G2 CCD kamera Uživatelská příručka
Verze 2.6 Modifikováno 15. července 2015 Tato publikace byla vytvořena ve snaze poskytnout přesné a úplné informace. Společnost Moravské přístroje a.s. nepřejímá žádné záruky týkající se obsahu této publikace a vyhrazuje si právo měnit obsah dokumentace bez závazku tyto změny oznámit jakékoli osobě či organizaci. Kamery G2 CCD nejsou autorizovány a nemohou být používány v systémech podpory života bez písemného svolení firmy Moravské přístroje. Záruka na produkt zahrnuje opravy a případně náhradu vadných součástí, nikoliv však náhradu jakýchkoliv následných škod. Copyright 2000-2015, Moravské přístroje a.s. Moravské přístroje Masarykova 1148 763 02 Zlín tel./fax: +420 577 107 171 www: http://www.gxccd.com/ e-mail: info@gxccd.com
Obsah Úvod...5 Kamera G2 CCD a příslušenství...7 CCD a elektronika kamer...10 CCD čip...13 Model G2-0402...14 Model G2-1600...14 Model G2-3200...15 Model G2-8300...15 Model G2-2000...15 Model G2-4000...16 Elektronika kamery...16 Model G2-0402...17 Model G2-1600...17 Model G2-3200...18 Model G2-8300...18 Model G2-2000...18 Model G2-4000...18 Chlazení CCD a napájecí zdroj...19 Napájecí zdroj...19 Mechanické specifikace...22 Adaptéry dalekohledů...24 Začínáme...27 Instalace ovladače kamery...27 Instalace systémového ovladače v systémech Windows 7 a 8...28 Instalace systémového ovladače v systémech Windows XP a Windows Vista...29 Instalace programu SIPS...30 Konfigurační soubory programu SIPS...31 Ovladač kamer G2 CCD pro SIPS...32 Použití více konfiguračních souborů pro různé kamery...34 Omezení výřezu CCD čipu...34 Připojení kamery...35 Indikace stavu kamery...36 Práce s více kamerami...37 Práce s kamerou...39 Kamera a dalekohled...40 Řízení teploty...41 První snímky...43 Jas a kontrast jasová škála snímků...44
Kalibrace...45 Barevné snímky s monochromní kamerou s filtry...48 Barevné snímky s barevnou kamerou...52 Vyvážení barev...54 Některá pravidla pro úspěšné fotografování...56 Údržba kamery...59 Výměna pohlcovače vlhkosti...59 Výměna pohlcovače vlhkosti...60 Výměna filtrů...61 Otevření hlavy kamery...61 Výměna celého filtrového kola...62 Výměna adaptéru dalekohledu...62 Pojistka napájecího zdroje...62 Revize kamer G2...63 Revize 1...63 Revize 2...63 Revize 3...64 Revize 4...65
Úvod Děkujeme za zakoupení kamery G2 CCD. Série chlazených slow-scan kamer G2 CCD je vyvíjena pro zobrazování v podmínkách extrémně slabého osvětlení v astronomii, mikroskopii apod. Vývojový tým se zaměřil na každý detail mechaniky, chlazení, elektroniky i programové podpory, aby vytvořil špičkový produkt. Kamery G2 CCD se vyznačují kompaktní a robustní konstrukcí, řadou pokročilých vlastností, bohatou programovou podporou a snadnou obsluhou. Kamery G2 mohou obsahovat navíc filtrové kolo s 5 pozicemi pro filtry o průměru 31,7 mm (1.25 palce). Varianta kamery bez interního kola dokáže spolupracovat s externím filtrovým kolem s 12 pozicemi pro stejné filtry nebo s 10 pozicemi pro filtry o průměru 36 mm. Dovolujeme si upozornit, že kamery G2 CCD jsou navrhovány k práci spolu s osobním počítačem (PC). Na rozdíl od digitálních fotoaparátů, které pracují na počítači nezávisle, vědecké chlazené CCD kamery vyžadují počítač pro řízení, nahrávání obrázků, jejich zpracování a ukládání apod. K práci s kamerami G2 CCD je zapotřebí počítač, který: 1. Je kompatibilní se standardem PC. 2. Pracuje s moderním 32 bitovým nebo 64 bitovým operačním systémem Windows. Ovladače pro 32 bitové a 64 bitové systémy Linux jsou také k dispozici, ale program pro ovládání kamery a zpracování obrazu, dodávaný spolu s kamerami, vyžaduje k práci operační systém Windows. 3. Je vybaven alespoň jedním USB portem. Kamery G2 CCD jsou navrhovány pro práci s USB 2.0 high-speed (480 Mbps) rozhraním. Ačkoliv jsou plně zpětně kompatibilní s rozhraním USB 1.1 full-speed (12 Mbps), čas stahování obrázků je při použití takového rozhraní delší. Jednoduché a levné zařízení zvané USB rozbočovač (USB hub) může rozšířit počet USB portů. Typický USB rozbočovač zabere jeden USB 5
port v počítači a poskytne čtyři volné USB porty. Je nutno se ale ujistit, že použitý rozbočovač je kompatibilní se standardem USB 2.0 high-speed. Je ale nutné mít na paměti, že pokud je k USB rozbočovači připojeno více zařízení, rozbočovač musí k přenosu dat do PC používat svou jedinou linku. Ačkoliv kamery G2 CCD pracují i po připojení přes rozbočovač, může to mít negativní vliv na dobu stahování snímků. Doporučujeme proto připojit přes rozbočovač jiná USB zařízení (USB myš apod.) a pro kameru rezervovat přímé připojení přímo do PC. 4. Alternativně je možné použít rozhraní Gx Camera Ethernet Adapter. Tento adaptér dokáže připojit až 4 kamery série Gx (tedy nejen G2, ale i velkoformátové G3 a G4 stejně jako pointační G0 a G1) nabízí 1 Gbps a 10/100 Mbps rozhraní Ethernet pro přímé spojení s řídicím počítačem. Protože počítač pak s kamerami komunikuje protokolem TCP/IP, je možné do cesty vložit např. WiFi most nebo jiné síťové zařízení. Kamery G2 CCD potřebují k práci externí napájecí zdroj. Není možné provozovat kameru z napájení poskytovaného USB připojením, což bývá obvyklé u malých a jednoduchých kamer (např. u tzv. webových kamer). Kamery G2 CCD obsahují velmi efektivní chlazení CCD čipu, mechanickou závěrku a filtrové kolo, takže jejich spotřeba přesahuje možnosti USB napájení. Na druhé straně samostatné napájení zbavuje uživatele problémů s úbytkem napětí na příliš dlouhých USB kabelech, s rychlým vybíjením baterií přenosných počítačů apod. Kamera G2 musí být připojena k nějakému optickému systému (např. k dalekohledu), aby mohla snímat obrazy. Kamera je navrhována pro dlouhé expozice, nezbytné k zachycení velmi slabých objektů. Pokud je kamera použita s dalekohledem, je nezbytné, aby dalekohled na montáži dokázal hladce sledovat objekt během celé expozice. 6
Kamera G2 CCD a příslušenství Kamera G2 může být snadno kombinována z řadou prvků celého systému. Různé konfigurace vyhovují rozdílným požadavkům podle aplikace, dalekohledu, filtrů, pointaci atd. Kamera je vyráběna ve dvou variantách: Kamera s interním filtrovým kolem. Kamera s řídicím portem pro externí filtrové kolo. Tento model dovoluje připojení několika variant externích filtrových kol, lišících se počtem a velikostí filtrů. Obr. 1: Kamera G2 bez filtrového kola (vlevo), s interním filtrovým kolem (uprostřed) a s připojeným externím filtrovým kolem (vpravo). 7
Obr. 2: Schema komponent systému kamer G2 8
