รู้จัก CCD สำหรับการถ่ายภาพดาราศาสตร์

  • พิมพ์

รู้จัก CCD สำหรับการถ่ายภาพดาราศาสตร์

 

ในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ อุปกรณ์ที่ใช้ในการเก็บภาพทางดาราศาสตร์ทั่วไปก็คือกล้อง CCD (Charged-coupled Device) ซึ่งก็เป็นเซนเซอร์ใกล้เคียงกับที่ใช้ในกล้องโทรศัพท์มือถือ และกล้องถ่ายภาพทั่วๆไป หลักการทำงานของ CCD โดยคร่าวๆ ก็เพียงแค่เมื่อมีอนุภาคของแสงหรือโฟตอนตกลงบน pixel ใน CCD ตัวชิพ CCD จะเปลี่ยนสัญญาณแสงในรูปของประจุเก็บเอาไว้ และเมื่อทำการปิดชัตเตอร์ประจุที่เก็บเอาไว้ทุก pixel บน CCD ก็จะถูกถ่ายโอนออกมาเพื่อทำการอ่านค่าที่ได้

 

ภาพที่ได้จาก CCD จริงๆ แล้วเป็นเพียงภาพขาว-ดำ เนื่องจาก CCD อ่านได้เพียงจำนวนโฟตอนที่ตกลงบน pixel โดยไม่สนใจว่าโฟตอนนั้นจะมีความถี่เท่าไหร่ เราสามารถทำให้ภาพมีสีได้ โดยการติดฟิลเตอร์กรองแสง คล้ายกระดาษแก้วสีเข้าไป เช่น ภาพที่ได้ผ่านฟิลเตอร์สีแดง จะเป็นภาพขาวดำของแสงในช่วงความยาวคลื่นสีแดง เมื่อเรานำภาพที่ได้ผ่านฟิลเตอร์สามสีมารวมกัน เราจึงได้ภาพสี RGB แบบที่เราเห็นกัน


ในกล้องดิจิตอลทั่วไป ฟิลเตอร์สีจะติดอยู่กับแต่ละ pixel สลับกันในลักษณะที่เรียกว่า "Bayer Filter" เพื่อความสะดวกและฉับไวในการถ่าย แต่ในทางดาราศาสตร์แล้วนั้น เนื่องจากวัตถุท้องฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงที่ช้า จึงสามารถใช้การถ่ายภาพสามครั้งสลับฟิลเตอร์มารวมกันได้ การที่ไม่มีฟิลเตอร์สีติดแยก pixel ทำให้ภาพที่ได้มีความละเอียดที่แท้จริงสูงกว่า และสามารถเลือกเปลี่ยนฟิลเตอร์ได้หลากหลายมากกว่า ตามความเหมาะสมของงาน

 

ข้อแตกต่างอีกอย่างหนึ่งของ CCD ในทางดาราศาสตร์ก็คือ วัตถุที่ต้องการถ่ายในทางดาราศาสตร์มักจะมีแสงที่น้อยกว่า ภาพที่ได้จึงมักจะมี signal-to-noise ratio ที่ต่ำ ขั้นตอนในการลดสัญญาณรบกวนจึงเป็นปัจจัยที่มีความสำคัญมากกว่าในทางดาราศาสตร์ เริ่มจากการลดอุณหภูมิที่โดยทั่วไป CCD ทางดาราศาสตร์จะมีการหล่อเย็นให้อุณหภูมิมีการลดเย็นถึง -20C หรือตำ่กว่านั้น นอกจากนี้ ก่อนที่จะนำภาพถ่ายทางดาราศาสตร์ไปใช้งานได้นั้น ยังจำเป็นต้องผ่านขั้นตอนการกำจัดสัญญาณรบกวนอีก

 

- Dark Frame ทุกครั้งที่เราถ่ายภาพ ในขั้นตอนการอ่านภาพจะมีสัญญาณส่วนหนึ่งอยู่ใน CCD อยู่แล้ว ไม่ว่าบริเวณนั้นจะมีสัญญาณตกลงมาหรือไม่ก็ตาม สัญญาณเช่นนี้จะเกิดในลักษณะ hot pixel, banding noise, ฯลฯ การลดสัญญาณเช่นนี้สามารถทำได้โดยง่าย เพียงการถ่ายภาพอีกภาพหนึ่งโดยที่ไม่ได้มีสัญญาณใดๆจากภายนอกเลย (เช่น ถ่ายภาพขณะที่ปิดฝาหน้ากล้องเอาไว้) ในลักษณะเดียวกับที่ถ่ายภาพวัตถุที่ต้องการ การถ่ายภาพแบบนี้เรียกว่าการถ่าย "Dark Frame" ในกล้องดิจิตอลทั่วๆ ไปก็มีขั้นตอนการประมวลภาพในลักษณะนี้ เรียกว่า "Long Exposure Noise Reduction"

 

- Flat Field นอกจากการถ่าย Dark Frame แล้ว เราจะพบว่าหากเราถ่ายภาพที่มีความสว่างเท่ากันทั้งภาพ ภาพที่ได้อาจจะมีความสว่างไม่เท่ากัน เนื่องจากฝุ่นที่อยู่บน CCD ลักษณะทาง optics ของตัวกล้อง ฯลฯ ในทางการถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิตอลทั่วๆ ไปเราอาจจะรู้จักผลกระทบนี้ในชื่อของ "Vignetting" เราสามารถแก้ปัญหานี้ได้ โดยการถ่ายภาพวัตถุที่เรารู้ว่ามีความสว่างเท่ากันทั้งภาพเสียก่อน (เช่น ฉากสีขาวที่มีไฟสว่างเท่ากัน) แล้วนำความสว่างที่ได้มาเป็นแผนที่ในการปรับสเกลความสว่างของแต่ละ pixel ให้เท่ากันทั้งภาพ

 

ทั้งนี้ ในหลายๆ ครั้งไฟล์ FITS ที่ได้อาจจะผ่านกระบวนการกำจัดสัญญาณรบกวนมาก่อนหน้านั้นแล้ว เช่น ไฟล์ FITS ที่ได้จากหอดูดาวซีกฟ้าใต้ที่มีให้ดาวน์โหลดทุกภาพ แต่หากไม่แน่ใจควรจะตรวจสอบให้แน่ใจก่อนทุกครั้ง

 

บทความถัดไป: รู้จักไฟล์ FITS>>>