Проект: Модификација на фото-апарат со ладење на сензорот

0
image001

Пример на CCD астро-камера

Во аматерската астрофотографија, денес, најчеста поставка за сликање се состои од телескоп (или објектив) на кој што се врзува дигитален фотоапарат или специјализирана фото-камера за астрофотографија. Специјализираните камери се со CCD чип, за разлика од обичните фото-апарати кои имаат CMOS тип на сензор. CCD сензорите се поскапи и тие имаат определени предности, кога станува збор на сликање на ноќното небо. Најскапите и наjквалитетните астро-камери се со монохроматски CCD сензори, а различните бои и други карактеристики што треба да се нагласат (на пример, бранова должина на водород која што е карактеристична за сликање маглини) се добиваат со поставување на различни филтри на патот на светлината до сензорот на камерата.

Но, постои уште една клучна разлика помеѓу специјализираните астро-камери и обичните фото-апарати, а тоа е дека астро-камерите имаат вграден систем за разладување на сензорот. Овој систем е потребен за да се намали термичкиот шум на сензорот (или шумот Johnson–Nyquist), кој се јавува поради загревање на сензорот за време на фотографирањето. При нормална фотографија (на пример, пејсажи или портрети) таквиот шум не се јавува, поради тоа што блендата е отворена мал дел од секунда и сензорот е активиран многу кратко време, а објектите и субјектите се добро осветлени (ако фотографот знае што прави). Но при фотографирање на астрономски објекти (галаксии, маглини и слично), должината на експозицијата е најчесто неколку минути, па и до 10-20 минути, така што сензорот се загрева и доаѓа до појава на термички шум. Исто така, поради тоа што сигналот е многу слаб, често е потребно е да се покачи осетливоста на сензорот (односно ISO факторот, кој најчесто е со минимум вредност од 800 АСА) што дополнително го зголемува термичкиот шум.

Астрофотографите аматери, оттаму, или имаат голем буџет да купат скапа опрема (квалитетна астро-камера чини од 3,000 до 10,000 ЕУР) или ќе го трпат термичкиот шум кој намалува квалитет на конечната фотографија. Или, пак, ќе бараат некое креативно решение.

Еден од начините да се намали шумот, генерално (односно не само термичкиот шум, туку и фотонскиот шумили Poisson-ов шум, што се јавува поради слабиот сигнал, односно мал број фотони што пристигаат на сензорот), е да се сликаат многу фотографии од ист објект, па при усреднување на вредностите од сигналот од сите фотографии, шумот се намалува, од кој и да е тип (има неколку вида шум, од кои, дополнително, од важност е и шумот за читање на вредностите од сензорот, односно read-out шумот). Овој метод го користат сите астро-фотографи, но придобивката е логаритамска. Со други зборови, за шумот линеарно да се намалува, бројот на иссликани фотографии треба да расте експоненцијално.

Еден друг начин, при ограничен буџет, е некако да се внесе ладење на сензорот во обичен дигитален апарат. Пред некој месец одлучив да се обидам сам да модификуван еден дигитален фотоапарат (Canon 20D) и направив проект, кој се чини го завршив успешно.

Идејата е релативно едноставна: се отвара и расклопува фотоапаратот додека не се дојде до задната страна на сензорот. Врз таа страна на сензорот се поставува метална плочка која од долната страна излегува надвор од апаратот. На делот од плочката што излегува од апаратот се поставува активен термички елемент, односно Peltier елемент. Функција на Peltier е да лади една површина (површината на плочката), за сметка на загревањето на другата страна на самиот Peltier. На страната што се загрева се поставува ладилник, сличен како ладилник (cooler) што се поставува на компјутерските процесори, за топлинската енергија што се развива на површината да дисипира што е можно побрзо.

Еве слики како се одвиваше самиот проект (сликано за време на изработката):

Фото-апаратот треба внимателно да се отвори, бидејќи внатре има комплицирана структура (некои делови требаше и да се одлемат).

Изглед на фотоапаратот кога ќе се дојде до сензорот

Изглед на фотоапаратот кога ќе се дојде до сензорот. [Кликни на сликите за да ги зголемиш]

На сензорот се лепи сонда за мерење темература (на сликата изгледа како црн кабел од лево веднаш до сензорот). Таквата сонда е потребна, бидејќи овој модел на Canon не содржи фабрички вградена сонда, додека кај поновите модели, температурата со којашто се слика, се запишува во EXIF мета-информацијата вклучена во секоја фотографија. Сепак, овој метод со вградување на сондата е подобар, бидејќи прегледот е динамички и инстантен и дозволува контрола на температурата, како што ќе се види подоцна во текстот.

image003

Потоа, врз сензорот се поставува плочката што треба да го разладува сензорот. Плочката ја дизајнирав внимателно (во CorelDraw) за да не им пречи на другите делови во апаратот, особено при затворање на апаратот, за да може од апаратот да излезе надвор и за да има за што да се прицврсти (за да не мрда или уште полошо, за да не испадне). Одбрав бакар бидејќи има добри термички карактеристики. Бакарната плочка е сечена прецизно, ласерски на CNC машина (во „Раде Кончар“). Помеѓу сензорот и плочата размачкав сребрена термичка паста.

image004

Врз плочката залепив самолеплива силиконска лента за колку толку да се заштитам од термичката загуба (ваквата изолација не е доволно добра, ќе треба да се подобри понатаму).

image005

Апаратот внимателно се затвора и сите кабли се приклучуваат назад на своето место.

image006

Еднаш откако ќе се затвори апаратот, на бакарната плочка треба да се прицврсти Peltier елементот, што го држам во левата рака.

image007

Но, не пред да ставам многу термичка паста.

image008

Потоа од другата страна на Peltier-отсе прицврстува (зашрафува) ладилник (heatsink). Еве на следната слика може да се види пример колку ситни проблеми излегуваат во целиов процес. Имено, на една завртка не можеше да ѝ се пристапи со обичен завртувач, бидејќи излезе дека е позиционирана директно под апаратот.

image009

Од едната страна на ладилникот ја залепив контролната кутија што ја изработив претходно. Контролата е преку имплементација на едноставен термостат. Ако и кога Peltierot успее да ја постигне посакуваната температура прикажана на вградениот LCD дисплеј, релејот, исто така вграден на контролната плочка, прекинува и Peltier-от се исклучува. Температурата, во тој случај, по некое време малку ќе се покачи (што од греење на сензорот, што од амбиенталната температура ако надвор е топло) и релејот пак ќе се вклучи. Резултатот е дека темепратурата на сензорот ќе варира околу зададената вредност. Еве ја конечната поставка, на која што се гледа дека, за среќа, се работи како што треба. Исто така, може да се види дека не знам баш најдобро да лемам :)

image010

Нормално, веднаш требаше да се направи и мал тест. Секако, потребно е и поекстензивно тестирање, но тоа понатаму. Малиот тест се состои од следното:

Се слика со затворен апарат (со поставен капак на апаратот за да не влегува ниту малку светлина). Се одбира долга експозиција (со употреба на посебен окинувач, бидејќи Canon фотоапаратите не дозволуваат програмирани експозиции подолги од 30 секунди). Со вакво сликање се добиваат таканаречени Dark frames, или „darks“, на кои не се гледа ништо друго освен варијации на шумот, и тоа откако црната сликата ќе се модифицира (на пример, со „ширење“ на levels во Photoshop). Се кропира само центарот на сликата (за подобро да се види шумот).

И еве резултати на тестот правен во домашни услови, односно на собна температура (a со исти levels во Photoshop).

Првата слика (лево) е без вклученото ладење, со должина на експозиција од 6 минути на ISO 1600. Втората слика (десно) е со вклучено ладење, односно со вклучен Peltier елемент.

Се гледа дека шумот е значително намален. Температурниот диференцијал што термичкиот елемент успеа да го постигне беше 11°C (односно, сондата на крајот на првата фотографија пријави 33°C, a на втората 22°C). Еднаш искачени на планина со апаратот за да сликаме, шумот ќе биде уште помал, поради тоа што таму е постудено од кај мене во соба.

Во проектот останува да се изврши тест на терен, за да се види дали се добива значителна предност, како што е претпоставено и дали вентилаторот вграден на ладилникот можеби ќе предизвика непосакувани вибрации.

Во проектот досега значителна логистичка помош пружи Радан Митровиќ од Скопското астрономско друштво, а помогнаа и други, конкретно претпријатието „Раде Кончар“, часовничарот „ИКО“ во ГТЦ како и дреерот Ата Турунџе што се наоѓа веднаш до Бриколаж во населбата Аеродром.

Еве го Радан како буши дупче во ладилникот за да може да се прицврсти на Peltier елементот (му пукна само една бургија бидејќи го зазбореа додека работеше).

image013

Еве ме и мене како се восхитувам на конечниот резултат.

image014

Модификацијава, во однос на тоа што сѐ се прави денес во светот, е тривијална. Сепак многу ситни работи можат да појдат низбрдо, така што се потребни време и волја, малку ресурси да се купат сите делчиња (и нормално да се „жртвува“ еден фото-апарат) и многу, многу трпение.

Па така се надеваме дека наскоро ќе можеме да ви покажеме резултати од сликањето со „новиот“ фото-апарат.

Текст: Горан Петров

Сподели.