak üretilen elektronlar, ışıkla üretilenlerden ayırdedilemezler. Bunlar “Kara Akım” denilen bir gürültü kaynağı oluştururlar ve bu sayıyı düşük tutmak için CCD’lerin soğuk tutulması önemlidir eV, 1mm dalgaboylu ışığın enerjisine karşılık gelir. Bu dalgaboyunun ötesinde silikon saydam olur ve silikondan yapılmış CCD’ler duyarsız olur. foton Delik Elektron Fotoelektrik Etki Elektron bu iletim bandına geldiğinde silikon kristalinin oluşturduğu kafes içinde serbestçe dolaşabilir. Bu elektron değerlik bandında, artı yüklü bir taşıyıcı gibi davranan bir “delik” bırakır. Bir dış elektrik alanın yokluğunda delik ve elektron çabucak birleşerek kaybolacaklardır. CCD’de bu yükleri ayrı tutacak ve birleşmelerini önleyecek bir bir elektrik alan uygulanır.

19 CCD’nin Yapısı CCD’nin görüntü alanı teleskobun odak düzlemine konur. Böylece bir elektrik yük deseninden oluşan görüntü elde edilir. Poz süresi sonunda bu desen, yonga üzerindeki seri kayıt bölümü yoluyla, pikseller olarak aktarılır. Dış ortamla elektrik bağlantıları seri bağ birimleri ve yonganın çevresindeki ince altın tellerle sağlanır. Bağlantı uçları Altın bağ telleri Bağlantı birimleri Silikon yonga Metal,seramik ya da plastik paketGörüntü alanı Seri kayıt birimi Yonganın yükseltici birimi CCD’nin Yapısı

20 CCD’ler, bilgisayar yongalarının üretiminde kullanılan foto-litografik yöntemlerin aynısı ile, silikon katmanlar üzerinde üretilir. Bilimsel amaçlı CCD’ler, yalnızca birkaçı bir katmana sığacak kadar büyüktürler. Pahalı olmalarının bir nedeni de budur. Yandaki resim, üç büyük ve bir dizi küçük parçayı içeren silikon bir katmanı göstermektedir. Philips tarafından 6 inç boyutundaki bir katmanın tümünü dolduran bir CCD üretilmiştir! Bu, dünyanın en büyük bütünleşik devresidir. Don Groom LBNL Gökbilim amaçlı kullanılan en büyük boyutlu tek parça CCDler 4K x 2K boyutlu Kodak’tır. Alan büyüklüğü en büyük olan CCD 9K x 7K pikseldir! Varolan piksel boyutları ise 9-25micron arasındadır. CCD’nin Yapısı

21 Hawaii Mauna Kea’daki Kanada-Fransa Hawaii Teleskobunda kullanılan CFH12K kamerası, bugün kullanılmakta olan en büyük mozaik CCDdir. Bu kamera yalnızca 42 ye 28 açıdakikalık, ya da Dolunay’ın 1.5 katından fazla bir alanı görüntülememekte, aynı zamanda ’e yani ’dan fazla piksel ya da görüntü başına 200 MB veri alarak büyük bir açısal örnekleme sağlamaktadır. 15 mikronluk piksel boyutuyla, ana odaktaki (f/4) ölçeği, piksel başına açısaniyesidir. Bu, Mauna Kea’daki ortalam 0.7 açısaniyesi görüş sağlayan kusursuz hava koşullarına iyi uymuş bir alettir. Kamera, MIT Lincoln Laboratuarlarında üretilmiş 2048 x 4096 piksel boyutlarında 12 CCDden oluşmuştur. Bu arkadan-aydınlatmalı CCDler, özellikle B bandında belirgin bir duyarlık artışı sağlamaktadırlar.

22 Bir piksel Görüntünün sütunlarını tanımlayan kanal stopları Pikselleri düşey olarak tanımlayan yatay elektrotlar. Bunlar aynı zamanda okuma sırasında yük aktarımı için de kullanılmaktadır. Plan Görünümü Kesit Burada bir CCD’nin görüntü alanının bir kaç piksellik küçük bir bölümü görülmektedir. Bu desen yonga boyunca yinelenir. Elektrot Yalıtıcı oksit n-türü silikon p-türü silikon Her üç elektrot birbirine bağlanmıştır. Yonganın kenarından aşağı inen “Bus” telleri bağlantıyı sağlar. Kanal stopları silikon içindeki yüksek yoğunluklu Boron’dan oluşur. CCD’nin Yapısı

23 Seri kayıt birimi’nin sonundaki yonga-üzeri yükseltici Seri Kayıt Birimi’nin kesiti Görüntü Alanı Seri Kayıt Birimi Seri Kayıt Birimi’nde her üç elektrot birbirine bağlıdır. Aşağıdaki görülen görüntü alanı (yatay elektrotların yeraldığı alan) ‘Seri kayıt birimi’dir. Bu aynı zamanda bir gurup küçük yüzey elektrotundan oluşur. Görüntü alanının her sütunu için üç elektrot bulunur. CCD’nin Yapısı

24 Seri kayıt birimi, çıktı yükselticisini yonganın kenarından uzağa hareket ettirebilmek için ikiye katlanmıştır. Oklar, yükün alet içinde nasıl aktarıldığını göstermektedir. Silicon’un kenarı 160  m Görüntü Alanı Seri Kayıt Birimi Okuma Yükselticisi Bus telleri Bir EEV CCD’nin bir köşesinin mikrofotoğrafı CCD’nin Yapısı

25 OD OS RDRSW Çıktı Düğümü Topraklama Çıktı Transistörü Sıfırlama Transistörü Toplama Kuyusu 20  m Çıktı Kanalı (OD) Çıktı Kaynağı (OS) Çıktı Transistör Kapısı Çıktı Düğümü R Sıfırlama Kanalı (RD) Toplama Kuyusu (SW) Seri Kayıt Birimi’ndeki son elektrotlar Seri Kayıt Birimi Elektrotları Bir Tektronix CCD’sinin yonga-üzeri yükselticisinin mikrofotoğrafı ve devre çizimi. CCD’nin Yapısı