Komponenty systému kamer G2 zahrnují: 1. Hlava kamery G2 s interním filtrovým kolem. 2. Hlava kamery G2 bez interního filtrového kola, připravená k připojení externího kola. 3. Pointační kamera G0. 4. Pointační kamera G1. Kamery G0 a G1 jsou zcela nezávislá zařízení s vlastním USB rozhraním pro PC. Mohou být použity s G2 OAG, na samostatném dalekohledu nebo i jako zobrazovací kamery pro jiné aplikace, např. snímání Měsíce a planet apod. Oba modely G0 a G1 mohou sdílet Gx Camera Ethernet Adapter se 3 dalšími kamerami Gx a být přístupné přes síť. 5. Externí filtrové kolo. 6. Off-axis guider adaptér, volitelně se závitem M42 0.75 (T-závit) nebo M48 0.75. 7. Tenká vložka. Kamera s interním filtrovým kolem a touto vložkou má stejnou vzdálenost k čipu jako kamera s externím filtrovým kolem. 8. Tlustá vložka. Kamera bez interního filtrového kola a s touto vložkou má stejnou vzdálenost k čipu jako kamera s externím filtrovým kolem. 9. Adaptér Nikon bajonet pro objektivy kompatibilní s Nikon. 10. Adaptér Canon EOS bajonet pro objektivy kompatibilní s Canon. 11. Adaptér T-závit (M42 0,75). 12. Válcový 2 palcový adaptér. Další varianty adaptérů nejsou zobrazeny, např. závit M48 0.75 nebo M42 1 pro objektivy Pentax/Parktica atd. 13. Gx Camera Ethernet Adapter dovoluje připojení až 4 kamer Gx libovolného typu na jedné straně a 1 Gbps Ethernet rozhraní na druhé straně. Tento adaptér dovoluje ovládat připojené kamery Gx směrovatelným protokolem TCP/IP bez omezení vzdálenosti. 14. Celý systém je ovládán z řídicího počítače PC. 9
CCD a elektronika kamer Kamery série G2 jsou vyráběny se dvěma typy CCD detektorů: Kamery G2 s detektory Kodak KAF s tzv. Full Frame (FF) architekturou. Prakticky celá plocha pixelů CCD čipů s touto architekturou je vystavena světlu. Z tohoto důvodu má tento typ detektorů velmi vysokou kvantovou účinnost. FF CCD určené pro vědecké aplikace nebývají vybaveny tzv. Anti-Blooming elektrodou (ABG), zabraňující přetékání náboje do sousedních pixelů při přeexponování, což zajišťuje lineární odezvu na světlo v celém dynamickém rozsahu. FF CCD detektory používané pro astrofotografii ABG elektrodu mají, ABG elektroda ale snižuje citlivost CCD. Kamery s FF CCD čipy bez ABG jsou tedy vhodné pro vědecké aplikace, kde je linearita kamery základním předpokladem pro fotometrická měření v astronomii, mikroskopii apod. Vysokou kvantovou účinnost lze využít také pro úzkopásmovou astronomickou fotografii, kde k přeexponování zpravidla nedochází a případně pro fotografii plošně malých objektů, v jejichž zorném poli se nevyskytuje příliš jasná hvězda. Obr 3: Schéma Full Frame CCD čipu 10
Kamery G2 s detektory Kodak KAI s tzv. Interline Transfer (IT) architekturou. Na ploše CCD čipů s touto architekturou je vždy vedle sloupce pixelů zachycujících světlo sloupec zastíněný, označovaný jako vertikální registr. Na konci expozice stačí jediným impulsem přenést náboj naakumulovaný v pixelech do vertikálních registrů. Poté je náboj již obdobně jakou v případě FF detektorů přenášen z vertikálních registrů do horizontálního registru a digitalizován. Tento mechanismus je také označován jako elektronická závěrka, neboť dovoluje pořizování velmi krátkých expozic a také dovoluje vyčítání snímku bez zastínění čipu mechanickou závěrkou. I kamery G2 s těmito CCD detektory jsou vybaveny mechanickou závěrkou, protože elektronická závěrka např. nedovoluje pořízení temných snímků, potřebných pro kalibraci obrazu, apod. Za elektronickou závěrku platí IT detektory nižší kvantovou účinností ve srovnání s FF čipy. Zpravidla jsou také všechny IT detektory vybaveny ABG a dovolují tedy snímat i velmi jasné objekty bez přetoků náboje do vedlejších pixelů. Obr 4: Schéma Interline Transfer CCD čipu 11
Kamery G2 s Full Frame CCD detektory zahrnují následující modely: Model G2-0402 G2-1600 G2-3200 G2-8300 CCD čip KAF-0402ME KAF-1603ME KAF-3200ME KAF-8300 Rozlišení 768 512 1536 1024 2184 1472 3358 2536 Velikost pixelu 9 9 µm 9 9 µm 6,8 6,8 µm 5,4 5,4 µm Rozměry čipu 6,9 4,6 mm 13,8 9,2 mm 14,9 10,0 mm 18,1 13,7 mm ABG Ne Ne Ne Ano Barevný čip Ne Ne Ne Ne (viz. pozn.) Kamera G2-8300 je k dispozici i ve verzi G2-8300C s barevným CCD čipem (s Bayerovou maskou), schopným pořizovat barevné snímky jedinou expozicí. Kamery G2 s Interline Transfer CCD detektory zahrnují následující modely: Model G2-2000 G2-2000C G2-4000 G2-4000C CCD čip KAI-2020 KAI-2020 KAI-4022 KAI-4022 Rozlišení 1604 1204 1604 1204 2056 2062 2056 2062 Velikost pixelu 7,4 7,4 µm 7,4 7,4 µm 7,4 7,4 µm 7,4 7,4 µm Rozměry čipu 11,8 9,0 mm 11,8 9,0 mm 15,2 15,2 mm 15,2 15,2 mm ABG Ano Ano Ano Ano Barevný čip Ne Ano Ne Ano Kamery označené příponou C obsahují CCD čip pokrytý tzv. Bayerovou 12
maskou. Před jednotlivými pixely jsou barevné filtry základních barev (červená, zelená, modrá) a každý pixel tedy zachycuje světlo jen odpovídající patřičné barvě. Tyto kamery jsou schopny pořídit barevný snímek jedinou expozicí a bez nutnosti výměny barevných filtrů. Na druhé straně barevná maska přináší menší citlivost a omezuje použití kamery např. pro snímání s úzkopásmovými filtry apod. Protože každý pixel barevného snímače je pokryt filtrem propouštějícím právě jednu ze základních barev, je pro každý pixel nutno dopočítat (interpolovat) další dvě barvy, což přirozeně omezuje rozlišení barevného snímku. Snímání barevnými CCD detektory podrobněji popisuje kapitola Barevné snímky. CCD čip Kvantová účinnost (citlivost) CCD detektorů použitých v kamerách G2 závisí na daném modelu. Obr 5: Citlivost CCD čipů Kodak používaných v kamerách série G2 Vlastní temný proud těchto detektorů je velice nízký v porovnání s jinými CCD čipy s vlastnostmi vhodnými pro náročné vědecké aplikace, což vede k velice dobrému poměru signál/šum. 13
Obr 6: Temný proud CCD čipů Kodak používaných v kamerách série G2 Model G2-0402 G2-0402 používá 0.4 MPx CCD Kodak KAF-0402ME. Rozlišení 768 512 pixelů Velikost pixelu 9 9 µm Obrazová plocha 6,9 4,6 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 100 000 e- Plná kapacita výstupu Přibližně 220 000 e- Temný proud 1 e-/s/pixel při 0 C Zdvojení temného proudu 6.3 C Model G2-1600 G2-1600 používá 1.6 MPx CCD Kodak KAF-1603ME. 14 Rozlišení 1536 1024 pixelů Velikost pixelu 9 9 µm Obrazová plocha 13,8 9,2 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 100 000 e- Plná kapacita výstupu Přibližně 220 000 e- Temný proud 1 e-/s/pixel při 0 C
Zdvojení temného proudu 6.3 C Model G2-3200 G2-3200 používá 3.2 MPx CCD Kodak KAF-3200ME. Rozlišení 2184 1472 pixelů Velikost pixelu 6,8 6,8 µm Obrazová plocha 14,9 10,0 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 55 000 e- Plná kapacita výstupu Přibližně 110 000 e- Temný proud 0,8 e-/s/pixel při 0 C Zdvojení temného proudu 6 C Model G2-8300 G2-8300 používá 8 MPx CCD Kodak KAF-8300. Rozlišení 3358 2536 pixelů Velikost pixelu 5,4 5,4 µm Obrazová plocha 18,1 13,7 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 25 000 e- Plná kapacita výstupu Přibližně 55 000 e- Temný proud 0,15 e-/s/pixel při 0 C Zdvojení temného proudu 5,8 C V modelu G2-8300C může být použit CCD detektor Kodak KAF-8300 s barevnou (tzv. Bayerovou) maskou. Model G2-2000 G2-2000 používá 2 MPx CCD Kodak KAI-2020. Rozlišení 1604 1204 pixelů Velikost pixelu 7,4 7,4 µm Obrazová plocha 11,9 8,9 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 40 000 e- 15
