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深空天体数字摄影中的暗电流与暗电流噪声  

2018-01-09 13:56:30|  分类: 天文观测与摄影 |  标签: |举报 |字号 订阅

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深空天体数字摄影中的暗电流与暗电流噪声 - 韦大宝 - 韦大宝的光影星空

      在讨论深空天体数字摄影噪声主要来源的时候, 一般认为有三大类。即读出噪声(又称量化噪声)、光子噪声(又称量子噪声)和热噪声(又称暗电流噪声)。记得刚刚开始接触深空天体数字摄影的时候,认为只要能够准确地拍摄和制作暗场,就可以通过扣减暗场来消除热噪声。现在看来,很多刚刚入门的爱好者也有同我当时一样的观点。那么,实际情况是否就是这样呢?

     要说明这个问题,就得从CCD/CMOS数字影像传感器的暗电流说起。对于CCD/CMOS这类半导体器件来说,正常工作过程中必然会产生一定的热量。这些热量会导致CCD/CMOS传感器产生额外的电子,这部分电子与CCD/CMOS传感器接收到的光子无关。与环境温度和CCD/CMOS传感器持续工作时间有关。在深空天体摄影的实践中,我们的直观感觉就是当环境温度越高、相机曝光时间越长,影像中的杂讯就越严重。

    理想条件下,只要我们能够准确地测量出每一个像元在每次曝光过程中由热量产生的额外电子,在后期处理的时候减去它们。那么暗电流对最终的影像将不会有任何影响。

   然额。。。实际情况并不是那么简单。首先,对于CCD/CMOS传感器的像元来说,这些额外电子产生的速率会有波动。简单的说,即便是完全相同的温度和曝光时间,同一个像元在多次曝光中所产生的这些额外电子的数量不会完全相同。其次,对这些额外电子的测量也不可能绝对准确(任何测量都必然会产生一定的误差)。简单的做法是多次测量然后取平均值。当然这里说的多次测量只能是拍摄很多张在相同温度下、相同曝光时间的全黑影像(即没有接收到任何光子的影像)。这样一来,测量的次数越多,获得的暗电流平均值就越接近准确值。这个过程我们称为制作暗场。

    好了,如果将正常拍摄的影像减去这个大量平均后已经非常接近准确值的暗电流影像后,我们又会得到什么呢?显而易见,我们得到的只是减去暗电流平均值的影像。而暗电流的波动部分将会被保留下来。暗电流的波动部分即是我们所说的暗电流噪声,又称作热噪声。我们可以用下图一个一维影像的例子来说明问题。假设只考虑暗电流,不存在其他类型的噪声。

深空天体数字摄影中的暗电流与暗电流噪声 - 韦大宝 - 韦大宝的光影星空

    通过以上的分析。我们得到的结论是:扣减准确的暗场后并不能消除暗电流带来的噪声,即暗电流噪声或者热噪声。

实际上,热噪声与光子噪声具有相似的特性,它们都服从泊松分布,都可以通过大量叠加的方法来提高影像的信噪比。

    这里值得注意的是,暗电流噪声是随着暗电流的增加而增加的。随着温度的升高和CCD/CMOS传感器持续工作时间的延长(曝光时间的增加),暗电流必然会增加(由热量产生的额外电子会累积)。这样一来暗电流噪声也会显著增加。因此,对于经常需要长时间曝光的深空天体摄影来说,降低CCD/CMOS传感器的工作温度是减少热噪声的有效手段。所以选择冷冻深空相机(例如QHY系列CCD/CMOS冷冻深空相机)对于减少热噪声是非常有意义的。

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