26 CCD Örneklemesi Bir CCD için bilinen en yaygın örnekleme şöyledir: Belirli sayıda kova (Pikseller) kare bir alanda bir düzlem (bir teleskobun Odak Düzlemi) boyunca yeralır. Kovalar paralel konumdaki bir dizi taşıyıcının üzerinde yeralırlar ve bu alana düşen yağmuru (Fotonlar) toplarlar. Taşıyıcı şeritler başlangıçta, yağmur yavaşça kovaları dolduruyorken (pozlama sırasında) hareketsizdirler. Yağmur durduğunda (kameranın diyaframı kapandığında) taşıyıcı kuşaklar dönmeye ve yağmur kovalarını tek tek, alanın (CCD’nin) köşesinde bulunan bir ölçme kovasına (Elektronik Yükseltici) aktarmaya başlarlar. Sonraki sayfalarda yeralan canlandırmalar, taşıyıcı şeritlerin nasıl çalıştığını göstermektedir.

27 YAĞMUR ( FOTONLAR ) KOVALAR ( PİKSELLER ) DİK TAŞIYICI ŞERİTLER ( CCD SÜTUNLARI ) YATAY TAŞIYICI ŞERİT ( SERİ KAYIT BİRİMİ ) ÖLÇÜ KOVASI ( ÇIKTI YÜKSELTECİ ) CCD Örneklemesi

28 Poz süresi bitmiştir, kovalar şimdi yağmur örnekleriyle doludur.

29 Taşıyıcı şerit dönmeye başlar ve kovaları aktarır. Dikey taşıyıcıda toplanan yağmur, yatay taşıyıcıdaki kovalara dökülür.

30 Düşey taşıyıcılar durur. Yatay taşıyıcı çalışır ve sırayla her kovayı ölçü kovasına boşaltır.

31 ` Her kova ölçüldükten sonra ölçü kovası boşaltılır; bir sonraki kova dolumu için hazır hale gelir.

32

33

34

35

36

37

38 Yatay taşıyıcılarda yeni bir boş kova seti oluşturulur ve işlem yinelenir.

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55 Sonuçta tüm kovalar ölçülür, CCD okunmuş olur.

56 CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları Bir cisim zenitteyken bakıldığında, atmosferin geçirgenliğini yandaki gibidir. Atmosfer, tayfın yakın moröte bölgesinde, 330 nmnin altı yöresinde çok soğurucudur. Kusursuz bir CCD, 330 nmden yaklaşık olarak 1000 nmye kadar iyi bir duyarlığa sahip olmalıdır. CCD’lerin üretiminde kullanılan silikon 1000 nmde saydamdır ve bu nedenle de duyarsızdır. Dalgaboyu (Nanometre) Atmosfer Geçirgenliği Geliştirme için geçen son 25 yıl içinde, CCD’lerin duyarlığı görsel bölge tayfı içinde kalan hemen hemen tüm fotonların algılandığı noktaya kadar çok fazla ilerlemiştir. CCD duyarlığı, iki temel yöntem kullanılarak arttırılmıştır : ‘inceltme’ (thinning) ve yansıma-engelleyici kaplamaların (anti-reflection coating) kullanımı. CCD’lerin Tayfsal Duyarlıkları

57 Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD Bunlar üretim açısından, çok kullanılan katman üretim teknikleri kullanılması nedeniyle ucuzdur. Bunlar genel görüntüleme amaçlı uygulamalar için kullanılır. Tüm fotonlar algılanamamasına karşın, bu aletler yine de fotoğraf filmlerinden daha duyarlıdırlar. Bunlar, ışığın yüzey elektrotları tarafından soğurulması ve yansıtılması nedeniyle düşük bir Kuantum Etkinliği'ne sahiptirler. Mavi bölgedeki duyarlıkları kötüdür. Elektrot yapısı, verimliliği arttıracak olan yansıma-engelleyici kaplama yapılmasını engeller. Sınırlı maddi olanağı olan amatör gökbilimciler, kalın CCD'leri kullanmayı düşünebilir. Profesyonel gözlemevlerinde büyük bir gözlem aracını çalışır durumda tutmak için yapılan harcamalar, algılayıcıların olası en büyük duyarlıkta olmasını gerektirmektedir; buralarda kalın önden-aydınlatmalı yongalar az sıklıkla kullanılır. n-türü silikon (elektron fazla) p-türü silikon (elektron az) Silikon dioksit yalıtım katmanı Polisilikon elektrotlar Gelen fotonlar 625  m Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD Yansıyan fotonlar

58 İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD Silikon kimyasal yolla aşındırılarak ve cilalanarak 15 mikron kadar bir kalınlığa düşürülür. Işık arkadan girer ve böylece elektrotlar fotonları engellemez. Kuantum Etkinliği %100’e ulaşabilir. Bunların üretimi, yonga üretim miktarını azaltan inceltme işleminin sıradan bir işlem olmaması nedeniyle çok pahalıdır. Bu inceltilmiş CCD'ler yakın kırmızı-öte için saydamdır ve kırmızı duyarlığı kötüdür. Duyarlık, inceltilmiş arka-tarafa yansıma-önleyici kaplama uygulanmasıyla arttırılabilir. Bu kaplamalar, yüzey elektrotlarının oluşturduğu kabartılar nedeniyle kalın CCD'ler için çok iyi görev yapmaz. Hemen hemen gökbilim için kullanılan tüm CCD'ler İnceltilmiş ve Arkadan-Aydınlatmalı'dır. n- türü silikon p-türü silikon Silikon dioksit yalıtıcı katman Polisilikon elektrotlar Gelen fotonlar Yansıma-önleyici (AR) kaplama 15  m İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD

59 Önden ve arkadan-aydınlatmalı CCDler

60 Yansıma-önleyici Kaplamalar [ ] Havanın ya da boşluğun n değeri 1.0, camınki 1.46, suyunki 1.33, silikonunki 3.6’dır. Yukarıdaki eşitliği kullanarak, hava içindeki pencere camının %3.5 ve hava içindeki silikonun %32 yansıtma yaptığını gösterebiliriz. Bu yansıyan kısmı elemek için bir şey yapmadıkça, bir silikon CCD, en iyi durumda her 3 fotondan 2’sini algılayacaktır. Çözüm, CCD'nin yüzeyine saydam bir dielektrik madde katmanı koymaktır. Bu maddenin kırma indisi hava ile silikonunki arasında olmalı ve optik kalınlığı da ışığın dalgaboyunun 1/4'üne eşit olmalıdır. Geniş bir renk aralığı ile ilgilenildiğinden hangi dalgaboyunun seçileceği önemlidir. Tipik olarak, görsel tayfın ortalarına yakın olan 550 nm seçilir. Silikon, (n ile gösterilen) çok yüksek bir Kırma İndisine sahiptir. Bu, fotonların onun yüzeyinden kuvvetle yansıdığı anlamına gelir. nt-nint-ni nt+nint+ni nini ntnt Farklı kırma indisine sahip iki ortam arasındaki etkileşimde yansıyan fotonların kesri = 2 Yansıma-önleyici Kaplamalar

61 olduğu durumda yansıma gerçekte sıfıra düşer! Silikon için gereken madde için n = 1.9 olmalıdır. Neyse ki böyle bir madde vardır: Hafnium Dioksit. Bu madde düzenli olarak gökbilimde kullanılan CCD’lerin kaplanmasında kullanılır. Yansıma-önleyici kaplama kullanıldığında, üç ortam gözönüne almalıyız : ntnt Hava nini nsns AR (yansıma-önleyici) Kaplama Silikon [ ] nt x ni-nsnt x ni-ns 2 nt x ni+nsnt x ni+ns 2 2 nsns ntnt 2 = Yansıma miktarı şimdi değerine düşer. Yansıma-önleyici Kaplamalar

62 Aşağıdaki grafik, bir EEV CCD'sinin yansıtıcılığını göstermektedir. Bu inceltilmiş CCD en yüksek mavi duyarlığa sahip olacak biçimde tasarlanmıştır ve 400 nm'de çalışacak biçimde en uygun duruma getirilmiş bir yansıma-önleyici kaplamaya sahiptir. Bu dalgaboyunda yansıtıcılık yaklaşık olarak %1'e düşer. Dalgaboyu (nanometre) Yansıtıcılık Yansıma-önleyici Kaplamalar

63

64

65 Kuantum Etkinliği Kıyaslaması Aşağıdaki grafik, bir kalın önden-aydınlatmalı CCD ile bir arkadan-aydınlatmalı CCD’nin kuantum etkinliklerini karşılaştırmaktadır. Kuantum Etkinliği Kıyaslaması Dalgaboyu (nanometre) Kuantum Etkinliği (%) aa Arkadan Aydınlatmalı Önden Aydınlatmalı Kaplama

66 Aşağıdaki grafik, bir kalın önden-aydınlatmalı CCD ile bir arkadan-aydınlatmalı CCD’nin kuantum etkinliklerini karşılaştırmaktadır. İnceltme ile Kuantum Etkinliğinin Artışı Kuantum Etkinliği (%) Dalgaboyu (nanometre) Kalın EEV42-40 CCD İnce EEV4280 CCD Kuantum Etkinliği Kıyaslaması

67 Yansıtıcılık Dalgaboyu (nanometre) “İç” Kuantum Etkinliği Yansıtıcılığın CCD'nin yüzeyinde kaybolduğunu gözönüne alırsak, "İç Kuantum Etkinliği”ni gösteren bir grafik oluşturabiliriz: CCD'nin içine giren ve algılanan bir foto- elektron üreten fotonların kesri. Bu kesir, inceltilmiş bir CCD için oldukça yüksektir. Bu değer, yanda gösterilen EEV CCD'si için, tüm görsel bölge tayfı boyunca %85‘ten büyüktür. Bugünün CCD'leri, mükemmel görünür ışık algılayıcıları olmaya oldukça yakındır!

68 piksel sınırı Yük paketi p-türü silicon n-türü silikon SiO 2 yalıtım katmanı Electrot Yapısı piksel sınırı gelen fotonlar CCD’ye giren fotonlar, elektron-delik çiftleri oluştururlar. Sonra elektronlar, ‘yük paketleri’ oluşturdukları, alette en pozitif potansiyele doğru çekilirler. Her paket bir piksele karşılık gelir. CCD’de Yük Toplanması

69 Sıradaki bir kaç sayfada, ‘taşıyıcı şeritler’in uygulaması, gerçek elektronik yapılar olarak açıklanmaktadır. Elektrotlardaki voltajın değiştirilmesi yoluyla, bu taşıyıcı şeritler boyunca hareket eden yük, CCD’nin yüzeyinde yerleşir. Aşağıdaki gösterimde, kırmızı renkle gösterilen elektrotlar pozitif bir potansiyelde, siyah renkle gösterilenler ise, negatif bir potansiyelde tutulur CCD’de Yük Aktarımı

70 V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V Diagramda gösterilen zaman-dilimi CCD’de Yük Aktarımı

71 +5V 0V -5V +5V 0V -5V V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

72 V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

73 V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

74 V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

75 1 2 3 İlk piksel yükü sağdan çıkarken, sonraki pikselden gelen yük paketi soldan girer. +5V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

76 V 0V -5V +5V 0V -5V +5V 0V -5V CCD’de Yük Aktarımı

77 OD OS RDRSW Çıktı Düğümü Çıktı Transistörü Sıfırlama Transistörü Toplama Kuyusu +5V 0V -5V +10V 0V R SW --seri kayıt biriminin sonu V çıkış Yonga-üzeri yükseltici, seri kayıt biriminin sonundan çıkan her yük paketini, çıktıkça ölçer. Ölçüm işlemi, ‘sıfırlama düğümü’nün sıfırlanmasıyla başlar. Bu, pikselde önceden kalan yükü ortadan kaldırır. Sıfırlama düğümü, gerçekte küçük bir kapasitanstır (< 0.1pF) RD ve OD sabit voltajlarda tutulur. (Yukarıdaki grafikler sinyal dalgabiçimlerini göstermektedir) Yonga-üzeri Yükseltici