Plná kapacita výstupu Přibližně 80 000 e- Temný proud 0,3 e-/s/pixel při 0 C Zdvojení temného proudu 7 C V modelu G2-2000C může být použit CCD detektor Kodak KAI-2020 s barevnou (tzv. Bayerovou) maskou. Model G2-4000 G2-2000 používá 4 MPx CCD Kodak KAI-4022. Rozlišení 2056 2062 pixelů Velikost pixelu 7,4 7,4 µm Obrazová plocha 15,2 15,2 mm Plná kapacita pixelu Přibližně 40 000 e- Plná kapacita výstupu Přibližně 80 000 e- Temný proud 0,3 e-/s/pixel při 0 C Zdvojení temného proudu 7 C V modelu G2-4000C může být použit CCD detektor Kodak KAI-4022 s barevnou (tzv. Bayerovou) maskou. Elektronika kamery Poznámka Uvedené hodnoty platí pro kamery revize G2 revize 4. Předešlé revize se v některých parametrech mohou lišit. Rozdíly mezi jednotlivými revizemi jsou popsány v kapitole Revize kamer G2. Některé parametry (např. zesílení kamery) jsou definovány systémovým ovladačem a mohou tedy záviset na verzi použitého ovladače. Pokud je použito rozhraní Gx Camera Etherned Adapter, je verze použitého systémového ovladače dána verzí firmware této jednotky. 16 bitový A/D převodník s korelovaným dvojitým vzorkováním zajišťuje vysoký dynamický rozsah a čtecí šum na úrovni samotného CCD čipu. Rychlé USB rozhraní dovoluje stažení snímku během několika sekund. 16
Rozlišení ADC 16 bitů Vzorkování Korelované dvojité vzorkování Čtecí módy Náhled (preview) Nízkošumový Vodorovný binning 1 až 4 pixely Svislý binning 1 až 4 pixely Čtení podoblastí Libovolná podoblast Rozhraní USB 2.0 high-speed USB 1.1 full-speed kompatibilní Binning může být kombinován nezávisle v obou osách. Čas stažení snímku a čtecí šum je závislý na konkrétním modelu kamery. Model G2-0402 Zesílení 1,5e-/ADU (1 1 binning) 2,0e-/ADU (jiný binning) Systémový čtecí šum 15 e- (Nízkošumový mód) 17 e- (Náhled) Stažení celého snímku 0,7 s (Nízkošumový mód) 0,5 s (Náhled) Model G2-1600 Zesílení 1,5e-/ADU (1 1 binning) 2,0e-/ADU (jiný binning) Systémový čtecí šum 15 e- (Nízkošumový mód) 17 e- (Náhled) Stažení celého snímku 2,6 s (Nízkošumový mód) 1,8 s (Náhled) 17
Model G2-3200 Zesílení 0,8 e-/adu (1 1 binning) 1,3e-/ADU (jiný binning) Systémový čtecí šum 7 e- (Nízkošumový mód) 10 e- (Náhled) Stažení celého snímku 5,5 s (Nízkošumový mód) 3,8 s (Náhled) Model G2-8300 Zesílení 0,4 e-/adu (1 1 binning) 0,8 e-/adu (jiný binning) Systémový čtecí šum 8 e- (Nízkošumový mód) 9 e- (Náhled) Stažení celého snímku 14,2 s (Nízkošumový mód) 9,8 s (Náhled) Model G2-2000 Zesílení 0,4 e-/adu (1 1 binning) 0,8 e-/adu (jiný binning) Systémový čtecí šum 7 e- (Nízkošumový mód) 9 e- (Náhled) Stažení celého snímku 3,1 s (Nízkošumový mód) 2,1 s (Náhled) Model G2-4000 Zesílení 0,4 e-/adu (1 1 binning) 0,8 e-/adu (jiný binning) Systémový čtecí šum 7 e- (Nízkošumový mód) 9 e- (Náhled) Stažení celého snímku 6,7 s (Nízkošumový mód) 4,5 s (Náhled) 18
Chlazení CCD a napájecí zdroj Regulované dvoustupňové termoelektrické chlazení dokáže ochladit CCD čip až o 50 C pod okolní teplotu. Horká strana Peltiérových článků je chlazena ventilátorem. Teplota CCD čipu je regulována s přesností ±0.1 C. Účinné chlazení minimalizuje vlastní temný proud CCD čipu a přesná regulace teploty dovoluje správnou kalibraci pořízených snímků. Hlava kamery obsahuje dva tepelné senzory první měří přímo teplotu CCD čipu, druhý senzor měří teplotu vzduchu chladicího horkou stranu Peltiérových článků. Výkon chlazení závisí na okolních podmínkách a také na kvalitě napájení. Pokud napájecí napětí klesne pod 12 V, maximální tepelný rozdíl se zmenší. Chlazení CCD čipu Termoelektrické (Peltiérovy) články Počet článků Dva stupně Maximální T >50 C pod okolím Regulovaný T 48 C pod okolím (při 85% chlazení) Přesnost regulace ±0.1 C Chlazení horké strany Nucený oběh (ventilátor) Volitelný kapalinový výměník Maximální rozdíl teplot mezi CCD čipem a okolním vzduchem může přesáhnout 50 C, pokud chlazení pracuje na 100% výkonu. Nicméně v takovém případě nemůže být teplota čipu účinně regulována, protože kamera nemá prostor k zesílení chlazení, pokud okolní teplota vzroste. Teplotní rozdíl 45 C může být dosažen s chlazením pracujícím asi na 85% výkonu, což zaručuje dostatečný prostor k regulaci. Napájecí zdroj Možnost napájení neregulovaným stejnosměrným napětím 12 V dovoluje kameře G2 CCD pracovat z jakýchkoliv zdrojů, včetně baterií, síťových 19
adaptérů apod. S kamerou je dodáván univerzální síťový adaptér 100240 V AC/50-60 Hz, 60 W. Ačkoliv spotřeba kamery nepřesahuje 30 W, maximální výkon 60 W u zdroje dodávaného s kamerou zajišťuje stabilitu napájení a minimální rušení. Napájení kamery 12 V DC Spotřeba kamery 30 W Vstupní napětí zdroje 100-240 V AC/50-60 Hz Výstupní napětí zdroje 12 V DC/5 A Výkon zdroje 60 W Spotřeba je měřena na síťové (AC) straně dodávaného 12 V napájecího adaptéru. Odběr kamery ze zdroje 12 V je menší než odpovídá uvedené hodnotě. Kamera obsahuje vlastní napájecí zdroje pro elektroniku, takže může být napájena z neregulovaného zdroje 12 V DC vstupní napětí může být mezi 10 a 14 V. Nicméně některé parametry (např. efektivita chlazení) se mohou při nižším napájení zhoršit. Kamery G2 CCD měří své napájecí napětí a poskytují jeho hodnotu ovládacímu programu. Hodnota napětí je zobrazena v záložce Cooling nástroje CCD Camera programu SIPS. Tato vlastnost je důležitá, zejména pokud je kamera napájena z baterií. Obr 7: Napájecí zdroj 12 V DC/5 A pro kamery G2 CCD. 20
Varování: Napájecí konektor na hlavě kamery má kladný pól na středovém kolíku. Ačkoliv všechny moderní napájecí zdroje používají stejnou polaritu, vždy je nezbytné přesvědčit se o správné polaritě, pokud je použit jiný, než dodávaný napájecí zdroj. 21
Mechanické specifikace Kompaktní a robustní hlava kamery měří 114 114 65 mm (4,5 4,5 2,6 palce). Hlava je vyrobena CNC obráběním z kvalitního duralu. Vlastní hlava obsahuje USB-B konektor a konektor pro 12 V DC napájení. Integrovaná mechanická závěrka dovoluje vyčítání obrazů bez rozmazání, stejně jako automatické pořizování temných snímků, nezbytné pro bezobslužné robotické aplikace. Integrované filtrové kolo má 5 pozic pro standardní 1,25 palcové filtry v objímkách se závitem. Varianta filtrového kola s 6 pozicemi pro stejné filtry bez objímek (pouze sklo) je také k dispozici. Interní mechanická závěrka Ano, clonková závěrka Nejkratší expoziční doba 0,1 s Nejdelší expoziční doba Limitována pouze saturací čipu Interní filtrové kolo 5 pozic pro 1,25" objímky se závitem nebo pro D31 mm skleněné filtry 6 pozic pro D26,5 mm skleněné filtry Velikost hlavy 114 114 77,5 mm (s interním filtrovým kolem) 114 114 65 mm (bez filtrového kola) Vzdálenost ohniskové roviny 29 mm (s interním filtrovým kolem) 16,5 mm (bez filtrového kola) 33.5 mm (s externím filtrovým kolem) Hmotnost hlavy kamery 1,15 kg (s interním filtrovým kolem) 1,05 kg (bez filtrového kola) 1,85 kg (s externím filtrovým kolem) Filtrové kolo se 6 pozicemi způsobuje u kamery vinětaci (zastínění okrajů detektoru) u kamer s většími CCD snímači. 22
Obr. 8: Rozměry kamer G2 z čelního pohledu Obr. 9: Rozměry kamer G2 s interním filtrovým kolem z bočního pohledu 23
Obr. 10: Rozměry kamer G2 s externím filtrovým kolem z bočního pohledu Adaptéry dalekohledů Kamera je standardně dodávána s 2" okulárovým adaptérem, vhodným pro okulárové výtahy většiny astronomických dalekohledů. Uživatel ale může zvolit jiný adaptér, vyhovující dané aplikaci. Další adaptéry mohou být rovněž objednány samostatně. K dispozici jsou následující adaptéry pro dalekohledy a objektivy: 24 2" okulárový adaptér Adaptér pro 2" okulárový výtah. T-závit krátký Vnitřní závit M42 0.75 mm, hloubka 7,5 mm.
