Czynniki negatywne

W procesie wykonywania zdjęć kamerą CCD na drodze do otrzymania ostatecznego zdjęcia, należy wziąć pod uwagę czynniki negatywnie wpływające na jego jakość: wynikające z praw fizyki, rozwiązań konstrukcyjnych a także zwykłego zabrudzenia. Ze względu na niedoskonałość techniczną urządzenia, w procesie robienia zdjęcia należy uwzględnić tzw. offset^3.1, prąd ciemny^3.2i pole wyrównujące^3.3zwracając uwagę na kolejności powyższych korekcji. W przeciwnym wypadku można otrzymać obraz na którym znajdą się plamki, rozjaśnienia i inne uboczne efekty. W rozważaniach na temat redukcji obserwacji CCD należy wziąć pod uwagę kolejność w jakiej fotony oddziałują na drodze od źródła światła, poprzez system optyczny do zamiany w cyfrowe zdjęcie i pracować w odwrotnej kolejności.

Poniżej przedstawiono porządek zdarzeń dla fotonów wędrujących w postaci promieni od chwili gdy wchodzą one do teleskopu, do czasu gdy zdjęcie jest odczytane przez detektor (Newberry, 1995):

1. Światło pada na obiektyw teleskopu tworząc ogólny sygnał $S$ proporcjonalny do oświetlenia $R_{o}$ i czasu ekspozycji $t$: $S=R_{o}t$
2. System optyczny ma różne stopnie winietowania, które redukują intensywność poza osiowych promieni. Efekt ten oznaczono jako $V$.
3. Cząstki kurzu na filtrach i szkłach optycznych redukują intensywność promieniowania. Ponieważ znajdują się one poza ogniskiem, ich cienie na CCD mają postać krążków dyfrakcyjnych; ich wpływ oznaczono przez $s$.
4. Migawka w kamerze CCD porusza się ze skończoną prędkością i może powodować nierównomierne ekspozycje na całej powierzchni detektora. W niektórych kamerach migawka jest otwarta dłużej w jej centrum niż na krańcach. To powoduje, że promienie padające centralnie są dłużej naświetlane, niż te padające na krawędzie. Przy krótkich ekspozycjach różnice te mogą stanowić duży procent całkowitej ekspozycji.
5. Piksele, które rejestrują padające na nie promienie, mogą się różnić czułością. Całkowity sygnał zarejestrowany przez piksel zależy od jego wydajności kwantowej $q$.
6. Podczas ekspozycji detektor wytwarza własny, wewnętrzny (termiczny) ładunek, nawet podczas nieobecności światła. Ten ładunek, określany jako prąd ciemny $S_{d}$ zależy od współczynnika prądu ciemnego $R_{d}$ i czasu aktywizacji detektora $t_{d}$: $S_{d}=R_{d}t_{d}$. Efekt prądu ciemnego usuwa się odejmując od zdjęcia tzw. ciemną klatkę^3.4, będącą ekspozycją wykonaną przy zamkniętej przysłonie.
7. Rejestracja padającego światła przez detektor CCD wymaga obecności w nim pewnego stałego, dodatniego ładunku elektrycznego $B$ zwanego offsetem. Ponieważ jego wielkość nie zależy od czasu naświetlania, można go usunąć z otrzymanego zdjęcia odejmując od niego inne zdjęcie, wykonane z zerowym czasem ekspozycji.

Całkowity sygnał zapamiętany przez piksele naświetlone przez dwa przykładowe promienie $S_{1}$ i $S_{2}$ jest dany przez poniższe równania. Oryginalny sygnał $R_{o}t$ znajduje się w pierwszej części każdego równania:

$$S_{1} = R_{o1}t_{1}V_{1}s_{1}q_{1} + R_{d1}t_{d1} + B_{1},$$ (3.1)

$$S_{2} = R_{o2}t_{2}V_{2}s_{2}q_{2} + R_{d2}t_{d2} + B_{2}.$$

Właściwą drogą do usunięcia każdego efektu jest praca z równaniami od prawej do lewej i usunięcie każdego efektu w odwrotnej kolejności jak powstał. Poprawek dokonuje się najpierw ze wzgl. na offset (odejmowanie), potem na prąd ciemny (odejmowanie) i na końcu na czynniki multiplikatywne $V, s, q$ (dzielenie). W powyższych równaniach należy zwrócić uwagę na pogrupowanie wyrażeń, które mogą zazwyczaj być poprawiane za jednym razem (np. korekcję ze wzgl. na czynniki $V, s, q$ wykonuje się łącznie za pomocą tzw. pola wyrównującego).

Oprócz powyższych, możliwych do skorygowania efektów, pojawiają się losowe szumy na które nie ma wpływu.

Zdjęcia CCD są podatne na następujące źródła szumów:

• szum fotonowy -- losowe fluktuacje w fotonowym sygnale; proporcje w jakich fotony są otrzymywane nie są stałe,
• szum termiczny -- statystyczne fluktuacje w tworzeniu termicznego sygnału; współczynnik przy którym elektrony są produkowane w półprzewodnikowej warstwie odpowiadającej za termiczne efekty, nie jest stały,
• szum odczytu -- błędy w odczycie sygnału; generowane głównie na wyjściowym wzmacniaczu,
• kwantyzacja szumu -- błędy wprowadzane w trakcie konwersji w przetworniku analogowo-cyfrowym,