78 Çıktı Düğümü Çıktı Transistörü Sıfırlama Transistörü Toplama Kuyusu +5V 0V -5V +10V 0V Sonra yük, Toplama Kuyusuna aktarılır. V çıkış değeri şimdi ‘Referans düzeyi’’ndedir. Şimdi, dış devre bu ‘referans düzeyi’ni ölçerken, bir kaç on mikosaniyelik bir bekleme vardır. ODRDRSW OS V çıkış R SW V çıkış --seri kayıt biriminin sonu Yonga-üzeri Yükseltici

79 +5V 0V -5V +10V 0V Bu işlem, ‘yük indirme’ olarak bilinir. V çıkış ’taki voltaj adımı, yük paketindeki her elektron için bir kaç  V kadardır. Sonra yük, çıktı düğümüne aktarılır. V çıkış değeri şimdi ‘Sinyal düzeyi’ne iner. --seri kayıt biriminin sonu Toplama Kuyusu Çıktı Düğümü Sıfırlama Transistörü Çıktı Transistörü ODRDRSW OS V çıkış R SW V çıkış Yonga-üzeri Yükseltici

80 +5V 0V -5V +10V 0V V çıkış şimdi, bir kaç on mikrosaniye kadar dış devre tarafından örneklenir. Örnekleme düzeyi - referans düzeyi, girdi yük paketinin boyutuyla orantılı olacaktır. --seri kayıt biriminin sonu Toplama Kuyusu Çıktı Düğümü Sıfırlama Transistörü Çıktı Transistörü ODRDRSW OS V çıkış R SW V çıkış Yonga-üzeri Yükseltici

81 piksel sınırı Fotonlar Bir CCD pikselinin yük tutma yeteneği sınırlıdır. Bir piksel dolduğunda yük komşu piksellere sızmaya başlar. Bu ‘Blooming’ olarak bilinir. Fotonlar Taşmakta olan yük paketi Taşma piksel sınırı CCD’de Taşma (Blooming)

82 Diagram, bir piksel üzerine odaklanmış aşırı-pozlu bir yıldız görüntüsü olan bir CCD’nin, bir sütununu göstermektedir. Sarı renkle gösterilen kanal stopları, yükün yanlara dağılmasını engeller. Elektrotlarca sağlanan yük tutma işlemi azdır ve bu nedenle yük bir sütunda dikey olarak aşağı ve yukarı dağılır. Bir CCD pikselinin kapasitesi ‘Full Well’ olarak bilinir. Pikselin fiziksel alanına bağlıdır. piksel ölçüleri 24 mm x 24 mm olan Tektronix CCD'leri için, elektron kadar olabilir. Taşmış görüntüler, yıldız görüntülerinin daha sıkışık (toplanmış) olduğu 'iyi görüş'lü gecelerde daha çok görülecektir. Gerçekte taşma, profesyonel gökbilim için büyük bir sorun değildir. Yine de, alan görüntüsü ya da fotoğraf benzeri görüntülerle ilgilenenler için sorun olabilir. Taşmış yük akışı CCD’de Taşma (Blooming)

83 Taşmış yıldız görüntüleri Aşağıdaki görüntü, parlak gömülü yıldızların olduğu genişlemiş bir kaynağı göstermektedir. Bulutsu yapısını ortaya çıkarmak için gereken uzun poz süresi nedeniyle, yıldız görüntüleri oldukça fazla pozlanmıştır ve taşmış görüntüler yaratmıştır. Görüntü bir mozaik CCD ile elde edilmiştir ve ortadaki siyah şerit bitişik algılayıcılar arasındaki boşluk nedeniyledir. M42 CCD’de Taşma (Blooming)

84 CCD’de Bozukluklar Bir EEV42-80 CCD’sinin düz-alan pozu. Karanlık sütunlara (dark column), görüntünün okunması sırasında, yükün dik yönde aktarımını engelleyen tuzaklar neden olur. Kozmik ışınlar Sıcak Leke kümesi Parlak Sütun Parlak sütunlar da tuzaklar nedeniyle oluşur. Sıcak Lekeler normal kara akımdan daha yüksek değere sahip olan, ışık-yayan ve minik LEDler gibi davranan piksellerdir. Kozmik ışınlar: Uzaydan gelen yüklü parçacıklar ya da kameranın yapıldığı maddedeki radyoaktif kalıntılar silikon içinde iyonlaşmalara neden olabilir. Üretilen elektronlar, ışıkla-üretilen elektronlardan ayırdedilemezler. cm 2 'de dakikada yaklaşık olarak 2 kozmik ışın görülebilir. Tipik bir kozmik ışının izi bir kaç bitişik piksel boyunca yayılabilir ve bir kaç bin elektron içerebilir. Bir EEV42-80 CCD’sinin 900 saniyelik karanlık pozu.

85 M51 Bazı bozukluklar, işlemekte olan elektronikten ortaya çıkabilir. Bu negatif görüntü, ilk görüntü satırında parlak bir çizgiye sahiptir. Karanlık sütun Sıcak leke ve Parlak sütunlar İşlemekte olan elektroniğin yanlış işleminin neden olduğu Parlak ilk görüntü satırı. CCD’de Bozukluklar

86 İnceltilmiş CCDlerde ortaya çıkan ortak bir sorun da ‘fringing’ olarak adlandırılır. Fringing CCD içinde birden çok yansıma olması nedeniyle ortaya çıkar. İnceltilmiş yongaların saydam olmaya başladığı daha uzun dalgaboylarında, ışık daha içlere girebilir ve arka yüzeyden yansıyabilir. Bu yansıma sırasında, o sırada yongaya yeni girmekte olan ışıkla girişim yapar. Bu da yapıcı ve yıkıcı girişimin artmasına neden olur ve yongada farklı kalınlık farklılıklarının olduğu yerlerde bir dizi fringing oluşturur. Tayfsal uygulamalarda fringing, özellikle kırmızı dalgaboylarına yeterince duyarlı bazı CCDleri kullanılamaz hale getirebilir. Tayfsal çalışmalarda daha düşük dereceli iç yansımalara sahip daha kalın CCDler ve daha düşük fringing tercih edilir. CCD’de Bozukluklar Resimde EEV42-80 inceltilmiş CCD’de fringing görülmektedir.