T-závit s 55 mm BFD Vnitřní závit M42 0,75 mm, zachovává vzdálenost ohniskové roviny 55 mm dle definice firmy Tamron. Adaptér M48 0,75 Adaptér s vnitřním závitem M48 0,75, hloubka 7,5 mm. Adaptér M48 0,75 s 55 mm BFD Adaptér s vnitřním závitem M48 0,75, zachovává vzdálenost ohniskové roviny 55 mm. Adaptér objektivů Pentax (Praktica) Vnitřní závit M42 1 mm, zachovává vzdálenost ohniskové roviny 45,5 mm. Adaptér M68 1 Adaptér s vnitřním závitem M68 1. Adaptér objektivů Canon EOS Standardní adaptér pro bajonet objektivů Canon EOS. Adaptér objektivů Canon EOS Clip Standardní adaptér pro bajonet objektivů Canon EOS s možností vložení clip filtru. Tento adaptér je možno použít pouze u kamer s interním filtrovým kolem. 25
Adaptér objektivů Nikon F Standardní adaptér pro bajonet objektivů Nikon F. Pokud je součástí standardu připojení také definice polohy detektoru za čelem adaptéru, je daný adaptér zkonstruován tak, aby definovanou vzdálenost dodržel (např. T-závit definuje tuto vzdálenost na 55 mm, ale definovaná vzdálenost je dodržena také u závitu Pentax (Praktica), u bajonetů pro Canon EOS a Nikon atd.). Adaptéry jsou k tělu kamery přichyceny čtyřmi šrouby M3, umístěnými ve vrcholech čtverce o straně 44 mm. Speciální adaptéry mohou být vyrobeny na míru požadovanému zařízení. 26
Začínáme Ačkoliv jsou kamery G2 CCD navrhovány pro práci v noci (nebo ve dne při extrémně malých úrovních osvětlení), je vždy lepší (a velmi doporučované) instalovat software a ubezpečit se o bezchybné funkci celého zařízení během dne, před první nocí pod hvězdami. Kamery G2 CCD mohou v principu pracovat s různými programy pro ovládání kamer (navštivte prosím firemní WWW server, kde je seznam podporovaných programů zveřejněn). Tento manuál ale ukazuje práci s kamerami v programu SIPS (Scientific Image Processing System) programu pro ovládání kamer dodávaném spolu s G2 CCD. Instalace ovladače kamery Každé USB zařízení vyžaduje tzv. systémový ovladač, který pracuje jako součást jádra operačního systému. Některá USB zařízení (například USB Flash Disk) odpovídají určitým předdefinovaným standardům (v tomto případě velkokapacitní USB zařízení ), takže mohou používat ovladač, který je již součástí operačního systému. To ale není případ kamer G2 CCD ty vyžadují instalaci vlastního systémového ovladače. Ačkoliv 64 bitové operační systémy mohou bez problémů spouštět 32 bitové aplikace, tyto aplikace musí běžet jako samostatné procesy a v zásadě není možná kombinace např. 64 bitového procesu a 32 bitové dynamicky linkované knihovny. Stejně v jádru 64 bitového systému není možno provozovat 32 bitový ovladač. Proto jsou všechny ovladače kamer G2 dodávány ve verzích pro 32 bitové systémy (označené x86 podle procesorů 386, 486 apod.) a pro 64 bitové systémy, označené x64 (podle procesorů podporujících 64 bitové instrukce označovaných x86-64 nebo jen x64). Nejjednodušší způsob instalace systémového ovladače kamer Gx CCD je spuštění pre-instalace ovladačů (soubory GxCam Drivers 32bit CZ.exe nebo GxCam Drivers 64bit CZ.exe, dodávané s kamerou nebo stažené z WWW serveru) na cílovém počítači. Tato instalace nahraje na počítač ovladače všech kamer Gx, pak stačí kameru jen připojit a operační systém již ví jaký ovladač 27
použít. Pre-instalace je doporučený způsob instalace systémových ovladačů. Není nutno zabývat se odlišnostmi jednotlivých systémů, popsanými v následujících podkapitolách. Pokud se uživatel rozhodne nevyužít pre-instalce, je nezbytné vzít do úvahy rozdíly v implementaci Plug-and-play instalace ovladačů v jednotlivých verzích systémů Windows. Vzhledem k odlišnému ovládání KAF a KAI CCD čipů existují pro tyto varianty kamer odlišné systémové ovladače, rozlišené posledním písmenem názvu 'F' a 'I'. Rovněž jednotlivé revize kamer mohou vyžadovat různé ovladače v závislosti na použité verzi digitální elektroniky. Např. starší kamery využívají ovladače g3ccdf.sys a g3ccdi.sys, novější pak ovladačů gxccdf.sys a gxccdi.sys. Instalace systémového ovladače v systémech Windows 7 a 8 Windows 7 a 8 nenabízí uživatelům možnost instalace ovladačů metodou Plugand-play, jako tomu bylo v systémech Windows 2000, Windows XP a Windows Vista. Ovladače je nezbytné předinstalovat, v opačném případě operační systém pouze informuje uživatele, že nenalezl ovladač k připojenému zařízení. Důvody tohoto omezení funkčnosti oproti starším verzím systému Windows lze jen odhadovat, zřejmě se výrobce snaží omezit problémy s neschopností řady výrobců vytvořit ovladače plně vyhovující standardu Plug-and-play (na řadě produktů je výrazné upozornění vyzývající uživatele, aby nejprve nainstaloval software ovladačů a teprve poté fyzicky připojil zařízení). I když je Plug-and-play mechanismus instalace ovladačů ve Windows 7 a 8 skryt, přesto je možné jej využívat. Nově připojené zařízení bez ovladače bude zobrazeno ve Správci zařízení ( Device Manager ) jako neznámé zařízení (zpravidla je takové zařízení označeno ikonou otazníku ve žlutém poli). Stačí kliknout na toto zařízení pravým tlačítkem myši a z nabízeného menu zvolit položku Aktualizovat software ovladače... ( Update Driver... ). Operační systém následně otevře průvodce instalací ovladače, v zásadě stejného jako je tomu u systémů Windows XP a Windows Vista. Poznamenejme, že 64 bitové verze operačních systémů Windows 8, Windows 7 a Windows Vista vyžadují ovladače opatřené tzv. digitálním 28
podpisem. Ovladače bez podpisu nemohou být ovladače do systému instalovány. Všechny ovladače dodávané ke kamerám G2 jsou počínaje rokem 2010 dodávány s digitálním podpisem. Instalace systémového ovladače v systémech Windows XP a Windows Vista Operační systém informuje uživatele, že bylo připojeno nové USB zařízení otevřením bubliny Nalezen nový hardware. Poté operační systém otevře Průvodce připojením nového hardware. 1. Průvodce nabídne vyhledání ovladače na webovém serveru Windows Update. Odmítněte tuto nabídku (zvolte Nyní ne ) a klikněte na tlačítko Další. 2. V dalším kroku vyberte Instalovat software automaticky. Vložte USB Flash Drive do mechaniky a průvodce bude automaticky pokračovat dalším krokem. Není nezbytné instalovat soubory z USB Flash Drive. Je možné instalační soubory nakopírovat např. na sdílený síťový disk apod. Poté je možné zvolit Instalovat ze zadaného místa a určit cestu k souborům ovladačů. 3. Průvodce začne kopírovat soubory. Systém Windows XP kontroluje, zda-li ovladače obsahují tzv. digitální podpis. Pokud podpis nenaleznou, upozorní na to uživatele dialogovým oknem. Klikněte na Pokračovat, digitální podpis ovladače je pouze administrativní opatření a neovlivňuje správnou funkci ovladače. 4. Průvodce poté ukončí instalaci a kamera G2 CCD je připravena k práci. Operační systém Windows XP udržuje informace o každém instalovaném USB zařízení zvlášť pro každý USB port. Pokud později zapojíte kameru do jiného USB portu (např. do jiného konektoru na zadním panelu PC nebo přes USB hub), operační systém opět oznámí, že nalezl nový hardware a požaduje instalaci ovladače. Opakování stejné instalace není problém, nejlepší je nechat nechat proběhnout celou instalaci automaticky. 29
Instalace programu SIPS Program SIPS (název je zkratkou z anglického Scientific Image Processing System ) je navržen takovým způsobem, aby mohl pracovat bez nutnosti jej nejdříve nainstalovat. Celý systém je spustitelný i z USB Flash disku. Pro svou práci SIPS potřebuje knihovny Microsoft Visual C++ 2008. Tyto knihovny bývají v řadě případů už v daném operačním systému nainstalovány, protože jsou využívány celou řadou dalších aplikací. Pokud ne, je nutné je nejprve doinstalovat, nejlépe spuštěním instalačního balíčku Microsoft Visual C++ 2008 SP1 Redistributable Setup (soubor 'vcredist_x86.exe'). Tento instalační balíček může být stažen z www serveru firmy Microsoft a je také umístěn na USB Flash disku dodávaném spolu s kamerou. Aby byli uživatelé ušetřeni starostí s instalací výše zmíněných komponent, je SIPS dodáván také v podobě instalovatelného balíčku. Proces instalace pak zajistí, aby na počítači byly přítomny všechny potřebné komponenty. SIPS je tedy distribuován ve dvou podobách: 1. V podobě spustitelného instalovatelného balíčku 'SIPS_CZ.exe' (případně anglická verze 'SIPS_EN.exe'). Z tohoto balíčku se SIPS instaluje jako jakákoliv jiná aplikace a uživatel se nemusí starat o přítomnost dalších potřebných komponent. Takto nainstalovaný program SIPS pak lze jednoduše odinstalovat z prostředí správy aplikací ve Windows. 2. V podobě tzv. přenositelné verze na USB Flash disku, v adresáři nazvaném SIPS obsahujícím spustitelný obraz systému (řadu souborů DLL a EXE a dalších pomocných souborů, např. INI). Tento obraz může být pouze zkopírován na pevný disk do uživatelem zvoleného (případně nově vytvořeného) adresáře. Přenositelnou verzi lze v podobě ZIP archivu (soubor 'sips.zip') také stáhnout z WWW serveru. Opět stačí archiv rozbalit do zvoleného adresáře. Odinstalace přenositelné verze programu SIPS je rovněž jednoduchá stačí smazat adresář, ve kterém je program umístěn. Bez ohledu na to, jak je systém SIPS distribuován, program se spouští zavedením spustitelného souboru 'sips.exe'. 30
Konfigurační soubory programu SIPS Programový systém SIPS rozlišuje dva druhy konfigurace: Globální konfigurace, společná pro všechny uživatele. Konfigurace s individuálními nastaveními jednotlivých uživatelů. Globální konfigurace definuje, jaký hardware bude program SIPS používat a pomocí jakých ovladačů k němu bude přistupovat. Tyto informace jsou uloženy v textovém souboru sips.ini, který musí být umístěn na stejném místě, jako je hlavní spustitelný soubor sips.exe. Struktura souboru je velmi jednoduchá: [Camera] Gx Camera on USB = gxusb.dll Gx Camera on Ethernet = gxeth.dll Legacy G2 camera = g2ccd2.dll ASCOM Camera = ascom_camera.dll [GPS] GarminUSB = gps18.dll NMEA = nmea.dll [Telescope] NexStar = nexstar.dll LX200 = lx200.dll ASCOM = ascom_tele.dll [Focuser] ASCOM = ascom_focuser.dll [Dome] ASCOM = ascom_dome.dll Jednotlivé sekce definují, které ovladače budou zavedeny a požádány o enumeraci všech připojených zařízení daného typu (CCD kamery, GPS přijímače, montáže dalekohledů). SIPS již obsahuje tento soubor obsahující odkazy na všechny ovladače zahrnuté do instalace. Tento soubor není modifikován programově, pokud je zapotřebí připojit nové zařízení, je nutné mimo nakopírování DLL souboru ovladače ručně tento soubor editovat. Uživatelská konfigurace je také uložena v souboru s názvem sips.ini, ale 31
každý uživatel má svůj soubor umístěný v adresáři \Documents and Settings\ %user_name%\application Data\SIPS\. V tomto souboru je uložena řada nastavení, např. pozice jednotlivých oken nástrojů na obrazovce a informace, jestli jsou otevřeny (zobrazeny), ale také preferovaný astrometrický katalog a parametry pro vyhledávání hvězd na snímcích a řada dalších. Ovladač kamer G2 CCD pro SIPS SIPS je navržen pro práci s libovolnou CCD kamerou, pokud je pro tuto kameru nainstalován patřičný ovladač. Ovladač pro kamery G2 je zahrnut do instalace programu SIPS a není tedy nutné instalovat jej zvlášť. Všechny modely kamer G2, G3 a G4 používají společný ovladač 'gxusb.dll', pokud jsou připojeny přímo k řídicímu počítači přes USB, případně ovladač 'gxeth.dll', pokud jsou připojeny přes Gx Camera Ethernet Adapter. Společné ovladače pro všechny kamery série Gx byly zavedeny v programu SIPS verze 2.3, předchozí verze programu SIPS používaly různé ovladače pro kamery G0/G1 a pro série G2/G3/G4. Kamery G2 pracovaly s ovladačem 'g3ccd.dll', ale ten byla nahrazen společným ovladačem 'gxusb.dll'. Každý ovladač CCD kamery pro SIPS (včetně ovladačů pro kamery G2 CCD) musí poskytnout informace o instalovaných filtrech (pokud daná kamera má zabudované filtrové kolo). Uživatel ale může používat libovolnou kombinaci filtrů, může jednotlivé filtry vyměnit, případně nahradit celé filtrové kolo. Přitom není možné automaticky zjistit, které filtry jsou v jednotlivých pozicích instalovány. Z tohoto důvodu ovladač kamer G2 CCD pro SIPS načítá vlastní konfigurační soubor 'gxusb.ini' (v závislosti na revizi kamery), aby zjistil aktuální konfiguraci filtrového kola a mohl ji předat programu SIPS. Soubor 'gxusb.ini' musí být umístěn ve stejném adresáři, jako je samotný ovladač kamery. Jedná se o obyčejný textový soubor vyhovující konvencím.ini souborů. Zde je příklad souboru 'gxusb.ini': [filters] Luminance, Gray, 660 Red, LRed, 660 Green, LGreen, 660 Blue, LBlue, 660 Clear, 0, 660 32
Filtry jsou popsány sekci [filters]. Každý řádek v této sekci definuje jednu pozici na filtrovém kole. První řetězec definuje jméno filtru, které bude zobrazováno v různých částech grafického rozhraní SIPS a rovněž bude použito pro tvorbu jména souborů ukládaných obrazů (pokud uživatel zvolí zahrnutí jména filtru do názvu souboru). Druhý parametr, oddělený čárkou, definuje barvu, jakou bude název filtru zobrazen. Barva může být zadána jménem (White, Red, LRed, apod.) nebo přímo číslem, reprezentujícím danou barvu (0 reprezentuje černou). Třetí parametr je nepovinný a definuje offset filtru vzdálenost o kterou je potřeba přeostřit při nastavená daného filtru. Plan-paralelní sklo posune ohnisko zpět o 1/3 své tloušťky (přesná hodnota závisí na indexu lomu skla, ale pro prakticky všechna skla je 1/3 velice blízko přesné hodnotě). Přeostření je užitečné, pokud jsou používány filtry o různé tloušťce nebo jsou některé expozice prováděny bez filtru a některé s filtrem. Offset filtru může být definován v jednotkách závislých na daném typu ostření (krocích) nebo v mikrometrech (μm). Pokud jsou použity mikrometry, je nutné o tom ovladač informovat parametrem MicrometerFilterOffsets v sekci [driver] v ini souboru: [driver] MicrometerFilterOffsets = true [filters] Luminance, Gray, 660 Hodnota parametru MicrometerFilterOffsets může být vyjádřena klíčovými slovy true a fale a také číslicemi 0 (pro false ) a 1 (pro true ). Výše zmíněná barva bude zobrazena např ve výběrovém seznamu filtrů nástroje CCD Camera programu SIPS: 33
Illustration 11: Filtry nabízené nástrojem CCD Camera Pokud je v kameře více filtrů než popisuje konfigurační soubor, budou další filtry doplněny s nedefinovaným jménem. Pokud naopak konfigurační soubor obsahuje více záznamů než je filtrů v kameře, budou poslední záznamy vynechány. Použití více konfiguračních souborů pro různé kamery V některých případech je nezbytné pracovat s více kamerami sdílejícími stejný ovladač (celé série CCD kamer Gx sdílejí jediný ovladač 'gxusb.dll' případně 'gxeth.dll') na jednou počítači. Pokud mají různé kamery různá filtrová kola osazená různými filtry, je poměrně problematické vždy přizpůsobit inicializační soubor 'gxusb.ini' právě připojené kameře. Pokud jsou kamery používány současně, není přizpůsobení 'gxusb.ini' možné. Z těchto důvodů zavádí ovladače SIPS (a také ovladače pro další programy) rozšířenou konvenci pojmenování konfiguračních souborů. Každá kamera řady Gx má unikátní identifikační číslo, uvedené na plášti (toto číslo se také zobrazuje v přehledu připojených kamer nástroje CCD Camera programu SIPS). Ovladač kamery nejprve hledá konfigurační soubor, jehož jméno je rozšířeno o toto číslo. Pokud má například kamera ID 1234, ovladač nejprve hledá soubor jména 'gxusb.1234.ini'. Až pokud jej nenalezne, zkusí otevřít obecný soubor 'gxusb.ini'. Tak je možné pro každou používanou kameru vytvořit konfigurační soubor popisující filtry v této kameře. Omezení výřezu CCD čipu Ovladač kamer Gx může oříznout snímanou matici ještě před jejím předáním programu SIPS. Ačkoliv je možné definovat podrámec přímo v nástroji 34
ovládání CCD kamery programu SIPS, omezení rozlišení kamery tímto způsobem není příliš pohodlné, pokud je pořizováno více typů snímků (light, dark, flat). Pokud například uživatel chce používat jen centrální část CCD snímače, protože například optika nedokáže vykreslit kvalitní obraz na celé ploše CCD čipu, je možné vyčítat pouze podrámec (výřez 256, 0, 1024, 1024 konvertuje 1.5 Mpx kameru G2-1600 na kameru s rozlišením 1 MPx). Ale rozdílné podrámce jsou používány např. při ostření kamery a je pak nezbytné správně nastavit zvolený podrámec před každým snímaném normálních i kalibračních snímků. Stačí např. posun o jediný pixel mezi light a dark snímkem a nebude možno snímky správně zkalibrovat. Z tohoto důvodu ovladače 'gxusb.dll' a 'gxeth.dll' dovolují definici podrámce ve svém konfiguračním.ini souboru v sekci [crop] : [crop] x = 256 y = 0 w = 1024 h = 1024 Kamera se pak bude chovat jako kamera s rozlišením 1024 1024 pixelů a všechny další snímky, definice podrámců v programu SIPS apod. budou vztaženy k takto definovanému výřezu. Připojení kamery Kamera je připojena velmi jednoduše. Připojte napájecí kabel kamery a zapojte USB kabel do USB portu počítače s použitím přibaleného USB kabelu. Poznamenejme, že počítač rozpozná připojenou kameru jen je-li také napájena. Kamera bez napájení zůstává z pohledu počítače neviditelná, stejně jako kamera odpojená. Pokud je kamera napájena a připojena k počítači (s nainstalovanými ovladači), započne inicializací filtrového kola. Interní filtrové kolo se začne otáčet a řídicí jednotka kamery vyhledává počáteční pozici kola. Tato operace trvá několik sekund, během kterých kamera nereaguje na příkazy z počítače. Tento stav je indikován blikající oranžovou LED (viz. kapitola Indikace stavu kamery ). 35
Obr. 12: Vlevo kamera bez interního kola, vpravo s interním filtrovým kolem. USB konektor je vlevo a napájecí konektor vpravo. Kamera je kompletně napájena z externího zdroje, napájecí žíly USB kabelu nejsou využívány. To znamená, že kamera např. nezkracuje životnost baterií přenosných počítačů a dlouhé USB kabely, způsobující snížení napětí napájecích žil při vysokém odběru, neovlivňují funkci kamer G2 CCD. Indikace stavu kamery Těsně vedle USB konektoru na těle kamery je dvoubarevná svíticí dioda (LED). Tato dioda svítí pouze během inicializace kamery, aby její světlo nerušilo pozorování. LED začne blikat oranžově, jakmile začne kamera po zapnutí vyhledávat počáteční pozici filtrového kola. Oranžové blikání není vždy stejné závisí na pozici kola v okamžiku zapnutí kamery. Pokud řídicí jednotka kamery nedokáže nalézt inicializační pozici kola, kamera na to upozorní uživatele 2 s dlouhým červeným svitem bezprostředně po selhání inicializace kola (oranžové blikání ustane). Poznamenejme, že celá inicializace je přeskočena, pokud je kamera dodána zcela bez filtrového kola. Pokud tedy kamera signalizuje oranžové blikání následované 2 s dlouhým červeným svitem, selhala inicializace zabudovaného filtrového kola. Ačkoliv kamera poté pokračuje v práci jako by se jednalo o kameru bez kola, nedoporučujeme začít s takovou kamerou pracovat není zřejmé proč 36
inicializace selhala a před CCD čipem může být libovolný filtr nebo může být kolo v mezi-pozici. V takovém případě zašlete kameru výrobci k opravě. Inicializace kamery je zakončena signalizací rychlosti připojení USB portu, se kterým kamera momentálně pracuje: USB 2.0 High Speed (480 Mbps) je signalizováno 4 krátkými zelenými bliknutími. USB 1.1 Full Speed (12 Mbps) je signalizováno 4 krátkými červenými bliknutími. Práce s více kamerami K jednomu počítači může být připojena řada kamer, ať již přímo na USB porty počítače nebo přes USB rozbočovač. Operační systém přiřadí každému připojenému USB zařízení unikátní jméno. Toto jméno je velmi komplexní obsahuje mimo jiné globálně unikátní identifikátor (GUID) ovladače, identifikaci USB portu a rozbočovačů apod. Tato jména jsou určena k odlišení USB zařízení uvnitř operačního systému, nikoliv aby byla srozumitelná pro uživatele. Uživatelé ale potřebují jednotlivé kamery vzájemně rozlišit například jedna kamera má být použita pro zobrazování, druhá pro vedení montáže. Z tohoto důvodu má každá kamera přiřazeno unikátní číslo (identifikátor). Toto číslo je vytištěno na typovém štítku kamery a je také zobrazeno v seznamu připojených kamer v nástroji CCD Camera programu SIPS. Tato identifikace umožňuje uživatelům zvolit konkrétní kameru. 37
Obr. 13: Identifikátor (číslo) kamery v závorkách za jménem kamery v programu SIPS 38
Práce s kamerou Práce s kamerou závisí na použitém ovládacím software. Vědecké CCD kamery zpravidla nemohou pracovat bez připojení k řídicímu počítači a kamery G2 CCD také potřebují k práci PC s nainstalovaným software. Kamera samotná nemá žádný display, tlačítka nebo jiné ovládací prvky. Na druhé straně veškeré funkce kamery mohou být ovládány programově, takže kamera může být provozována v robotických sestavách, pracujících bez zásahu člověka. Zapojte kameru do počítače, připojte napájení a spusťte program SIPS. Otevřete okno nástroje CCD Camera (z menu Tools vyberte položku CCD Camera... nebo klikněte na tlačítko v liště s nástroji). Jméno kamery (např. G2-1600 ) bude zobrazeno v titulku okna nástroje CCD Camera. Pokud byl program SIPS spuštěn před připojením kamery a zapojením jejího napájení, SIPS kameru nerozezná a je nutno obnovit seznam připojených kamer. Zvolte záložku Camera a klikněte na tlačítko Scan Cameras. Připojená kamera se zobrazí ve stromu kamer. Vyberte ji (klikněte na její jméno myší celý řádek se zvýrazní) a poté klikněte na tlačítko Select Camera. Pokud se vaše kamera nezobrazí ve stromu připojených kamer, prověřte následující body: 1. Zkontrolujte USB kabel ubezpečte se, že oba konce jsou pevně zasunuty v konektorech počítače (nebo USB rozbočovače) a v hlavě kamery. 2. Prověřte napájení kamery zdroj musí být zapojen do sítě (zelená LED na zdroji svítí) a výstupní kabel zdroje je zapojen do konektoru na hlavě kamery. 3. Zkontrolujte, že systémový ovladač kamery je správně nainstalován (postup je uveden v kapitole Instalace ovladače kamery ). 39
Kamera a dalekohled CCD kamera potřebuje nějaký optický systém, aby mohla zachycovat skutečné obrazy. K jakému dalekohledu nebo objektivu lze kameru připojit závisí na použitém adaptéru. Okulárový adaptér 2" dovoluje připojit kameru k většině astronomických dalekohledů (2" okulárovým výtah je samozřejmě nezbytný). Nejlepší způsob připojení je ale s použitím závitového adaptéru, ať už standardu T2 (Tamron) M42 0,75, závitu M48 0,75 apod. Obr. 14: Kompletní systém skládající se z kamery G2, externího filtrového kola, OffAxis Guider adaptéru a pointační kamery G1 dalekohledu Newtonově dalekohledu. Fotografický objektiv nebo malý refraktor jsou nejlepší optické systémy pro první experimenty s kamerou. Pokud pro první testy použijete větší dalekohled v místnosti, ubezpečte se, že dalekohled dokáže zaostřit na relativně blízké předměty. S experimentováním je lépe začít v noci, protože velice citlivé CCD čipy je snadné za denního světla saturovat. Nejkratší expozice kamer G2 je méně než 40
0,1 s, což je stále příliš mnoho na běžné osvětlení. Následující kapitoly jsou jen letmým popisem ovládání kamery v prostředí programu SIPS (Scientific Image Processing System), dodávaným spolu s kamerou. V uživatelské příručce programu SIPS lze nalézt podrobný popis funkcí tohoto programu. Řízení teploty Aktivní chlazení čipu je jednou ze základních vlastností vědeckých CCD kamer (manuál programu SIPS vysvětluje, proč je chlazení důležité k redukci tepelného šumu). Po připojení kamery G2 CCD k napájení se rozběhne ventilátor na zadní straně hlavy kamery. Tento ventilátor odvádí teplo z horké strany Peltiérových termoelektrických článků, které svou druhou chladnou stranou ochlazují CCD čip. Ventilátor pracuje nepřetržitě, protože je rovněž využíván k chlazení napájecích zdrojů kamery apod. Obr. 15: Záložka Cooling nástroje CCD Camera Termoelektrické chlazení může být řízeno ze záložky Cooling nástroje CCD 41
Camera programu SIPS. Ačkoliv je v této záložce zobrazeno několik grafů a hodnot, pouze dvě hodnoty mohou být nastavovány uživatelem. První je hodnota požadované teploty CCD čipu Set Temperature. Druhá hodnota Max. dt definuje maximální rychlost, se kterou se teplota může měnit. Pokud je požadovaná teplota CCD čipu větší nebo rovna skutečné teplotě, chlazení je vypnuto. Indikátor využití chlazení Cooling utilization má hodnotu 0% a kamera spotřebovává minimum energie. Nastavením požadované teploty CCD čipu začne jeho chlazení. Kamera nezapne chlazení okamžitě na 100%, ale pouze začne snižovat požadovanou teplotu přednastavenou maximální rychlostí. Okamžitá požadovaná teplota je v grafu zobrazována modrozelenou barvou. Okamžitá teplota čipu je zobrazována červeně. Zobrazováno je také využití chlazení zvyšuje se od 0% k větším hodnotám. V grafu je žlutou barvou zobrazena také interní teplota kamery. Tato vnitřní teplota rovněž mírně vzroste, když chlazení pracuje na vyšší výkon. Vzduch zahřátý horkou stranou termoelektrických chladičů mírně vyhřeje i vnitřní části kamery. Jak rychle může být čip chlazen? Může být čip poškozen, pokud je zchlazen příliš rychle? Naneštěstí maximální rychlost chlazení není pro CCD čipy Kodak definována (alespoň autor s ní není obeznámen). Všeobecně ale platí, že pomalá změna teploty méně zatěžuje elektronické komponenty, než skokové změny. Přednastavená maximální rychlost chlazení v programu SIPS je 3 C za minutu. Obvykle nebývá problém zapnout kameru dříve a poskytnout jí čas na pomalé vychlazení. Pokud ale je zapotřebí rychlé ochlazení, je nutno změnit hodnotu Max. dt. Při pomalém chlazení je rovněž snadnější dosáhnout vyššího tepelného rozdílu. Zapnutí chlazení okamžitě na 100% vyprodukuje velké množství tepla a zvláště u vzduchem chlazených kamer jejich celková teplota stoupne více, než je nezbytně nutné. Výsledkem je vyšší absolutní teplota čipu, protože horká strana chladiče je rovněž teplejší. Ustálení teploty na teplotu blízkou okolí pak zabere spoustu času. Jaká je optimální teplota CCD čipu? Odpověď je jednoduchá čím méně tím lépe. Minimální teplota je ale limitována konstrukcí kamery a jejím příkonem. Kamery G2 CCD jsou vybaveny dvoustupňovým chladičem, který dokáže ochladit CCD čip až o 50 C pod teplotu okolí se vzduchovým chlazením. 42
Nedoporučujeme ale využívat maximální možný výkon chlazení. Okolní podmínky se mění a kamera nemusí být schopna teplotu regulovat, pokud se okolní vzduch ohřeje. Nastavte teplotu čipu tak, aby chlazení vyžadovalo přibližně 90% chladicího výkonu. Zbylých 10% poskytuje dostatek prostoru k vyrovnání okolních změn. Napájecí napětí kamery je také zobrazeno v záložce Cooling. Zvláště pokud je kamera napájena z 12 V baterie je tato informace velice užitečný indikátor potřeby vyměnit baterii. Poznamenejme, že práce s méně intenzivním chlazením výrazně prodlouží životnost baterií. První snímky Vlastní snímání obrazů je řízeno ze záložky Exposure nástroje CCD Camera programu SIPS. Obr. 16: Záložka Exposure nástroje CCD Camera 43
Před pořízením prvního snímku je nezbytné nastavit několik parametrů. Nejprve je nutné zvolit typ snímku z výběrového boxu Exposure vyberte Light. Poté je nutno zadat expoziční čas Time. Pokud experimentujete s kamerou v temné místnosti s dalekohledem se světelností kolem f/6, zvolte expozici 1 sekunda. Nezapomeňte prohlédnout volby expozice v pravé části záložky Exposure. Zaškrtněte volby Open new Light image window a Overwrite image in selected window, ostatní volby ponechte nezaškrtnuté (neplánujeme přeci ukládat první pokusné snímky na disk). Poté klikněte na tlačítko Start Exp. Kamera otevře závěrku, provede 1 s dlouhou expozici a závěrku uzavře. Poté snímek přenese do počítače. Snímek je zobrazen v nově otevřeném okně. Pokud to je první snímek, zřejmě bude vzdálen dobře zaostřenému obrazu. Upravte zaostření dalekohledu a zkuste novou expozici. Povšimněte si, že volby ovlivňující zpracování nového obrazu na pravé straně této záložky se mění s každým typem expozice. SIPS si volby pamatuje separátně pro každý typ snímků. Tak je možné definovat zvláštní adresář pro normální snímky, jiný pro temné snímky, další pro plochá pole apod. Vždy se ubezpečte, že volby zpracování snímků jsou před zahájením expozice správně nastaveny. Pokud zvolíte Dark z výběrového řádku Exposure (volby zpracování snímku na pravé straně se změní ubezpečte se, že jsou dobře nastaveny), snímek bude exponován bez otevření závěrky. Obraz reprezentuje tepelný šum, generovaný samotným CCD čipem, kombinovaný se čtecím šumem kamery. Temné snímky jsou odečítány od normálních snímků během kalibrace, aby byl tepelný šum ze snímku pokud možno odstraněn. Jas a kontrast jasová škála snímků Dynamický rozsah kamer G2 CCD zabírá 65 536 úrovní. Pouze snímek perfektně osvětlené a ideálně exponované scény by ale obsahoval pixely s tímto dynamickým rozsahem. Obvykle užitečný signál vyplňuje jen zlomek tohoto rozsahu. Například pozadí obrazu (má být černé) má hodnoty kolem 500 jednotek a nejjasnější partie (mají být bílé) např. 10 000 jednotek. Pokud černé a bílé přiřadíme plný dynamický rozsah (0 až 65 535), obraz s rozsahem od 500 do 10 000 jednotek bude zobrazen v jen temných šedích. Proto musí být rozsah jasů před zobrazením natažen. 44
