Сегодня поговорим про астрономические камеры с функцией охлаждения матрицы.
Часто производители выпускают один и тот же девайс в двух вариантах - без охлаждения и с охлаждением. Т.е. в обеих моделях вся начинка одинаковая, за исключением наличия/отсутствия системы охлаждения.
На картинке ниже показан такой случай на примере камер ZWO ASI 294(MM/MC). В название версии с холодильником добавляется PRO.
Видно, что камера с охлаждением имеет бОльший объем. Этот объем добавляет радиатор, ребра которого видны сбоку камеры. Охлаждение матрицы производится многослойным элементом Пельтье. Если на него подать ток, то с одной стороны он станет холодным, а с другой горячим. Холодная часть связана с матрицей, а горячая с радиатором. Избыточное тепло "сдувается" встроенным в заднюю часть камеры вентилятором. Таким способом можно понизить температуру матрицы на несколько десятков градусов. Например, элемент Пельтье может дать разницу в 30 градусов Цельсия, а температура воздуха 10 градусов. Значит, матрицу можно охладить до -20 градусов.
Зачем вообще охлаждать матрицу?
При охлаждении уменьшается тепловой шум матрицы - чем ниже температура, тем меньше тепловой шум.
Часто астрофотографы стараются охладить матрицу до максимально возможного значения. Давайте разбиремся нужно ли это. Из плюсов сильного охлаждения - уменьшение теплового шума. Из минусов - большой расход энергии и бОльшая вероятность "убить" матрицу из-за разного коэффициента теплового расширения материалов камеры.
Естественно, большой расход энергии имеет значение лишь тогда, когда сетап запитан от аккумулятора. Например камера ZWO ASI 294(MM/MC) PRO, если холодильник настроен на максимум мощности, потребляет ток до 3А. А это много. У меня был случай, когда не хватило на всю ночь автомобильного аккумулятора, и я не смог сделать флат-кадры.
Система охлаждения - самый значимый потребитель энергии в сетапе.
Охлажденную камеру нельзя выключать. Это приведет к очень быстрому нагреву элементов камеры. Из-за разных коэффициентов теплового расширения возникают напряжения, которые могут привести к механической деформации/разрушению компонентов. Такие случаи далеко не редкость. В конце съемки нужно плавно увеличивать температуру матрицы до температуры окружающей среды, что требует дополнительное время.
Тогда чем руководствоваться при выборе температуры матрицы? Оценим насколько температура матрицы критична в плане тепловых шумов в кадре.
Допустим мы ведем съемку в точке, где класс засветки 3 по шкале Бортля (найдите на карте свое место съемки и кликните по нему: www.lightpollutionmap.info)
Допустим, у нас телескоп со светосилой f/5 (например, SkyWatcher 150/750). Зная параметры матрицы (размер пикселя, квантовую эффективность), мы можем оценить сколько электронов на каждый пиксель будет дополнительно давать засветка неба в одну секунду. Для этого можно воспользоваться таким калькулятором: https://tools.sharpcap.co.uk/
Получилось 0.5 e/pixel/s. Предположим, что мы делаем снимки длительностью в 100 секунд. Получим около 50e/pixel от засветки неба. Это сигнал можно разбить на две составляющие - постоянную и дробовой шум. Постоянную составляющую можно легко убрать при обработке снимка, отрегулировав уровни. Нас интересует именно шум, т.к. мы хотим сопоставить его с тепловым шумом матрицы. Дробовой шум равен корню квадратному от яркости объекта. В нашем случае яркость засветки неба 50e/pixel, значит уровень дробового шума от засветки будет около 7e/pixel. Или 0.07e/pixel/s, если взять уровень шума за секунду. Давайте выберем температуру матрицы такой, чтобы тепловой шум от неё был значительно меньше шума от засветки. Например, в 10 раз. Значит, значение теплового шума матрицы не должно превышать 0.007e/pixel/s.
Смотрим в характеристиках камеры зависимость теплового шума от температуры:
Данное значение соответствует температуре матрицы -10 градусов. Получается, что охлаждать её ниже этой температуры нет особого смысла. Конечно, мы можем охладить её сильнее, но зачем, если основной компонент шума будет приходить от засвеченного неба? Дальнейшее охлаждение не даст какого-либо значимого выигрыша. Можно это проверить. Общая амплитуда шума равна корню квадратному из суммы квадратов составляющих. Т.е., если шум от засветки 0.07e/pixel/s, а тепловой шум от матрицы 0.007e/pixel/s, то результирующий шум будет примерно 0,0703e/pixel/s. Тепловой шум от матрицы добавил к общему уровню всего 0.0003e/pixel/s.
Самый большой бонус от охлаждаемой камеры - возможность снимать на протяжении многих часов с одной и той же температурой матрицы
Это очень важно при калибровке кадров. Подробнее можно почитать об этом здесь: обработка исходников
Подведем итоги. Не нужно гнаться за минимально возможными температурами матрицы. Выбирайте разумные значения, исходя из условий съемки и характеристик оборудования. Рабочую температуру легко рассчитать при планировании съемки. Таким образом вы сбережете энергию аккумулятора (если съемка в поле) и уменьшите вероятность выхода из строя дорогостоящей камеры.
Темного вам неба!