87 Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri Karanlık GörüntüDüz-alan Görüntüsü Karanlık görüntü, yonga üzerinde bulunan bir kaç parlak bozukluğu göstermektedir. Düz-alan, üretim sırasında yonga üzerinde ortaya çıkmış olan bir criss-cross desenini ve görüntünün iki köşesinde yeralan hafif bir duyarlık kaybını göstermektedir. Ayrıca bazı toz lekeleri de görülmektedir. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

88 Bunlar, bilimsel amaçlı olarak kullanılan bir CCD ile, genellikle her gözlem günü içinde, gözlemlerden önce ve sonra alınması gereken, üç tür ayar pozudur. Bunlar bilimsel görüntülerle birlikte saklanır ve görüntü işleme sırasında bu görüntülerle birleştirilir. Bu ayar pozları, CCD'deki belirli eksiklikleri ortadan kaldırmamızı sağlar. Gerçek bilimsel pozlar için, bu görüntülerin elde edilmesinde mümkün olduğunca çok daha fazla deneme yapılması gerekir. Bilimsel verilere düşük kalitede düz-alan ve bias pozlarının uygulanması, bu pozların kalitesini arttırmak yerine azaltabilir. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

89 2. KARA AKIM CCDde ısısal olarak üretilen elektronlardan kaynaklanır. CCD’nin soğutulmasıyla azaltılır. Kara akım Poisson istatistiğiyle belirlenir. Eğer ortalama kara akımın bir görüntüye katkısı piksel başına 900 elektronsa, her hangi bir pikselin ışık-yükü için ölçüme katılan gürültü 30 elektron olur. Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları 1. OKUMA GÜRÜLTÜSÜ CCD’nin çıktı transistörünün ve dış CCD devresinin neden olduğu elektronik gürültü (Johnson Gürültüsü ). Okuma gürültüsü CCDnin performansına temel bir sınırlama getirir. Okuma süresinin arttırılması ile azaltılabilir. Bilimsel amaçlı CCDler 2-3 elektronluk bir okuma gürültüsüne sahiptir.

90 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları 3. FOTON GÜRÜLTÜSÜ Bunu, yağmurun bir dizi kova üzerine yağmasıyla açıklayabiliriz. Yağmur damlaları da fotonlar da Poisson istatistiği ile tanımlanan bir biçimde bağımsız ve rastgele gelirler. Eğer kovalar çok küçük ve yağmur da seyrek yağıyorsa, bazı kovalar birden çok damla alırken bazıları hiç almazlar. Yağmur yeterince zaman yağarsa, tüm kovalarda aynı miktar ölçülür. Kısa süreli ölçümlerde ölçümler farklı olacaktır. CCD’de de pikseller küçük ve ışık azsa önemlidir. Poisson istatistiğine göre, bir pikselde saniyede algılanan foton sayısının Root Mean square belirsizliği (RMS gürültüsü) ortalama foton akısının (saniyede algılanan fotonların ortalaması) kareköküne eşittir. Örnek olarak, eğer bir yıldızın görüntüsü bir piksel üzerine düşürülürse ve saniyede ortalama olarak 10 fotoelektron oluşturursa, yıldızı 1 saniye boyunca gözlediğimizde, parlaklığındaki ölçüm belirsizliğimiz 10’un karekökü kadar, yani 3.2 elektron olacaktır. Bu değer ‘Foton Gürültüsü’dür. Poz süresini 100 saniyeye çıkarırsak foton gürültüsü 10 elektrona (100’ün karekökü) çıkar fakat aynı zamanda ‘Sinyal-Gürültü Oranı’ (Signal to Noise ratio (SNR)) artar. Diğer gürültü kaynakları yoksa SGO poz süresinin karekökü ile artar. Bu da istenen bir şeydir.

91 Eğer çok uzun süreli bir düz-alan görüntüsü alırsak (piksel başına ışıkla-üretilen en az elektron), Foton Gürültüsü ve Okuma Gürültüsü’nün katkıları çok küçük olur. Görüntünün herhangi bir satırı boyunca bir grafik çizdiğimizde, pikseller arasındaki duyarlığın farklılığı nedeniyle bir değişim görünür. Grafikte, mavi ışıkla aydınlatılmış bir EEV4280 CCDsinin duyarlık dağılımı görülmektedir. Değişim miktarı ± %2 kadardır. Neyseki bu değişimler sabittir ve asıl görüntünün düz-alan görüntüsüne piksel piksel bölünmesiyle ortadan kaldırılır. Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları 4. PİKSEL DUYARLIĞININ EŞDAĞILIMLI OLMAMASI Silicon üzerinde yeralan bozukluklar ve küçük üretim bozuklukları bazı piksellerin diğerlerinden daha duyarlı olmasına neden olabilir. Bu gürültü kaynağı ‘düzalan görüntüsü’ ile düzeltilebilir. Sütun sayısı Değişim yüzdesi

92 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları FARKLI GÜRÜLTÜ KAYNAKLARININ BİRLEŞİMİ Düz-alan düzeltmesinden sonra kalan üç gürültü kaynağı aşağıdaki eşitlikle birleşir: Profesyonel sistemlerde kara akım neredeyse sıfırdır ve bu denklemde boşlanabilir. Bu durumda denklemde okuma gürültüsü, tayfölçüm gibi düşük sinyal düzeyi olan uygulamalarda önemli olur. Doğrudan görüntüleme gibi daha yüksek sinyal düzeylerinde, foton gürültüsü baskın olur ve okuma gürültüsü azalır. Örnek olarak, 5 elektronluk RMS’ye sahip bir CCD için, sinyal düzeyi piksel başına 25 elektronu aştığında foton gürültüsü baskın olacaktır. Eğer poz süresi piksel başına 100 elektrona kadar arttırılırsa, okuma gürültüsü toplam gürültü içinde %11’lik bir katkı yapacaktır. GÜRÜLTÜ toplam = (OKUMA GÜRÜLTÜSÜ) 2 + (FOTON GÜRÜLTÜSÜ) 2 +(KARA AKIM) 2