Otevřete okno nástroje Histogram and Stretch. Illustration 17: Nástroj Histogram and Stretch Přesný význam grafu histogramu je vysvětlen v uživatelské příručce programu SIPS. Nyní pouze zkuste manipulovat s hodnotami Low a High, ať již v editačních řádcích nebo myší pomocí posuvných lišt. Pozorujte jak se vzhled obrazu mění při změně těchto hodnot. Nejlepší hodnoty pro Low a High jsou následující: Low hodnota by měla odpovídat požadované úrovni černé. Všechny pixely s hodnotou nižší než Low budou zobrazeny černě. Hodnota High reprezentuje v obraze bílou a všechny pixely s hodnotou vyšší nebo rovnou High budou zobrazeny bíle. Podobné úpravy bývají obvykle nazývány úpravy jasu a kontrastu. Jas je měněn, pokud se pohybují oba limity Low i High současně nahoru a dolů. Vyzkoušejte tento pohyb pomocí nejnižší posuvné lišty. Kontrast je měněn, když se mění vzdálenost Low a High hodnot. Zkuste jejich vzájemnou vzdálenost zmenšit a zvětšit. Astronomové potřebují přesnou kontrolu hodnot Low a High a termíny jas a kontrast tedy nejsou v programu SIPS používány. Kalibrace Pokud provádíte krátké expozice jasných objektů, poměr signál/šum je velice vysoký. Artefakty způsobené vlastním CCD čipem (horké/chladné pixely nebo tepelný šum) obraz prakticky neovlivňují. Všechny efekty nerovnoměrně 45
osvětleného pole, tepelného šumu apod. výrazně degradují snímky, pokud jsou exponovány slabé objekty po dobu mnoha minut. Z těchto důvodů by měl být každý CCD snímek kalibrován. Kalibrace se skládá ze dvou kroků: 1. Odečtení temného snímku (dark frame) 2. Aplikace tzv. plochého pole (flat field) Kalibraci obrázků podporuje nástroj Calibration programu SIPS. Obr. 18: Nástroj Kalibrace programu SIPS Syrový snímek přečtený z kamery obsahuje nejen požadovanou informaci 46
(obraz snímaného objektu), ale také tepelný šum CCD čipu a artefakty způsobené nerovnoměrně osvětleným obrazovým polem (vinětací), stíny prachových částic na filtrech apod. Obr. 19: Syrový obrázek přečtený z kamery Temný snímek je exponován se stejnou expoziční dobou a stejnou teplotou CCD čipu. Protože horké pixely jsou vždy méně stabilní než normální pixely, je velmi vhodné exponovat více temných snímků (alespoň 5) a vytvořit jeden temný snímek jako jejich průměr nebo lépe medián. Obr. 20: Temný snímek odpovídající snímku nahoře Obr. 21: Syrový snímek s odečteným temným snímkem Odečtení temného snímku odstranilo většinu tepelného šumu, ale nerovnoměrně jasné obrazové pole je stále zřejmé. Pozadí ve středu snímku je výrazně jasnější než u jeho okrajů. 47
Obr. 22: Ploché pole reprezentuje reakci soustavy dalekohled-kamera na rovnoměrně osvětlené pozadí Obr. 23: Plně kalibrovaný snímek s odečteným temným snímkem a aplikovaným plochým polem Kalibrace CCD obrazů je plně popsána v uživatelské příručce programu SIPS. Podívejte se do kapitol Introduction to CCD Imaging a Calibrate Tool na popis kalibrací v teorii a v praxi. Barevné snímky s monochromní kamerou s filtry Barevné snímky jsou jednoznačně přitažlivější než černobílé. Z barevných snímků lze rovněž získat více informací než z černobílých např. lze snadno rozlišit, která část mlhoviny je emisní (červená) a která reflexní (modrá) apod. Astronomické kamery jsou ale jen výjimečně vybaveny barevnými CCD čipy z řady dobrých důvodů. Rozdíly mezi monochromními a barevnými čipy jsou diskutovány v uživatelské příručce programu SIPS nahlédněte do kapitoly Introduction to CCD Imaging. I když jsou kamery G2 CCD vybaveny monochromními CCD čipy, rozhodně mohou pořizovat barevné snímky, alespoň pokud je interní filtrové kolo vybaveno RGB filtry. Na místo snímání jediného barevného snímku je ale nutno pořídit tři samostatné snímky pro červenou, zelenou a modrou barvu a tyto snímky zkombinovat do výsledného barevného snímku. Tento postup není vhodný pro rychle se pohybující objekty, ale objekty na obloze se obvykle nepohybují tak rychle. Pořízení tří barevných snímků a jejich následná kombinace je rozhodně obtížnější, než pořízení jediného barevného obrázku. Použití monochromního čipu ale přináší v astronomii řadu natolik významných výhod, že rozhodně 48
vyváží vyšší pracnost při expozici a zpracování. Barevné CCD čipy mají na sobě aplikovánu jednu pevnou množinu filtrů bez možnosti jejich výměny nebo i úplného odstranění. Monochromní čip může snímat obrazy přes úzkopásmové filtry, např. Hα, OIII, apod. Barevné CCD čipy mají menší kvantovou účinnost ve srovnání s monochromními. Omezení citlivosti z 80% na asi 30%, způsobené barevnými filtry, v řadě aplikací jen plýtvá světlem. Interpolace informace z okolních pixelů, nutně prováděná při zpracování obrazu z barevného snímače, zavádí do obrazu chyby a znemožňuje precizní měření polohy (astrometrii) a jasnosti (fotometrii). Barevné CCD čipy neumožňují čtení binnovaných snímků. Barevné CCD nedovolují tzv. driftovou skenovací integraci (Drift Scan Interation, někdy označovanou Time Delay Integration). Další podstatná výhoda monochromních čipů je možnost kombinovat obraz ze tří barevných snímků a jednoho jasového snímku. Jasový snímek je pořízen bez filtrů a využívá tedy plnou citlivost monochromního čipu. Tato technika je nazývána LRGB snímání. Vložení barevného filtru do cesty světelného paprsku významně omezí množství světla dopadajícího na čip. Na druhé straně lidské oko je mnohem méně citlivé na změnu barev než na změnu jasu. Z těchto důvodů může být CCD čip při snímání barev vyčítán v binningu 2 2 nebo 3 3, čímž se výrazně zvýší jeho citlivost. Jasový snímek je pak může být snímán bez binningu, takže výsledné rozlišení obrazu neutrpí. Poznamenejme, že v některých situacích je snímání přes barevné filtry téměř nemožné. Například pokud snímáme rychle se měnící scény, jako je třeba zákryt planety Měsícem, rychle se pohybující kometa atd. Pak není čas pořídit separátní snímky přes filtry, protože scéna se mezi jednotlivými expozicemi mění. Není tedy možné složit červený, zelený a modrý snímek do výsledného barevného snímku. Použití kamery s barevným CCD snímačem je v takových případě nezbytné. Barevné snímky mohou být vytvářeny nástrojem (L)RGB Add Tool. Tento nástroj je podrobně popsán v uživatelské příručce programu SIPS. 49
Obr. 24: Nástroj (L)RGB Image Add programu SIPS... 50
Illustration 25:...a výsledný barevný obraz Jestliže exponujeme jednotlivé barvy a také jasový snímek, zřejmě bude každý v jiném binningu a s jinými expozičními časy. Správná kalibrace snímků pak začne být poměrně komplexní proces. Je zapotřebí pořídit temný snímek pro každý expoziční čas a pro každý použitý binning. Rovněž je zapotřebí flat field pro každou barvu i pro jasový snímek. I flat field snímky potřebují temné snímky pro svou vlastní kalibraci to vše je cena za krásné snímky noční oblohy. 51
Barevné snímky s barevnou kamerou Barevné CCD snímače mají červené, zelené a modré filtry aplikovány přímo na jednotlivé pixely. Kamery G2 CCD mohou být vybaveny těmito snímači, jméno kamery je pak následováno písmenem C (z anglického slova Color ). Obr 26: Schéma CCD snímače s barevnými filtry Každý pixel registruje světlo pouze určité barvy (červené, zelené nebo modré). Barevný snímek ale obsahuje informaci o všech barvách v každém pixelu. Je tedy nezbytné dopočítat ostatní barvy z hodnot okolních pixelů. Pokrytí pixelů touto barevnou maskou a následné dopočítávání chybějících barev bylo vynalezeno panem Bayerem, pracujícím u firmy Kodak. Proto se tato barevná maska nazývá Bayerova maska a proces dopočítávání chybějících barev se označuje jako debayerizace. Existuje řada způsobů jako dopočítat chybějící barvy jednotlivých pixelů od jednoduchého rozšíření barev do okolních pixelů (tato metoda vede k obrázkům s viditelnými barevnými chybami) přes přesnější metody bilineární nebo bikubické interpolace okolních pixelů až po sofistikované víceprůchodové metody grupování pixelů apod. Samotné kamery G1 debayerizaci neprovádějí. Syrový snímek je vždy předán 52