Важнейшим элементом любого астрофотографического сетапа является камера. Именно она регистрирует слабый свет космических объектов и преобразует его в цифровое изображение. От характеристик камеры во многом зависит качество итогового снимка, поэтому понимание принципов её работы помогает не только правильно выбрать оборудование, но и грамотно настроить процесс съемки.
В описании современных астрокамер можно встретить множество характеристик: Quantum Efficiency (QE), Gain, Read Noise, Dark Current, Full Well Capacity (FWC), Dynamic Range, ADC, ADU и другие. Многие из этих терминов тесно связаны между собой, однако производители редко объясняют, что именно они означают и как влияют на конечный результат.
Чтобы разобраться в этих параметрах, полезно сначала понять, как формируется изображение внутри камеры.
Начнем с самого начала. Во время экспозиции фотоны света попадают на пиксели сенсора. Каждый пиксель представляет собой небольшую область полупроводника, способную накапливать электрический заряд. Если энергия фотона достаточна, он выбивает электрон, который остается в потенциальной яме (электронной ловушке) пикселя. Чем больше фотонов попало в пиксель за время экспозиции, тем больше электронов будет накоплено, а значит, тем ярче окажется соответствующая точка изображения (подробнее о устройстве CMOS матриц читайте здесь). Т.е. количество накопленных электронов пропорционально количеству принятых пикселем фотонов:
Quantum Efficiency
На практике далеко не каждый фотон превращается в электрон. Эффективность этого процесса характеризуется параметром Quantum Efficiency (QE) - квантовой эффективностью. Если QE равен 90 %, это означает, что из ста попавших на пиксель фотонов в среднем только девяносто создадут электроны, а остальные будут потеряны.
Следует понимать, что QE не является постоянной величиной. Она зависит прежде всего от длины волны света, то есть от его цвета. Обычно производители публикуют график зависимости QE от длины волны, позволяющий оценить чувствительность сенсора в различных областях спектра. Для современных CMOS-сенсоров максимальное значение QE достигает 90–95 %, однако только в ограничённом диапазоне длин волн. Ниже показана такая зависимость на примере сенсора SONY IMX571.
После завершения экспозиции накопленный в каждом пикселе заряд необходимо считать. Для этого количество электронов преобразуется в аналоговый электрический сигнал, величина которого пропорциональна числу накопленных электронов:
Gain
Перед оцифровкой этот сигнал усиливается. Коэффициент усиления называется Gain. Именно он определяет, насколько сильно будет увеличен аналоговый сигнал перед поступлением на аналого-цифровой преобразователь.
Пользователи зеркальных и беззеркальных фотоаппаратов привыкли к термину ISO, однако в астрокамерах корректнее говорить именно о Gain. ISO - это скорее фотографический стандарт чувствительности, тогда как Gain является реальным коэффициентом усиления электронного сигнала внутри камеры. Хотя эти параметры связаны между собой, они не являются полностью взаимозаменяемыми.
После усиления аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь ADC (Analog-to-Digital Converter). Именно он преобразует непрерывное значение напряжения в целое число, которое затем записывается в файл изображения.
Полученное цифровое значение называется ADU (Analog-to-Digital Unit). Именно значения ADU мы видим в каждом пикселе FITS, RAW или другого цифрового изображения.
Важно понимать, что электроны и ADU - это не одно и то же. Электроны существуют внутри сенсора и являются физическим носителем сигнала, тогда как ADU - это лишь результат работы аналого-цифрового преобразователя.
При фиксированной настройке Gain между количеством накопленных электронов и значением ADU существует почти линейная зависимость
.
Однако коэффициент этой зависимости определяется не только усилением, но и особенностями аналогового тракта камеры. Поэтому для связи физических электронов с цифровыми единицами используют отдельный параметр — Conversion Gain (или просто e⁻/ADU).
Этот параметр показывает, сколько электронов соответствует одному ADU при выбранном значении Gain.
Например:
- 1 e⁻/ADU означает, что один накопленный электрон увеличивает цифровое значение примерно на один ADU;
- 0,5 e⁻/ADU — один электрон соответствуют двум ADU;
- 2 e⁻/ADU — для увеличения значения на один ADU необходимо уже два электрона.
Таким образом, увеличение Gain обычно приводит к уменьшению значения e⁻/ADU: один и тот же заряд занимает большую часть диапазона АЦП, что позволяет лучше различать слабые сигналы. Однако одновременно уменьшается максимальное количество электронов, которое можно представить без насыщения.
Full Well Capacity
Количество электронов, которое может накопить пиксель, ограничено его физическими размерами и конструкцией. Внутри каждого пикселя находится потенциальная «ловушка» для заряда - область, где накапливаются электроны, возникающие под действием света.
Максимальная ёмкость этой ловушки называется FWC (Full Well Capacity). Например, FWC=50k означает, что ловушка может удерживать максимум 50000 электронов.
Очевидно, что чем больше физический размер пикселя, тем больше можно сделать эту ёмкость. Поэтому у сенсоров с маленькими пикселями FWC обычно ниже, чем у сенсоров с крупными пикселями.
Чем выше FWC, тем больше света можно накопить без насыщения пикселя.
Можно представить это так: есть два стакана - маленький и большой. В оба падают капли дождя. Маленький стакан переполняется быстрее, и дальнейшие капли уже не увеличивают объём воды - сигнал «обрезается». Большой стакан продолжает накапливать воду дольше.
В терминах матрицы это означает: сенсор с большим FWC позволяет использовать более длинные выдержки без потери информации из-за насыщения.
Аналоговый сигнал и ADC
Накопленный заряд в пикселе преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Чтобы сохранить его в цифровом виде, используется аналого-цифровой преобразователь ADC (Analog to Digital Converter).
ADC переводит непрерывный сигнал в дискретные числовые значения.
Любая цифровая система работает с битами, и количество бит определяет, сколько уровней может быть закодировано:
- 8 бит → 2⁸ = 256 уровней (0–255)
- 12 бит → 4096 уровней (0–4095)
- 14 бит → 16384 уровня (0–16383)
- 16 бит → 65536 уровней (0–65535)
Это называется разрядностью ADC или bit depth.
Чем выше разрядность:
- тем точнее квантование сигнала,
- тем меньше ошибки округления,
- тем лучше сохраняется линейность при слабых сигналах.
Максимальное значение ADU определяется формулой:
ADUₘₐₓ = 2ⁿ − 1,
где n — разрядность ADC.
Read Noise (шум считывания)
При считывании сигнала неизбежно возникают ошибки, связанные с:
- шумами усилителей,
- шумами ADC,
- электроникой считывания.
Этот параметр называется Read Noise и обычно выражается в электронах:
e⁻ RMS (root mean square).
Важно, что Read Noise:
- зависит от Gain,
- уменьшается при увеличении усиления (в некоторых режимах),
- всегда ограничивает минимально различимый сигнал.
Реальное число различимых уровней
Хотя, например, сенсор может иметь ADC 16 bit, это не означает, что он реально различает 65536 уровней.
Фактическое количество различимых уровней ограничено отношением:
K ≈ FWC / Read Noise
Пример (условный IMX571):
- FWC ≈ 51000 e⁻
- Read Noise ≈ 1.2 e⁻
→ K ≈ 42500 уровней
→ это эквивалент примерно 15.4 бит
При большем шуме, например 3 e⁻:
→ K ≈ 17000 уровней
→ примерно 14 бит
Вывод: заявленная битность ADC — это верхняя граница, но реальная «полезная битность» определяется шумами сенсора.
Темновой ток и Dark Noise
Даже в полной темноте пиксель не идеален. Из-за тепловых процессов в нём возникает dark current (темновой ток) - случайная генерация электронов.
Он измеряется как:
e⁻ / pixel / second
Из него возникает дополнительный шум: Dark Noise.
Чем дольше выдержка и выше температура, тем сильнее влияние темнового тока.
Зная Dark Current можно получить Dark Noise и наоборот. Поэтому, в характеристиках обычно указывают только Dark Current. Зная выдержку и температуру сенсора, можно оценить уровень добавочного шума. Зачем это нужно? Допустим, есть камера с охлаждаемым сенсором. Какую температуру выставлять? Конечно, можно включить холодильник на полную мощность, но это большой расход энергии. Если сетап выездной, можно просто разрядить аккумулятор до окончания съемки. Поэтому, лучше охладить матрицу до какого-то приемлемого значения. Не хочу сильно вдаваться в подробности. Но допустим, что приемлемо иметь Dark Noise в три раза меньше Read Noise. Смотрим Read Noise при выбранном Gain. И подбираем такую температуру, при которой Dark Noise x T (где T - выдержка в секундах) будет в три раза меньше Read Noise.
HCG (High Conversion Gain)
Во многих CMOS сенсорах есть режим HCG (High Conversion Gain).
Суть:
- используется два режима усиления,
- один оптимален для слабого сигнала (low gain),
- второй — для высокого (high gain).
При переходе в HCG резко снижается Read Noise, но уменьшается эффективный FWC.
Это хорошо видно на графиках зависимости шума от Gain: в точке включения HCG шум падает скачком.
Практически:
- HCG → лучше для слабых объектов,
- low gain → лучше для ярких сцен и максимального динамического диапазона.
Динамический диапазон (DR)
Dynamic Range (DR) показывает, насколько большой сигнал сенсор может различить относительно шума.
Формально:
DR = FWC / Read Noise
В логарифмическом виде (в стопах):
DR (stops) = log₂(FWC / Read Noise)
Это напрямую связано с «реальной битностью» сенсора.
Full Well Capacity vs Effective Full Well
Иногда встречаются два похожих термина:
- FWC — физическая ёмкость пикселя
- FW (effective Full Well) — полезный диапазон при заданном Gain
Тут всё достаточно просто. Параметр FWC определяет физическую глубину колодца пикселя - максимальное количество электронов, которые может удерживать электронная ловушка пикселя. Но представьте ситуацию, когда вы поставили большой Gain и фотографируете яркий объект. Значение ADU может превысить то, которое может выдать ADC. При этом пиксель еще не будет переполнен. Параметр FW называется эффективной глубиной колодца при определенном усилении. Больше электронов в ловушку поместиться может, но в них нет никакого смысла, т.к. максимальное значение ADU уже достигнуто. Т.е. FWC - физическая емкость ловушки, а FW - та емкость, которая может быть использована при выбранном Gain.
Итог
Основные характеристики сенсора взаимосвязаны:
- FWC задаёт верхний предел сигнала
- Read Noise задаёт нижний предел сигнала
- ADC bit depth задаёт шаг квантования ADU
- Dark Current добавляет шум во времени
- HCG меняет баланс шума и динамического диапазона
Поначалу всё это кажется сложным. Но если один раз разберетесь, то потом это наверняка пригодится. При выборе камеры или при планировании съемки. В любом случае, интересней заниматься чем-то осознано, а не просто следовать чьим-то рекомендациям.
Как-то тусил в одном астроканале в телеге. Зашла тема про расчет суммарного уровня шума. Я написал, что астрофотограф должен знать такие базовые вещи. На что один из участников буквально возмутился - Что мне теперь за парту школьную садиться? Кстати, это был админ канала и он меня потом из канала исключил. Мне не очень понятен подобный подход к знаниям. Если понадобится, то можно и за парту школьную сесть. Человек учится всю жизнь. А если просто бездумно снимать, то результаты будут посредственные и не будет развития.
Темного вам неба!