93 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları Birbirine eş iki düz-alan görünütüsü kullanılarak bir CCDnin okuma gürültüsü Foton Aktarım Yöntemi ile ölçülebilir. Yöntem aslında CCD kameranın dönüşüm kazancını ölçer. Dönüşüm kazancı, analogdan sayısala çeviricinin her bir sayısal aralığı (ADU) ile belirlenen elektron sayısıdır. Bu yöntem, fotonların gelişini Poisson istatistiği olarak almaktadır. 1. Bias alanı 1. Görüntü alanı 2. Bias alanı 2. Görüntü alanı 1. ADIM İki Bias alanındaki Standart Sapma ölçülür ve bu iki değerin ortalaması alınır. Sonuç = Gürültü ADU, ADU biriminde RMS okuma gürültüsü. 2. ADIM İki Bias alanındaki ve iki Görüntü alanındaki ortalama piksel değerleri ölçülür. Ortalama 1. Bias aşlanı Ortalama 1. Görünütü alanı ‘ndan çıkarılır. Sonuç = Ortalama ADU, ADU’daki ortalama Sinyal. İkinci bir görüntü için de bu yinelenerek denetlenir. Sonuçlar benzer olmalıdır (bir kaç %’den az). 1. Düz-alan 2. Düz-alan

94 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları 3. Görüntü Alanı 4. ADIM 3. Görüntü Alanındaki Standart Sapma ölçülür. Sonuç = Standart Sapma ADU. Bu çıkarılmış görüntü alanındaki piksel değerlerindeki istatistik dağılım, okuma gürültüsü ile foton gürültüsünün birleşimi nedeniyledir. 5. ADIM Şimdi aşağıdaki denklemi uygulayalım: 3. ADIMSonra iki görüntü, 3. Görüntü elde edilmek üzere piksel piksel çıkarılır. 1. Görüntü - 2. Görüntü = 3. Görüntü 2 x Ortalama ADU Kazanç = (Standart Sapma ADU ) 2 - (2 x Gürültü ADU 2 ). Birimler ADU başına elektron olacaktır. Bu, sistemin voltaj kazancıyla ters orantılıdır.

95 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları 6. ADIM Okuma Gürültüsü, Kazanç değeriyle hesaplanır: Readout Noise electrons = Gain x Noise ADU Bu yöntemi kullanırken dikkatli olmalıdır İki düz-alan görüntüsünün poz düzeyleri, en azından bir kaç bin ADU olmalıdır fakat yonganın ya da işlem elektroniğinin doyacağı kadar da yüksek olmamalıdır ADU iyi bir değerdir. Bir çok düz-alan görüntü çiftinden elde edilen kazançların ortalamasını kullanmak en iyisidir. Başka bir yol da, bir görüntü çiftinin içinde seçilen daha küçük alanları kullanmaktır. Eğer düz-alan aydınlatması eşdağılımlı değilse ve küçük alanlar için sinyal düzeyleri istatistiğe uyuyorsa, yöntem başarısız olabilir. Eğer elde iyi düz-alan görüntüleri yoksa, örneğin tayfölçer kullanılıyorsa, küçük alanlar küçük tutulmalıdır.

96 Bias Görüntüleri Bir bias pozu, kamaranın diyaframı kapalıyken sıfır zamanlı olarak alınan bir pozdur. CCD'nin sıfır noktası ya da en-alt sinyal düzeyini temsil eder. Bias pozu, tümüyle dümdüz ve özelliksiz olmaktan çok, bazı yapılar içerebilir. Kuşkusuz, CCD'de bulunan herhangi parlak bir görüntü bozukluğu görülecektir. Ayrıca görüntüde, kameranın sinyal işleme elektroniğindeki bazı sınırlamalardan kaynaklanan hafif bir eğilim de olabilir. Herhangi bir gece gözleminde, 5 tane kadar bias pozu alınması normaldir. Bu pozlar daha sonra, herhangi bir piksel değerinin diğer 4 pozdaki değerden yeterince farklı olduğu değerleri boşlayacak biçimde piksel piksel görüntülerin ortalamasını alan görüntü işleme yazılımları kullanılarak birleştirilir. Bir pikselin diğer pozlardan daha yüksek değere sahip olması durumu, bu bias pozunda bir pikselin bir kozmik ışından etkilenmesi nedeniyle ortaya çıkabilir. Diğer 4 bias pozunda aynı pikselin benzer biçimde etkilenmesi oldukça zordur. Bu nedenle de sonuç olarak elde edilen 'asıl bias' pozu, kozmik ışınlardan arındırılmış olur. Bir kaç tane bias pozu alıp ortalamalarını almak, ayrıca bias görüntülerindeki gürültü miktarını da azaltır. 5 görüntünün ortalamasının alınması, görüntüdeki okuma gürültüsünün (CCD yükselticisinden gelen elektronik gürültü) miktarını 5'in karekökü kadar azaltacaktır. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

97 Bias görüntüsü, CCD’de elektronik gürültüyü vermektedir. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

98 Düz-alanlar CCD'deki bazı pikseller, diğerlerinden daha duyarlı olacaktır. Ek olarak, yonganın yüzeyinde, kameranın penceresinde ya da kameranın önüne takılan renkli süzgeçlerde toz lekeleri olabilir. Bu nedenle, yonganın bir bölümüne odaklanmış bir yıldız, başka bir bölgesine odaklandığında oluşturacağı sinyale göre daha düşük bir sinyal oluşturacaktır. CCD yüzeyi boyunca olan bu duyarlık değişimleri düzeltilmelidir. Aksi halde bunlar görüntüye bir gürültü ekleyeceklerdir. Bunu yapmanın bir yolu 'düz-alan' görüntüsü almaktır: bu, CCD'nin ışıkla düzgün olarak aydınlatıldığı bir görüntüdür. Bilimsel amaçlı görüntünün piksel piksel bu görüntüye bölünmesiyle, bu duyarlık değişimleri oldukça verimli bir biçimde ortadan kaldırılacaktır. Bu değişimlerin bazılarına toz lekelerinin oluşturduğu gölgeler neden olduğundan, düz-alan görüntülerinin, bilimsel amaçlı pozlardan önce ve sonra alınması önemlidir; çünkü toz, bir biçimde ortadan kalkabilir! Bias pozlarında olduğu gibi, bir kaç düz-alan pozu almak ve bir 'Asıl' poz oluşturmak için bunların ortalamasını almak normaldir. Düz-alan, teleskobun, yaygın, düzgün olarak aydınlatılmış bir kaynağa doğrultulmasıyla alınır. Bunun için tan zamanındaki gökyüzü ya da teleskop kubbesinin iç yüzeyi, genellikle yapılan seçimlerdir. Poz süresi, piksellerin doyma düzeyi değerlerinin yarısı kadar değerler verecekleri miktarda, yani orta düzey poz süresi olarak seçilir. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

99 Flat görüntüsü, CCD’de yüzey duyarlık dağılımını belirlememizi sağlar. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

100 Karanlık Görüntüler Profesyonel kameralarda, soğutucu olarak sıvı azot kullanılarak çalıştırıldıklarından, genellikle kara akım yoktur ya da çok azdır. Daha yüksek sıcaklıklarda çalışan amatör sistemlerde bir miktar kara akım olacaktır ve bunu etkisi, gözlemin başında "karanlık görüntüler" elde edilerek en aza indirilmelidir. Bunlar, bilimsel amaçlı görüntülerle aynı poz süresine sahip olan fakat kameranın diyaframı kapalıyken alınan pozlardır. Bu pozlar daha sonra bilimsel amaçlı pozlardan çıkarılır. Yine, bir kaç tane karanlık poz alıp, kozmik ışın etkilerini ortadan kaldırma tekniği kullanarak, bir 'asıl' poz oluşturmak amacıyla bunların birleştirilmesi normaldir. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

101 Dark görüntüsü, CCD’de kara akım miktarını belirlememizi sağlar. Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

102 Düz-alan Görünütüsü Bias Görüntüsü Düz-alan -Bias Bilimsel -Karanlık Çıktı Görüntüsü Düz-alan - Bias Bilimsel - Karanlık Karanlık Poz Bilimsel Amaçlı Poz Eğer belirgin bir kara akım varsa, çeşitli ayar ve bilimsel amaçlı pozlar, aşağıda gösterilen bir dizi çıkarma ve bölme işlemi ile birleştirilir: Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri

103 Düz-alan - Bias Bilimsel - Bias Çıktı Görüntüsü Düz-alan - Bias Bilimsel - Bias Kara akım yoksa, işlem biraz daha basittir : Bias, Karanlık ve Düz-alan Görüntüleri Bilimsel Amaçlı Poz Bias Görüntüsü Düz-alan Görünütüsü

104 Bir CCD'nin piksel boyutunun teleskobun odak uzaklığına uyması önemlidir. Atmosferik görüş, Açıklığı 15 cm'nin üzerinde olan teleskop açıklıkları için, gökbilimsel bir görüntünün keskinliğine sınır getirir. Bu açıklığın altında, görüntüler optikte oluşan kırılma etkileriyle sınırlı olacaktır. Kusursuz görüş koşullarında, büyük bir teleskop, çapı 0.6 yay-saniyesi olan yıldız görüntüleri oluşturabilir. Böylesi bir görüntüde varolan tüm bilgiyi kaydetmek için, yıldız görüntüsü boyunca iki piksel çakışmalıdır; pikseller gökyüzünde en çok 0.3 yay-saniyesi'ne karşılık gelmelidir. Buna ‘Nyquist koşulu’ denir.Eğer pikseller 0.3 yay-saniyesi'nden daha büyükse Nyquist koşulu gerçekleşmez, görüntü ‘eksik-örneklenmiş’ (under-sampling) olur ve bilgi kaybı olur. Nyquist koşulu, ses dalga biçimlerinin sayısallaştırılmasına da uygulanmaktadır. Ses bant genişliği 20 KHz'e kadar uzanır; bu nedenle dalga biçiminin tam olarak yapılandırılması için Analogdan Sayısala Dönüşüm oranının 40 KHz'i aşması gereklidir. Nyquist koşulunun aşılması ‘fazla-örnekleme’ (over- sampling) olmasına neden olur. Bu, silikon alanının harcanmış olması gibi bir olumsuzluğa sahiptir; algılayıcı ve optiğin arttırılmış çakışması ile daha büyük bir gökyüzü alanı görüntülenebilir. Bir görüntünün eksik-örneklenmesi bazı ilginç etkiler ortaya çıkarabilir. Bunlardan biri, gerçekte olmayan bazı oluşumların varlığıdır. Bu durum, ara sıra televizyon yayınlarında görülür. Örneğin, düzgün-desenli gömleği olan bir kişinin görüntüsü, çok hızlı hareket eden şerit ve dalgalar gösterir. Bu örnekte, televizyon kamerasının pikselleri, gömlekte yeralan ince ayrıntıları kayıt ermek için çok büyüktür. Bu etki ‘sahtelenme’ (aliasing) olarak bilinir. Nyquist Örneklemesi Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

105 Örnek 1. William Herschel Teleskobu, 4.2 m çapında birinci aynası ve 3 odak oranıyla temel odak görüntülemeleri için kullanılmaktadır. Teleskobun bulunduğu yerdeki en iyi görüşün 0.7 yay- saniyesi olduğunu varsayarsak, bu teleskop için en uygun piksel boyutu nedir ? Önce, teleskobun odak düzlemindeki ‘plak eşeli’ (plate-scale) ni, milimetrede yay-saniyesi biriminde hesaplarız. Plak Eşeli (mm’de yay-saniyesi) = = 16.4 yay-saniyesi / mm (Buradaki çarpanı, bir Radyan’daki yay-saniyelerinin sayısıdır.) Sonra, bir yıldız görüntüsünün (en iyi görüş koşullarında) teleskobun odak düzlemindeki boyutunu hesaplarız. Yıldız görüntüsünün çizgisel boyutu = 0.7 / Plak Eşeli = 0.7 / 16.4 = 42 mikron. Böylece Nyquist koşulunu sağlanması için gereken en büyük piksel boyutu 21 mikron olur. Pratikte, buna en yakın varolan piksel boyutu, bir derece fazla-örneklemeye yolaçan bir boyut olan 13.5 mikrondur. Piksellerin teleskopla Çakışması mm biriminde Açıklık x f-sayısı Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

106 Örnek cm açıklığı ve odak oranı 10 olan amatör bir teleskop görüntüleme için kullanılmaktadır. Gözlem yerinde en iyi görüş koşulları 1 yay-saniyesidir. Kullanılabilecek en büyük piksel boyutu nedir ? Plak Eşeli (mm’de yay-saniyesi) = = 103 yay-saniyesi / mm Yıldız görüntüsünün çizgisel boyutu = 1 / Plak Eşeli = 1/ 103 = 9.7 mikron. Böylece Nyquist koşulunu sağlanması için gereken en büyük piksel boyutu 5 mikron olur. Bu, varolan piksel boyutlarının alt sınırı kadardır mm biriminde Açıklık x f-sayısı Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

107 İlk örnekte, 13.5 mikronluk piksellerin, ayrıcalıklı olarak iyi yay-saniyesi-altı görüşün olduğu gecelerde bile Nyquist koşulunu aştığını gösterdik. Şimdi, görüşün 2 yay-saniyesi olduğunu varsayarsak, yıldız görüntüsünün boyutu, algılayıcıda 120 mikron’a çıkacaktır. Görüntü bu durumda, büyük miktarda fazla-örneklenmiş olacaktır. (Bunu başka bir biçimde söylersek, görüntü daha az keskindir ve bu nedenle bu görüntüyü kaydetmek için daha az piksel gerekir). Bu durumda, gökbilimciler için daha büyük pikselli bir algılayıcı kullanmak, elde edilen görüntü dosyalarının çok daha küçük olması, okuma süresinin daha az olması ve daha az disk alanı kaplayacak olması nedeniyle, çok daha verimli olacaktır. Etkin piksel boyutunu arttıracak biçimde CCD'yi okumak için bir yol vardır, bu, ‘Toplama’ (Binning) olarak bilinir. Toplama ile, piksel boyutunu keyfi olarak değiştirebiliriz. Sınır koşullarda CCD'yi tek bir büyük piksel gibi bile okuyabiliriz. Gökbilimciler, en çok 2 x 2 toplama kullanırlar. Bu, her 2 x 2 bitişik piksel karesindeki yükün, çıktı yükselticisine aktarılmadan önce yonga üzerinde toplanması demektir. ‘yonga-üzeri toplama’nın bir önemli üstünlüğü, bunun gürültüden bağımsız bir işlem olmasıdır. Toplama, iki farklı biçimde yapılır : düşey toplama ve yatay toplama. Bunların her biri, dikdörtgen biçimli pikseller elde etmek için, diğeri olmadan yapılabilir. Piksel Boyutu ve Toplama (binning) Toplama (binning)

108 Bu işlem, ardarda gelen satırlardaki yükün toplanmasıyla yapılır. Toplama seri kayıt biriminde yapılır. 2 x 2 toplama durumunda, iki görüntü satırı, seri kayıt birimi okunmadan önce, seri kayıt biriminde ardardına zamanlandırılacaktır. Şimdi, CCD'nin taşıyıcı şerit gösterimine geri dönelim. Aşağıdaki canlandırmada, en alttaki iki görüntü satırının toplanmasını göreceğiz. Aşama 1 :Dikey Toplama Yük paketleri Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

109 İlk satır, seri kayıt birimine aktarılır. Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

110 Seri kayıt birimi, sonraki satırın aktarımına hazır biçimde bekletilir. Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

111 Şimdi, ikinci satır seri kayıt birimine aktarılır. Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

112 Şimdi, seri kayıt birimindeki her pikselde, görüntü alanındaki iki pikselin yükü bulunmaktadır. Bu nedenle seri kayıt birimindeki piksellerin daha yüksek bir yük kapasitesine sahip olmaları önemlidir. Bu, onlara fiziksel olarak daha büyük bir boyut verilerek sağlanır. Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

113 Bu işlem, seri kayıt birimi ile okuma yükselticisi arasında yeralan ve Toplama Kuyusu [ Summing Well (SW) ] olarak adlandırılan özel bir elektrot üzerindeki yükü birleştirerek yapılır. Aşağıdaki canlandırma, seri kayıt birimindeki son iki pikselin toplanmasını göstermektedir : Aşama 2 :Yatay Toplama SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

114 Yük, SW’nun pozitif bir potansiyelde tutulmasıyla yatay olarak zamanlandırılır SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

115 1 2 3 SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

116 1 2 3 SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

117 Şimdi, ilk pikseldeki yük toplama kuyusunda saklanır SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

118 Seri kayıt birimi, zamanlandırma işlemini sürdürür SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

119 1 2 3 SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

120 Toplama kuyusunun potansiyeli, seri kayıt biriminin elektrotlarından biraz daha yüksek bir değere ayarlanır SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

121 1 2 3 SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

122 Şimdi, ikinci pikseldeki yük SW'na aktarılır. Toplama şimdi tamamlanmıştır ve birleştirilmiş yük paketleri, (SW üzerindeki voltajın bir mikrosaniye kadar düşürülmesiyle) ölçüm için çıktı düğümüne yüklenir. Eğer SW yoksa, yatay toplama doğrudan çıktı düğümünde de yapılabilir fakat bu işlem, okuma gürültüsünü arttırabilir SW Çıktı düğümü Piksel Boyutu ve Toplama (binning)

123 Sonuçta yük, ölçüm için çıktı düğümüne yüklenir SW Çıktı düğümü o Piksel Boyutu ve Toplama (binning)


"CCD’ler. Giriş Ülkemizde gözlemsel çalışan araştırmacılar, tayfsal ve fotometrik olarak veri almaktadırlar. Şu anda tayfsal veriler yalnızca yurtdışı." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları