Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi kar. Nagy szögfelbontású optikai csillagászat földi távcsövekkel

Átírás

1 Eötvös Loán Tuományegyetem Temészettuomány ka Dete Ös Huno Nagy szögelbontású optka csllagászat öl távcsövekkel Ks szepaácójú kettőscsllagok olt-nteeometás meggyelése Pszkéstetőn Témavezető: D. Ábahám Péte MTA Konkoly Thege Mklós Csllagászat Kutatóntézet Buapest, 007

2 Előszó A öl légkö az élet kalakulása szempontjából a legontosabb tényezők között szeepel. Eős szűő hatása ultabolya, öntgen és gamma hullámhosszakon alapvető ontosságú az élet kalakulását és ennmaaását lletően. Csllagászat szempontból azonban ez azt jelent, hogy a légkö csak bzonyos hullámhossz tatományokban átlátszó az elektomágneses sugázás számáa. Ilyen tatományok a látható ény, az navöös egy észe, és a áó hullámhosszak egy észe. Ám az átláthatóság ezeken a hullámhosszakon sem jelent, hogy a énysugaak változatlanul halanak át a légköön. A légkö tubulencák tozítják az objektum ényének ázsontját; ematt s építk a lehető legmagasabb helyszíneke a csllagászat meggyelőállomásokat. Egy másk hatás a ény szóóása a légköben. A szót ény ég háttéként jelenk meg, am holas éjszakákon bzonyos mééseket aká lehetetlenné s tehet. A meggyelés technka ejlőésével az 1950-es évek végén skeült előszö gen öv epozícós ejű elvételeket készíten az égől. Má az első méésekből nylvánvalóvá vált, hogy a öv elvételek lényegleg különböznek a szokásos hosszú epozícós ejű elvételektől. A képeken megjelent a koábban nem látott, a csllag ényének hullámonttozulásából eeő nteeencás oltszekezet. (E-1. ába. A hosszú elvételeken e gyosan változó nteeencaképet nem lehet látn. Ez az eemény nytotta meg az utat a légkö tubulencák megsmeésén keesztül a oltnteeencás technkához. Labeye egy 1970-es ckkében javasolta a stella speckle nteeomety technkát [], ahol az nteeométe maga a távcső, a távcső puplláján keesztül ékező sugaak peg a képsíkban nteeálnak, létehozva a kép oltnteeometás szekezetét (E-1. ába. A méés technka megvalósítása 1970-ben gen nagy khívást jelentett. Ma szemmel nézve éekes, hogy számítógép nélkül s megolható volt a pobléma. A speckle- (magyaul olt-nteeometás technkával kezetben képalkotás nem volt lehetséges. Vszont kettőscsllagok esetében magából az nteeenca képből má ekko s meg lehetett hatáozn mnen lényeges paamétet: a szepaácót, a ensze oentácóját az égen, és a csllagok elatív ényességét. E-1. ába Egy csllag olt (speckle szekezete öv epozícós ővel készített képen [] A szakolgozatom célja nagyon ks szepaácójú, a távcső elv elolóképességének hatáa közelében lévő, azonban a légkö hatása matt egyébként nem elolható kettőscsllagok észlelése olt-nteeometás technkával. Ehhez hasonló technkával Magyaoszágon koábban csak egy alkalommal kíséleteztek a Baja Obszevatóumban, ám ott a használt távcső elmélet elbontóképességének ötszööse alatt nem skeült étékelhető eeményt elén [1]. Én a mééseket az MTA KTM Csllagászat Kutatóntézet pszkéstető 50cm-es Cassegan távcsövével végeztem, szoos együttműköésben az Intézet két kutatójával, Mező Gyöggyel és Regály Zsolttal. Dplomamunkám kezeteko Pszkéstetőn nem állt enelkezése a olt-nteeometás mééshez alkalmas kamea, ezét a mééssoozatot egy nagysebességű pa CMOS kamea átalakításával, beméésével, és a kameavezélő szotve kejlesztésével kellett kezenem. Munkám közben, valós ejű képelolgozással, skeült megvalósítanom egy új, automatkus ókuszálás mószet s. A méések soán a távcső elv elbontóképességénél (0.3 mntegy kétsze nagyobb szepaácójú kettőscsllagokat skeült

3 elbontanunk, átlagos észlelés köülmények mellett. Egy lyen kettőscsllag képe látható az E-. ábán, amely szemléltet, hogy a csllagok nem különíthetők el ekt leképzéssel. Foltnteeometás technkával azonban, több eze kép kombnálásával, a ensze elbontható. Szakolgozatomban a kettőscsllag méések eeményenek bemutatása mellett célom a oltnteeometa pojekt soán elét mééstechnka eemények okumentálása s. A olgozat egyes ejezete útmutatóként szolgálhatnak a Pszkéstetőn tovább olt-nteeometás mééseket végezn kívánó kutatóknak. Úgy gonolom, hogy ez a technka a magyaoszág meggyelés lehetőségeknek tökéletesen megelelő, új ányvonalat nythat a hon csllagászatban. A szakolgozat elépítése a következő: Az első ejezet célja a távcső képalkotásának, és elolóképességének elemzése. Előszö a légkötől mentes eseteket tágyalom, maj a légkö moelljének megsmetetésén keesztül a légkö leképzés poblémákat mutatom meg. Végül, ktekntésképp, elsoolom a légkö koekcós technkákat. A mások ejezet az észlelés technka hátteének ejlesztését leíó ejezet, mely bemutatja az észlelés alatt elmeülő poblémákat és ezek megolását. Ez a ész egyajta útmutatóként s szolgál a saját ejlesztésű észlelőszotve kezeléséhez. A ejezet végén bemutatom a távcső ókuszálásának új, valós ejű mószeét. E-. ába A WDS J kettőscsllag (mét szepaácó: 0,6 egy öv epozícós ejű elvételen. A hamak ejezetben tágyalom a olt-nteeometás technka elmélet hátteét, maj szsztematkusan bemutatom az egyes lépéseket az észlelése való elkészüléstől az aatok kétékeléség. A negyek ejezet a kettőscsllagoka kapott meggyelés eeményem smetetése. A olgozatot öv összeoglalás zája, ktekntéssel a tovább lehetőségeke. A következőben szeetnék köszönetet monan mnazoknak, akk segítsége, hozzájáulása nélkül ez a szakolgozat soha nem készülhetett volna el. Elsőként témavezetőmnek, D. Ábahám Pétenek (MTA KTM Csllagászat Kutatóntézet a szakolgozat elkészítéséhez nélkülözhetetlen eltételek bztosításáét valamnt a szakolgozatom elkészítésében nyújtott segítségét. Mező Gyögynek (MTA KTM Csllagászat Kutatóntézet, Napzka Obszevatóum az nteeometa méések kezeményezéséét, az együtt olgozó patneek skees koonálásáét, az nput katalógus elkészítéséét, továbbá hogy D. Ozó Lászlóval együtt (MTA SZTAKI a D. Ravány Anás által vezetett "On chp hullámont ézékelés és pocesszálás paallel mplementácója" című K61965 számú OTKA pályázat oásaból lehetővé tették és segítették a olt-nteeometa technka megvalósítását. Regály Zsoltnak (MTA KTM Csllagászat Kutatóntézet az IDL aateukcós szotve elkészítéséét. D. Rácz Mklósnak (MTA KTM Csllagászat Kutatóntézet, az észlelésekhez használt távcső pontos beállításáét, a nélkülözhetetlen Balow-lencse oglalatának elkészítéséét, és a távcső lat-el enyőjének elszeeléséét. A Konkoly Thege Mklós Csllagászat Kutatóntézet technka személyzetének a távcső kameallesztésének elkészítéséét. Nagyszeű volt, hogy plomamunkám megvalósítása soán gaz csapattagnak éeztem magam. Végül, e nem utolsósoban köszönet eleségemnek, Mónkának, aknek a megétő tüelme, és segítsége nélkül ez a mééssoozat, és szakolgozat nem jöhetett volna léte.

4 1. Fejezet Bevezető áttekntés, elmélet alapok A távcsővel alkotott kép keletkezése Raylegh Sommeel akcós omula 1.1. Koheens leképzés Inkoheens leképzés, levágás ekvenca, elbontóképesség A pszkéstető méések optka átvtel üggvénye A öl légkö jellemzése a nagyelbontású csllagászat szempontjából A öl légkö szekezete Fénytejeés a öl légköben A légkö leképzés hbák kküszöbölésének lehetősége 19. Fejezet Az észlelés technka hátteének megteemtése. 0.1 A CMOS technológa 0. A gyos CMOS szenzook vzsgálata csllagászat szempontból 1.3 CMOS vs. CCD (lehet-e komoly eeményeket kapn CMOS-szal? 1.4 A Poslca CV-180 CMOS kamea bemutatása, hbának kméése.5 Észlelő have ejlesztése 6.6 Észlelő szotve kejlesztése Man ablak Pevew ablak CMOS tempeatue ablak Hstogam ablak Sta seach ablak Debug no ablak 33.7 Automatkus nom ókuszállítás eal-tme képelolgozással 34.8 A zajok kogálásának lehetősége Fejezet A olt-nteeometás technka megvalósítása Pszkéstetőn A olt-nteeometás technka elmélet háttee Az nput katalógus készítése az észlelés előtt Az észlelés követelménye Az aateukcó Kettőscsllagok szepaácójának, oentácójának pontos meghatáozása Fejezet Eemények Fejezet Ktekntés, összeoglalás Nagy szögelbontású lehetőségek a pszkéstető 1m RCC teleszkópon Automatkus ókuszállítás megvalósítása a pszkéstető 1m RCC teleszkópon, 55 és a 60/90cm-es Schmt teleszkópon Új etektook a pacon Összeoglalás 55 Ioalomjegyzék... 56

5 1. Fejezet Bevezető áttekntés, elmélet alapok 1.1 A távcsővel alkotott kép keletkezése A csllagászat távcsövek, és ezek légköön keesztül leképzés poblémának megétéséhez nélkülözhetetlen megsmekenünk a Foue-optka alapjaval. A Foue-optka mutatja meg a távcső alapvető poblémát, eltáva annak leképzés hatáat. Sokszo mnt a légköön kívül csllagászatnál ez elegenő. A öl csllagászat poblémának megétéséhez azonban elengehetetlen a légkö alapvető moelljének smeete s. Ennek megétése szükségszeű a légkö hullámont egeneácók, és ezek leképzés hatásanak tágyalásához, am a öl csllagászat poblémának kulcsát jelent. A geometa optkában a énytejeésnél a ény nteeencáját nem vesszük gyelembe. Egy optka enszenél ezt gyelembe véve jutunk el a akcós eektusg. A akcó az oka annak, hogy egy optkalag tökéletes leképzőensze képe a ókuszsíkban nem ponttá vetül le mnt azt a geometa optka alapján vánánk, hanem szétszóók e pont köül. Ennek okán, két kellően közel, pontszeű objektum má nem bztos, hogy elkülönül a keletkezett képen. A legközelebb, még különálló ponttá leképzett pontok távolságát nevezzük a távcső akcós hatáának, vagy elolás hatának. A akcó mlyensége az optka elemek alakjától, météke az optka elemek méetétől, és az ezen átvonuló ény hullámhosszától ügg. Egy optka ensze akcó-lmtált elbontása csak a méet növelésével és/vagy a hullámhossz csökkentésével éhető el. A következő két ejezetben M.C. Roggemann munkája alapján [13] tömöen összeoglalom azokat az alapeeményeket, amelyek a olt-nteeometa megétéséhez nélkülözhetetlenek ába. Dakcós geometa 1

6 1.1.1 Raylegh Sommeel akcós omula Az 1-1. ába llusztálja a Foue-optka geometáját. A képen a beeső ény az apetúán átjutva keül a leképzés síka, ahol a etekto található. Az 0 és y 0 az apetúa síkját, míg az 1 és y 1 a leképzés síkját eszít k. Az 0 az apetúa síkjában lévő vekto, míg az 1 a leképzés síkban lévő vekto. Az 01 vekto az ezeket összekötő vekto. A pobléma tágyalásához a következőket kell leszögezn: 1. A skalás akcós moellben az optka mennységeket skaláként kezeljük, vektotemészetüket gyelmen kívül hagyjuk.. A aktáló apetúa méete nagyságenekkel nagyobb, mnt az optka hullámhossz. E két kkötés általában könnyen teljesíthető. A Raylegh Sommeel omula a Helmholtz-hullámegyenlet megolása egy ügyesen megválasztott Geen-üggvénnyel. A omula szokásos alakja: 1 ep( jk 01 u1 ( 1 = u0( 0 cos( θ 0, (1.1 jλ A 01 ahol az u 1 ( 1 a komple ntenztás a leképzés síkban, az 1 pontban. Az u 0 ( 0 az apetúa síkjában, 0 pontban lévő komple ntenztás. λ az optka hullámhossz és k az optka hullámszám ( π / λ. Az ntegálást az apetúa azon észée kell elvégezn, ahol az átenge a ényt. Az (1.1 kejezést az alább móon s elíhatjuk h ( 1 u1 ( 1 = u0( 0 h ( 0, 1 0, (1. ahol 0, kejezés a szaba átvtel üggvényt enálja, mely h ( A 1 ep( jk 01, 1 = cos(. (1.3 jλ 0 θ Az ntenztás kejezését a 01 = 1 0 gyelembevételével a következő alakba íhatjuk u 01 1 = u0 ( 0 h ( = u0 ( 1 h (, (1.4 1( 1 A ahol a kétmenzós konvolúcó jelölése. A konvolúcós oma legnagyobb előnye, hogy a konvolúcó Foue-tanszomácó után, a ekvenca tében szozássá alakul. A Fouetanszomácó enícója G( [ g( ] = g( ep( jπ. (1.5 = F 0 Foue-tében a Raylegh Sommeel omula alakja a következő lesz: U = U ( H (, 1( 0

7 1-. ába. Lencsés leképezés geometája ahol a szaba átvtel üggvény Foue-tében a következővé alakul H ( = F[ h ( 1 ] = ep π z λ, ha H ( = 0, ha 1 λ. 1 < λ (1.6 Ha z + >> y, akko (1.6 a következő alakba íható H ( ep( jkzep jπλ z ( = 0, ha = H, ha 1 λ, 1 < λ (1.7 amt Fesnel-omulának nevezünk Koheens leképzés Egy tágy leképzéséhez szükség van egy a ény útját móosító taga. A távcsöveknél vagy a ényképezőgépeknél ezt legegyszeűbb esetben egy lencsével olhatjuk meg. A lencse móosítja a ény ázsát a lencse síkjában, a lencse közepétől való távolság üggvényében. Ematt a tágy egyes pontjaból knuló ényhullámok azonos ázsban ékeznek be a leképzés sík megelelő pontjaba. A lencsés leképzés geometája az 1-. ábán látható. A koheens leképezésnél a ény monokomatkus, tében és őben koheens. Vezessük be a leképzést végző lencse tagot a következőképpen 3

8 ahol a ( a lencse átvtel üggvénye, am vékony lencséke t l t l u ( = u ( t (, (1.8 t k ( ep j = l, (1.9 ahol a lencse ókusztávolsága. A koheens, monokomatkus képalkotás egyenlete ( = u0 ( h(. (1.10 u A Fesnel-omulából és a lencse (1.9 átvtel üggvényéből a következő átvtel üggvényt kapjuk: [ jπ ] = F[ W ( λ ] h( = W ( λ ep. (1.11 Ennek Foue-tanszomáltját véve a következő eeménye jutunk: H ( = W ( λ, (1.1 ahol a W ( λ az optka ensze pupllaüggvénye, λ a ény hullámhossza, peg a távolság a puplla és a leképzés sík közt. Legegyszeűbb esetben a pupllaüggvény egy D, D y méetű téglalap, melynél y W ( = ect ect, ahol D D y ect ( = 1, ha < 1/ (1.13 ect ( = 0, ha 1/. Ekko az átvtel üggvénye azt kapjuk, hogy λ λ H ( =, y ect ect. (1.14 D Dy Tehát az átvtel üggvény élesen levág ányban elett. A válaszüggvény ekko az alább alakot ölt λ D és y ányban λ y D y ekvencák D Dy D yd y h(, y = sc sc, ahol ( λ λ λ sn(π sc( =. (1.14 π A H, átvtel üggvényt, és a h(, y válaszüggvényt az 1-3. és az 1-4. ába mutatja. ( y 4

9 1-3. ába A téglalap alakú puplla átvtel üggvénye koheens megvlágításnál 1-4. ába A téglalap alakú puplla válaszüggvénye koheens megvlágításnál Kö alakú puplla esetén (am távcsöveke legnkább jellemző a következő W puplla üggvényt vezethetjük be W ( = cc, ahol D / cc ( = 1, ha < 1 cc ( = 0, ha 1. (1.15 Ezzel a ensze átvtele (1.1 és (1.15 alapján H ( = cc λ D / (1.14 D / lesz. Ebből látn, hogy a létejött kép vágás ekvencája lesz. Az (1.14 átvtel λ üggvénynek a válaszüggvénye gömb koonátáka átíva a következő omát vesz el D J π 1 D λ h( =, (1.15 (πλ D λ 5

10 1-5. ába A kö alakú puplla válaszüggvénye koheens megvlágításnál ahol J a Bessel-üggvény; a középpontól mét távolságot, D az apetúa átméőt jelent. A kö apetúájú ensze leképzésének válaszüggvénye az 1-5. ábán látható. Az optka ensze tébel elbontását a középpont és az első null-átmenet távolságával λ enáljuk. Ezzel az optka ensze elbontása 1.. A kejezésben szeepel, a D puplla és a leképzés sík távolsága. Ha azonban lneás téből áttéünk a szög-tébe, bevezetjük a α =, β = kejezéseket, ezzel az átvtel egyenlet a következő alakot ölt = W ( βλep[ jπβ α ] F[ W ( β ], és H β = W ( λβ h ( α = λ (. (1.16 Ebben má nem szeepel, a tulajonképpen ókusztávolság, azaz a elbontás csak az optka ensze átméőjétől és a hullámhossztól ügg. A későbbek matt ontos megemlíten, hogy a levezetés végeeménye téglalap alakú puplla esetén c = λ / D ányú mamáls elbontást, és = D / λ levágás ekvencát a. c Inkoheens leképzés, levágás ekvenca, elbontóképesség Az előző észben a leképzett tágyól ékező ény monokomatkus és koheens volt. Ám mlyen eeményeket kapunk nkoheens megvlágításnál? Az nkoheens megvlágítás moelljében a tágy mnen egyes pontja teljesen üggetlen a többtől. A valóságban ez nem teljesen gaz, met két pont nem üggetlen, ha azok egy bzonyos távolságon belül ( λ -nál közelebb vannak. Azonban a moell jól műkök, ha az optka ensze nem képes elbontan ezt a távolságot. A csllagászat távcsöveknél az észlelések soán ez a ktéum tökéletesen teljesül. A koheens ensze ( ntenztását (1.10 moulusának négyzete aja, azaz 6

11 ( = u( = u( h( (1.17 ahol * konvolúcót jelöl. A konvolúcó enícó szent az alább műveletet jelent ( = * * u ( u ( h ( h ( 0 0 (1.18 am a koheens megvlágítás ntenztásüggvénye. Itt a első neben szeeplő * a komple konjugáltat jelöl. Vzsgáljuk most meg, mlyen ntenztásüggvényt kapunk nkoheens megvlágítás esetén! Ha az optka u( üggvény egy véletlenszeűen változó mennység, akko ennek következtében ( s az lesz. A etektált mennység ennek átlagétéke lesz. Az (1.18 mennység átlagát véve * * ( = u u h h 0 ( 0 ( ( (, (1.19 * * = u ( u ( h ( h ( 0 0 ahol a. az átlagolás opeátoa. Az nkoheens leképzés koheenca tulajonsága matt az * u ( u ( mennység a következőképpen íható el 0 0 * u ( u ( = κ o( δ (, ( ahol δ ( a Dac-elta üggvény, o ( az objektum átlagntenztása, κ peg egy konstans, amely a későbbekben elhagyható. (1.0-at (1.19-be helyettesítve és az szent ntegálást elvégezve a következőket kapjuk ( = o( h ( = o( * h (, (1.1 ahol a * a konvolúcót jelöl. Tehát a válaszüggvény Spea Functon nevezünk és s( -el jelölünk: h ( -től ügg, amt PSF-nek (Pont = h (. (1. s( Mekkoa a mamáls elbontás nkoheens leképzés esetén? Az (1.1 egyenlet Fouetében az alább alakú lesz I( = O( * H (, (1.3 7

12 1-6. ába A téglalap alakú puplla átvtel üggvénye nkoheens megvlágításnál 1-7. ába A téglalap alakú puplla válaszüggvénye nkoheens megvlágításnál ahol a nagybetűs mennységek az (1.3 egyenletben szeeplő ksbetűs mennységek Fouetanszomáltját jelölk, valamnt H ( az s( Foue-tanszomáltja. Az I( és O( az objektum, és a kép ekvencaspektuma. A H ( -t optka átvtel üggvénynek (OTF nevezzük. A konvencó szent H ( -t nomalzáljuk = 0 ekvencáa, azaz H ( = F F[ s( ] [ s( ] = * F[ h( h ( ] * [ h( h ( ] F[ h( ]* F[ h( ] [ h( ] = 0 * F[ h( ] = 0 = 0 F F = 0 =, (1.4 ahol a * a konvolúcót jelöl. Itt s elhasználva az (1.13 egyenletet a következőt kapjuk [ λ ]* W [ λ ] W H ( =, (1.5 W [] 0 * W [] 0 ahol a W kejezés a pupllaüggvény, am tatalmazza a puplla méetét - azaz áteesztését - és a pupllaázs abeácót s. Esetünkben az egyszeűség kevéét téglalap alakú puplla esetén y W ( = ect ect, ahol D D y ect ( = 1, ha < 1/ (1.6 ect ( = 0, ha 1/ (1.5 kejezésbe helyettesítve (1.1 kejezést, a következő optka átvtel üggvényt kapjuk 8

13 9 ( ( [ ] ( ( [ ] = = y y y y y y y D t D t ect ect ect ect D ect D ect D ect D ect H λ λ λ λ λ λ 0 0 * 0 0 *, ( (1.7 ahol t = 1 (, ha 1 < 0 ( = t, ha 1 Ezek szent a levágás ekvenca c D λ / =, am c D / λ = mamáls elbontást eeményez, hasonlóan a koheens leképzésnél kapott eeményekhez. Itt s éemes megjegyezn, hogy a elbontás csak látszólagosan ügg a pupllatávolságtól. Távolságól szögtébe való áttééssel a kejezés a (1.16-hoz hasonló alaka hozható. Az (1.7 egyenlet nvez Foue-tanszomáltja, megaja a ensze optka válaszüggvényét ( = y y D sc D sc D D y s λ λ λ, (. Hasonlóan kaphatjuk meg a kö alakú puplla átvtel üggvényét (1.8 = 1 1 cos ( D D D H ρλ ρλ ρλ π ρ, ha D λ ρ / 0 ( = ρ H, ha D λ ρ / > (1.9 (1.9-ből a nvez Foue Bessel tanszomácóval kapjuk ennek válaszüggvényét: 1-8. ába A kö alakú puplla átvtel üggvénye nkoheens megvlágításnál 1-9. ába A kö alakú puplla válaszüggvénye nkoheens megvlágításnál

14 s( = s(0 D J1 λ D λ ( A pszkéstető méések optka átvtel üggvénye Az ábán egy pszkéstető méésünk átvtel üggvénye látható a ekvencák üggvényében. A képen a üggőleges tengelyen az átvtel eőssége, a vízszntes tengelyen a létejött kép tébel ekvencá láthatóak. A ekvenca a kétékelt 18*18 peles képben megjelenő legnagyobb ekvencáa van nomálva, am 1/(64*1pel méete. Az ábán látható átvtel üggvény jelentősen elté az 1-7. ábán látható akcó lmtált, légkömentes átvtel üggvénytől, mvel az ábán a nagyobb ekvencákhoz tatozó étékek nagyon közel állnak a nullához. Az, hogy ezen étékek nem nullák, csak az ábán válk láthatóvá, am ugyanezt a méést mutatja logatmkus skálán. Az ába mutatja a légkö jelentős tozító hatását a keletkezett kép nagy ekvencán. Jól látható a légkö szeepe az átvtel üggvényben, am a öl távcsövek leképzésében a legomnánsabb tényező, s amelynek elmélet vzsgálata a következő ejezetben található. A nagy ekvencákon tapasztalt nullához közel étékek matt e ekvencákon a jel/zaj vszony gen alacsony, am több száz, esetleg több eze kép elvételét tesz szükségesé a olt-nteeometás technkához ába A pszkéstető méések átvtel üggvénye 10

15 A távcső által alkotott képben előouló ekvencák levágás ekvencája, azaz a távcső H ( átvtel üggvényének véges jellege tökéletesen látszók olt-nteeometás technkával elkészített méésenken. Az 1-1. ábán a HIP 3438-nak a Foue-tében kapott, nteeenca-képből, ún. specklegamból átlagolt képe látható. A kép közepén a ks ekvencákat, a szélek elé halava az egye nagyobb ekvencákat láthatjuk. Az ábán jól láthatók a távcső által készített képen még jelenlévő ekvencák. Az llesztett ekete ellpszs a hatáekvencát mutatja, amn kívül má csak zaj található. Az ellpszsoma, egy hbás optka tag, az ellpszs kstengelyével azonos ányú elbontást ontó hatásáa utal. Méésenk e hbáját a kétékelés ejezetben tágyalom észletesebben. A olt-nteeometás technka alkalmazásával az eléhető elbontás a távcső akcós hatáa, azaz eléhető a akcó-lmtált leképzés ába A HIP 3438 specklegamja ába A pszkéstető méések átvtel üggvénye, logatmkus skálán 11

16 1. A öl légkö jellemzése a nagyelbontású csllagászat szempontjából A ejezet első észében bemutatom a öl légkö nhomogentásanak leíásához alkotott moellt és annak jellemzőt. A mások észben a légkö moell énytejeése gyakoolt hatását és leíásához elhasznált paaméteeket mutatom be. Végül a légkö hatásanak koekcójáa eeményesen használható technkákat tágyalom A öl légkö szekezete A öl távcsöves leképzés legnagyobb poblémája a légkö őben és tében s nhomogén szekezete. Az nhomogentás oka a légkö mozgások, a szél matt kalakuló tubulencák. E ejezetben nem célom a légkö tubulencák pontos leíása, csak betekntést kívánok an a légköben zajló olyamatokba. A pobléma leíásának kompletása matt csak a végeeményeket és az ezekből levonható következtetéseket mutatom be. A észleteket az oalomjegyzékben található ckkek tatalmazzák. A légkö áamlás a légkö magas Reynols-számának megelelően mng tubulens. A tubulenca mn tében, mn őben eősen és véletlenszeűen változóvá tesz a légkö paaméteet, lehetetlenné téve azok változásának pontos leíását. Elsőként Kolmogoov javasolt egy statsztka moellt, am a légköben zajló mozgásokat íja le. Ez a moell a tubulens áamlást összenyomhatatlan, súlóó olyaékban íja le, melyben a ensze a mozgásához szükséges enegát a legnagyobb skálákon nye. Ez a légkö tubulencák szíve, amt tulajonképpen szélként smeünk. A nagy skála a legnagyobb előouló övények méete, jelölése L 0. A nagyobb skálákon szezett enega táplálja az egye ksebb, és ksebb skálákat, míg a legksebb l 0 skálán a knetkus enega a súlóás hatásáa hővé alakul. Kolmogoov moellje a tubulencákban lévő sebességluktuácókat az L 0 < l < l0 skálákon íja le, amt belső tatományoknak nevezünk. A következőkben Pete Knuttson [0] munkája, és Mchael C. Roggemann [13] könyve alapján vázolom e luktuácó moell eeményet. A luktuácók jellemezhetők egy sebességeloszlás-üggvénnyel, am az egymástól ρ távolságú helyeken lévő sebességek különbségét íja le. Ahogy később látn ogjuk, a tubulencák eőssége a sebességluktuácóktól ügg. Kolmogoov a következő eloszlásüggvényt javasolta D = / 3 V ( ρ = v( v( + ρ CV ρ, (.1 ahol és ρ tébel vektook, v az aott helyen a sebesség vekto nagysága. AC V paaméte az egyenlőség teljesítéséhez kell és a betáplált enega nagyságától ügg. A sebességeloszlásüggvény homogén (nem ügg a helytől, valamnt zotop, mvel csak a ρ nagyságától ügg, ányától nem. A ent egyenlet csak a belső tatományokban gaz, a légköben L 0 néhányszo tíz métet, l 0 néhány mllmétet jelent. A hőméséklet-luktuácók szntúgy szeepet játszanak a légkö olyamatokban, hasonlóan ezek eloszlásüggvénye: D = /3 T ( ρ = T ( T ( + ρ CT ρ. (. 1

17 A légkö külső tatományaban tatományokban végezhető el. C T étéke ügg a helytől és az őtől, azonban a belső C T konstans. Ennek meghatáozása légkö hőméséklet méésekkel A légkö töésmutatója, N = n 1, aányos a sűűséggel. A sűűség az eáls gázegyenletből P/RT, ahol P a nyomás [Pa], T a hőméséklet [K], és R a gázállanó. Ebből a töésmutató 7 P n ( T, P = (.3 T Nylvánvaló, hogy a hőméséklet-luktuácó a töésmutatóban s luktuácókat eeményez. A nyomásluktuácók s okoznak luktuácókat a töésmutatóban, e ezek nagysága elhanyagolható. Ennek az az oka, hogy a belső tatományokban e luktuácók hangsebességgel tejeve tökéletesen ksmulnak. A töésmutató változását (.3 eváltja aja meg: 7 P n( T, P = δt. (.4 T δ Ezét a töésmutatóa a következő kejezés lesz évényes D = / 3 N ( ρ = n( n( + ρ C N ρ, (.5 am a töésmutató luktuácót íja le. A C N együttható a töésmutató-luktuácók eősségét jellemz a közegben. C neve töésmutató szekezet koecens, menzóját tekntve 1/ 3 L menzójú, mnt C V és N C T. A töésmutató-luktuácók eősségée végül a következőt kapjuk: C δn =. (.6 δt N C T Ezek alapján lehetővé válk C N pojának meghatáozása a légköben. Két tpkus pol látható az és ábán. Mnt az az és az ábákon látható, a legnkább tubulens a ölelszín közeg. Ugyans a Nap sugázásának nagy észe a elszínen nyelők el, a elszálló légáamlatok peg eős tubulencákat okoznak, melyek a elszín közelében a legnagyobb enegájúak, tehát optka hatásuk s tt a legeősebb. Mvel a légkö nyomás eponencálsan csökken a magassággal, a (.4 egyenlet alapján a töésmutató eloszlásában s ezt tapasztaljuk. Az ábán azonban egyételműen eleezhető egy 15 km magasságban lévő tubulens éteg. Ez a légkö topopauza, am a légköünk legnkább tubulens tatománya. A topopauza által elválasztott két légkö éteg a toposzéa, és sztatoszéa hatáán eős a két éteg szelenek elatív sebessége, am eős tubulencákat kelt a topopauza étegben. A képeken jól látható, hogy a tubulencák általában étegekbe enezőnek. 13

18 1-13. ába C N pol, Sng Spng Obs., Austala [1] ába C N pol, Stae Opt. Range Obs., Albuqueque NM [1] A töésmutató eloszlásának tébel ekvencaösszetevő (PSD a következők 11/ 3 Φ N ( κ = F{ n ( n ( + ρ } = 0.033C Nκ, (.7 ahol az F a Foue-tanszomácó, a κ = π / l a háommenzós tébel hullámszám vekto. Az n ( kejezésben az ne azt jelöl, hogy a kejezésből le van vonva ennek átlagétéke n(. A PSD a belső tatományoka gaz. Az l > L0 tatományoka a PSD ksmul, mvel L 0 ölött skálákon nem jelenk meg újabb betáplált enega. Az l < l0 tatományon a PSD knullázók, mvel a mozgás enega a súlóás matt hővé alakul. Ennek leíásáa a móosított Kámán-spektumban a (.7 kejezés a következőképp móosul 11/ 6 Φ N ( κ = 0.033C N ( κ + κ 0 ep( κ / κ, (.8 ahol κ 0 = π / L0 és κ = 5.91/ l0. A Kolmogoov és a móosított Kámán-eloszlás az ábán láthatóak. A másk nagyon ontos összeüggés a töésmutató-luktuácók őben eloszlása D / 3 N ( v, τ = n(, t n(, t + τ = n(, t n( vτ, τ = CN ( vτ, (.9 ahol v a szélsebesség, τ egy őtatam. Tehát a töésmutató-luktuácók őben változását a szél sebessége hatáozza meg. 14

19 1-15. ába Nomált Kámán éle ekvenca eloszlás. L0=50 m (szaggatott vonal, l0=5 mm (pontozott szaggatott vonal. A pontozott első vonal a (.7 egyenlet által mutatott Kolmogoov szent eloszlás [0]. 1.. Fénytejeés a öl légköben Egy távcsővel el nem bontott csllag megközelítőleg egy végtelen távol pontoásként kezelhető. Ennek leíása a z ányban, v sebességgel tejeő hamonkus hullámegyenlettel lehetséges { k( z } Ψ ( z, v, t = Aep + vt. (.10 Az így leít mennység a komple ampltúó, ahol A jelöl az elektomágneses téeősséget, k(z+vt peg a ázst. A hullámont az a sík, ahol a ázs azonos, s ez síkhullám esetén meőleges a tejeés ányáa. A légköben található töésmutató-luktuácók következtében a hullámont tozul, a csllag énye elhajlást szenve. Az elhajlás matt ázskülönbségek nteeencát éznek elő, ematt az A ampltúó ks apetúa esetén őben nem lesz állanó. Ezt az eektust szcntllácónak nevezzük, am szaba szemmel (apetúa átméője közelítőleg 8mm jól látható, a csllagok ényét vbáln látjuk. 15

20 1-16. ába. A légkö hullámont tozító hatása Mét lehet a gyakolatban a szcntllácó hatását elhanyagoln? Egy l méetű tubulens övény Fesnel-akcóból számítható ényeltéítő hatása θ = λ / l szögű. Az nteeenca két eltéített hullám közt akko következk be, amko P = λ / θ = l / λ utat tesz meg. Egy jó meggyelő hely elett az l = 0 cm lesz a topopauzában. Mvel a szcntllácós hatáétéke látható énynél P = 80 km-t kapunk, és a topopauza távolsága hozzávetőlegesen 15 km, ezét a szcntllácó hatása elhanyagolható. Egy osszabb meggyelőhelyől temészetesen nem kapunk lyen nagy hatáétéket, amnek következtében nem lesz elhanyagolható a szcntllácó hatása. Hasonlóan nem elhanyagolható, ha nagyobb zenttávolság ányában észlelünk, ugyans ekko nagyobb légtömegen nézünk keesztül. Ez a hatás nagyobb apetúa méettel szntén gyengül, ugyans az apetúa elszínén kátlagolók, így a csllagászat távcsöveknél általában számításon kívül hagyható. A tubulens légkö másk hatása a hullámont tozítása matt képtozulás. Ahogy a hullámont belép a légköbe a közeg énysebessége a következőképp változk c v =, (.11 n ahol c a vákuumban mét énysebesség. Ezt beíva a (.10 hullámegyenletbe a c ázs k ( z + t -e móosul. A légköbe lépés előtt egy távol csllag ényének hullámontja a n tejeés ányáa meőleges sík, a légköbe lépés után t 0 ővel a hullámontot a következő egyenlet hatáozza meg z ct0 = zm. (.1 n 0 A hullámont különböző pontjan a légkö töésmutató-luktuácó matt a hullám különböző töésmutatójú étegeken hala át. Ematt a hullámont különböző pontjan a megtett út különbözn og, am a hullámont légkö tozulását okozza. Éemes kemeln, hogy a hullámont légköbel tozulása üggetlen a hullámhossztól. Ez azt jelent, hogy a hullámont tozulása nem eeményez szpezót. 16

21 Az optka úthossz n z, ahol z a geometa úthossz. A ázskülönbség a pupllánál az optka úthosszkülönbségtől ügg. Mvel a geometa úthossz azonos, a puplla pontjában az optka ázskülönbséget a következő ntegál aja meg ( = k z m 0 n(, z z φ. (.13 A kejezés aányos k-val, am oítottan aányos λ -al. Ezét a légkö hatása kevésbé jelenk meg hosszabb hullámhosszokon. A ázsluktuácók météke tehát közvetlenül a töésmutató luktuácóktól ügg, amt a (.5 egyenlet a meg. A ázsluktuácók météke ezek alapján D = / 3 φ ( ξ = φ( φ( + ξ CN ρ, (.14 ahol egy pont, ξ két pont távolságának vektoa a puplla síkjában. (.13, és (.5-ből a következő aók z 5 / 3 φ ( ξ =.914 m D k CN ( z z ξ. (.15 0 Ez a zent ányában való meggyelése évényes. A γ szögben töténő meggyelésnél (.15 a következőképp móosul h k 5 / 3 φ ( ξ =.914 ( ξ cos( γ m D CN h h, (.16 0 ahol az 1/ cos( γ a elatív légtömeg, h a magasság, h m a légkö első hatáát jelöl. Bevezetve a következő jelölést a (.16 képlet a következőe egyszeűsök h m k 0 = CN ( h h, (.17 cos( γ 0 D ξ = ξ ( 6.88 φ 0 5 / 3, (.18 ahol 0 a Fe-paaméte vagy más néven a koheenca távolság, am a tubulencák leíásának kulcspaamétee. Ez a paaméte tatalmazza a légkö teljes hatását a leképzése. A 6 / 5 Fe-paaméte λ -el aányosan ügg a hullámhossztól, mvel tatalmazza k t s. Ezek mellett ügg a meggyelés zenttávolságától s. A ázs szóása az apetúa síkjában így a következő szóást kapjuk σ φ = φ φ. Egy D átméőjű teleszkóp apetúáján 17

22 φ / 3 D σ =. (.19 Tehát a Fe-paaméte egy olyan kaaktesztkus átméőt jelent, amekkoa távcső átméővel, az aott légkö vszonyok mellett még akcó-lmtált képet kapunk. A Fepaaméte étéke 10 cm nagyságenbe esk egy jó meggyelés pontól. A Fe-paaméte ks étéke motválta az aaptív optkájú távcsövek ejlesztését. Az aaptív optkával e ázshbák kjavíthatóak, egy számítógép vezélésű ázskoekcós lemez közbektatásával. Ennek öv leíása a következő ejezetben olvasható. A távcső átméőjénél nagyobb skálájú tubulencák egy egyenletes ázsgaens komponensként jelentkeznek az apetúa mentén. Ez a ázshba tulajonképpen elogható úgy, mntha a csllag énye más ányból jönne. Tehát ez a hbakomponens a csllag képének mbolygásában og jelentkezn. A nagy kaaktesztkus méet matt a változásnak hosszú kaaktesztkus eje van. Ezét ez a hba csak a hosszú epozícós őknél zavaó. Az α elhajlás hba szóásnégyzete σ α λ = 0.364, (.0 D 1/ 3 5 / 3 0 ahol D a távcső apetúájának átméője. A nagyelbontású, öl csllagászat képek készítéseko ez a tag aja a legnagyobb hbát, nokolttá téve ennek a tagnak a koekcóját. Ennek egyk mója a olt-nteeometás technkánál alkalmazott öv epozícós ejű elvételek készítése. Az aaptív technkás mószeeknél ezt a tagot a hba nagysága matt általában külön kogálják egy számítógép vezélésű síktüköel. Ezt a tagot az aaptív optkában ezét nullaenű tagnak nevezk ába Az aaptív optka geometája. [18] 18

23 1.3 A légkö leképzés hbák kküszöbölésének lehetősége Ebben a észben a légkö hatásanak kompenzácójáa a két talán legeltejetebb má utnszeűen alkalmazott technológát említem meg. Egy hamak mósze, a oltnteeometás technka leíása a 3. ejezetben olvasható. - Aaptív optka Az aaptív optkában a légkö által eomált ázsontot egy eomálható tükö segítségével helyeállítják (1-17. ába. Az ába az egyszeűség kevéét az előző ejezet legvégén említett nullaenű ázshba kogálásához használt síktüköt nem mutatja. A hullámont etektálásához egy ényes, ebben az ányban lévő eeencacsllagot ába használnak. A temészetes Felső so: Fázsont az aaptív optka előtt, a koekcó, és a ázsont eeencacsllag helyett a koekcó után. Alsó so: Kép az aaptív optka előtt, és után. [19] műcsllagot s használhatnak. Ennek megalkotásához egy olyan hullámhosszúságú lézet alkalmaznak, am a légkö legelső étegeben gejeszt átmeneteket, amnek énye a légkö tubulens étegen áthalava jut a teleszkóp hullámontetektoába. - Lucky magng A Lucky magng (szeencsés képalkotás technkában öv epozícós ővel készítenek képeket, maj ezeket eukálják k egyenként. A képek közül csak a legjobb 10%-0%-ot összegzk, tehát csak azokat, amelyeknél szeencsésen ks tubulencákon halat keesztül a ény. Az összegzés előtt a képek leképzésének nullaenű ázshbájából eeő elmozulást a képek eltolásával kogálják ába Bal olalon: nomál, hosszú ntegácós ejű kép Jobb olalon: Lucky magng, a legjobb (10% képek összege A jobb láthatóság matt a képek nvezek. [6] 19

24 . Fejezet Az észlelés technka hátteének megteemtése A olt-nteeometás észleléseket a pszkéstető 50cm-es Cassegan távcsővel végeztük el. A távcsővön koábban nem állt enelkezése képalkotásáa alkalmas etekto. A D. Ravány Anás által vezetett "On chp hullámont ézékelés és pocesszálás paallel mplementácója" című K nylvántatás számú OTKA pályázat támogatásával skeült egy CMOS kamea beszezése. A Poslca CV-180 kamea egy nagysebességű (aká 50 kép / mp, ewe összeköttetésű, szűő nélkül CMOS etektoal enelkező pa kamea. Az pa, valós ejű képelolgozásban használatos kameát csllagászat észlelése alkalmassá kellett tenn, amely a kamea tulajonságanak kméésével, a hűtésének, és pontos hőmésékleten tatásának kvtelezésével, és egy csllagászat észlelőszotve megíásával kezőött. Ennek észletes leíásával oglalkozk ez a ejezet..1 A CMOS technológa A CMOS (complementay metal-oe semconucto legelső, passzív peles (PPS vezóját 1963-ban ejlesztették k. A PPS jelentős zajának csökkentését a később aktív peles (APS technológa tette lehetővé, melyben mnen egyes pelhez eősítő s tatozk. Bá ezzel csökken a ototanzszto méete, s így az eektív teület, e jelentősen nő a jel/zaj vszony. A CMOS szenzook legnagyobb hátánya továbba s a CCD szenzookkal szemben a nagyságenekkel osszabb jel/zaj vszonyuk. Ennek ellenée a hétköznap -1. ába A CMOS szenzo. (EOS 1D-Mak II Foás: [14] életünkben ezek veszk át az ualkoó szeepet a CCD-vel szemben. A CMOS szenzook eltejeéséét a jelentősen ksebb előállítás költségük a elelős. Ennek oka a gyátás technológában ejlk. Ez ugyans azonos a napjank tömegtemékével, az ntegált áamköökével. Manapság több eze üzemben készülnek ntegált áamköök, CCD etektot vszont csak néhány tíz üzem állít csak elő, mvel ennek előállításához különleges, csak tt használatos technológa szükséges. A CMOS szenzook egyszeű előállításuk matt gen nagy üzlet potencállal bínak. Ezét nem meglepő, hogy az utóbb években hatalmas ejlőésen estek át, ugyans a CMOS gyátó cégek hatalmas tőkét ektetnek a ejlesztésükbe. A CMOS szenzo műköése egyszeű. Mnen egyes pel egy-egy otoóa hí, am egyegy kapactást tölt el annak üggvényében, hogy menny ényt kap. Ezek mnegyke közvetlenül eléhető egy so és egy oszlopcímző vezetéken keesztül. Ez a CCD-hez vszonyítva lényegesen gyosabb kolvasást tesz lehetővé, mvel a CCD-nél mng csak a legalsó, (egyes, típusoknál legelső s különleges, léptető so legutolsó pele olvasható k. 0

25 -. ába CMOS szenzo elektonmkoszkópos képe. (Mcon MT9D011 Foás: [15] -3. ába CMOS szenzo elépítése. Foás: [16]. A gyos CMOS szenzook vzsgálata csllagászat szempontból A CMOS szenzookat, bá vszonylag tkán, e bzonyos eltételek teljesülése mellett má alkalmazzák a csllagászatban s. Általában olyan teületeken alkalmazzák, ahol elváás a nagy sebesség, és ehhez képest másolagos a jel/zaj vszony. Fontos megemlíten, hogy a hagyományos CMOS szenzook jel/zaj vszonya sznte napól napa javul, köszönhetően a beleektetett hatalmas ejlesztés potencálnak. A CMOS szenzook jel/zaj vszonyának javulása üggvényében ez a technológa a későbbekben szélesebb köben s használható lesz a csllagászatban. A legígéetesebb technológa egyelőe a CCD-CMOS hb technológa, ahol megpóbálják a CMOS és a CCD előnyet egybekovácsoln [17]. E technológában a otoszenztív ész CCD, amt num hakkal kapcsolnak össze a CMOS ésszel, ahonnan a kolvasás töténk. Így gyos, nagyon alacsony zajú, nagy elületleeésű, és jó kvantumhatásokú etektot kaptak..3 CMOS vs. CCD (lehet-e komoly eeményeket kapn CMOS-szal? A válasz a CMOS technológa poblémának ellenée, bzonyos teületeken gen. Fontos azonban, hogy a megelelő CMOS etektot alkalmazzuk. A etektookat általában bzonyos ényesség tatománya optmalzálják, amelyen belül a legjobb jel/zaj vszonyt aják. A nagysebességű ényképezés technológákban ez általában a nagyon ks ényntenztás (vey low lght level tatományába esk, ahol pelenként pá száz, esetleg pá tíz oton van csak! A ossz jel/zaj vszony javítása éekében több eze, néha több tízeze elvétel szükséges. Ezek összességének kétékelésével javítható a jel/zaj vszony. A olt-nteeometás technka épp lyen. 1

26 -4. ába A bemééshez használt méőoboz, szétnytott állapotban, a méést vezélő elektonkával.4 A Poslca CV-180 CMOS kamea bemutatása, hbának kméése A Poslca CV-180 kamea egy pa elhasználású kamea. A számítógéphez ewe kapcsolaton keesztül kapcsolók, amn keesztül mnen paamétee manuálsan állítható. Sajnos a kamea má az első méés után megmutatta hbát, am nélkülözhetetlenné tette hbának pontosabb kméését. A hbák kmééséhez készített méőbeenezés kalakításánál a következő szempontokat vettem gyelembe: nagy pontosságú, lneásan állítható ntenztású ényoás megalkotása választható legyen a etekto homogén megvlágítása, vagy csllagszeű megvlágítása kívülől ékező ény teljes kzáása, hogy a etekto csak a kalbáló ényoás ényét lássa a méőbeenezésen belül a szót ény kzáása A kamea átvtelének kméését egy mkokontolle vezéelt LED-el (ényemttáló óa végeztem el. Ennek előnye az zzóval szemben, hogy k- és bekapcsolás eje nanoszekunumos tatományban van. A LED-et egy ekvencájú négyszögjel eszültséggel táplálva, a négyszögjel ktöltés tényezőjét növelve, ezzel egyenesen aányosan og nőn a LED ényeeje. Ez a technka a mpulzusszélesség-moulácó. (Pulse Wth Moulaton, PWM A LED-et vezélő mkokontolle USB poton kapcsolók a számítógéphez. A méőszotve 0-55 ntenztáspaancsokat a k a méőhavenek, ame az a 60Khz-es PWM ktöltés tényezőjét állítja be a megelelő étéke 0-100% között. A PWM ekvencájának alsó hatáát a 0ms-os epozícós ő ata, mvel nem vettem gyelembe a PWM és az epozícó sznkonzálását. Ez 1/100-a ntenztáshbát vsz a méésbe, am 100 egymás után mééssel csökkenthető. A PWM ekvencájának első hatáát a LED

27 bekapcsolás, és kkapcsolás eje lmtálta. A méőhave mkokontolleének szotvee assembly nyelven íóott. A méés összeállítás a -4. ábán látható. Az ábán a matt eketée újt, optkalag tökéletesen záó émoboz látható nytott állapotban. A oboz mellett látható a LED vezélését végző USB csatlakozással enelkező mkokontollees alaplap. A -5. ábán a méőobozhoz kapcsolt kamea látható. -5. ába A méést kétéle összeállításban s elvégeztem. Az egyk A méés összeállítás a kameával, méés közben összeállításban a kameán nem volt optka, így a etekto homogén megvlágítást kapott. A mások összeállításban egy nagy látószögű optkát helyeztem a kameáa. A -6. ábán az optkával kapott LED képe látható. A mééseket két hőmésékleten s elvégeztem, amből az aóott, hogy a kamea pelenként zaja lletve a pel ézékenysége s csökken hűtött állapotban. Emellett a patten zaj a pelenként eősítések különbsége eőteljesen nő hűtött állapotban. Azaz eősök a sötétáamokból aóó sötétképek állanó mntázata. A legszembetűnőbb hba az első kalbácós méés után ögtön megmutatkozott. A -7. lletve a -8. ábákon, az alsó tengelyen a LED ntenztása, a bal olal tengelyen a 10btes (0-103 ADC (Analog Dgtal Convete azaz az Analóg Dgtáls Konvete étéke van. A -7. ába egy meglehetősen hbás oszetű pel átvtelét mutatja. Mnt látn, a pel csak egy bzonyos ntenztás után kapcsol be. Ennek oka, hogy a kamea gyá oszet beállítását 0C okon végezték el, és 1X -7. ába eősítés étéknél. (Az ADC előtt eősítés paaméte ennél a Egy hbás oszetű pel átvtel göbéje kameánál 1-től, 16-g állítható. 3

28 Az észleléseket vszont télen keztük, -10C ok könyezet hőmésékleten, 1X eősítéssel. A okumentácó sajnos említést sem tett az oszet manuáls állításának lehetőségéől, mnt ahogy a kamea veének leíása sem tatalmazott lyen paaméteeket. Ezt az nomácót más, azonos gyától számazó kamát má évek óta használó cégtől kaptam meg. A méőszotvebe az oszet állítás lehetősége így csak a következő észlelés héten keült mplementálása. A kamea vee, és leíása több éve nem volt ssítve. Szeencsée épp ekko keült ssítése, mn a ve, mn ennek leíása. Az új leíás tatalmazta má a megelelő paaméteeket, vszont az új ve használhatatlan volt. A méőpogam olyamatosan leagyott vele, így a továbbakban a ég vet használtuk. A pelenként eősítő matt mn a pel eősítése, mn a pel oszetje pelenként más és más. Ezt emonstálja a -8. ába, melyen két pel átvtele -8. ába látszk azonos egyepozícós Két pel különböző átvtele beállítás mellett. A pos egy eősebb eősítésű pel átvtele, a kék egy gyengébbé. Az oszet szntén pelenként más. Megjegyzenő, hogy a képen possal egy hbás címvezetékű pel látható, ezét ugál őnként az ADC éték. A -9. ábán egy pel két különböző hőmésékleten mét átvtele, és ntenztásonként a 100 méés szélsőétéke láthatóak. A kék -7C, a pos C hőmésékletnek elel meg. Látható, hogy a hőméséklet csökkentésével a pel oszetje nő, ézékenysége csökken. Ezt ellensúlyozza a temkus elektonokból számazó zaj ennél eősebb csökkenése. Az alacsonyabb hőmésékleten a -9. ába jel/zaj vszony 1,764 aktoal Egy pel átvtele különböző hőmésékleteken javult. Ezét későbbekben a lehető legalacsonyabb, az egész éjszaka olyamán stablan 4

29 tatható hőmésékletet választottuk. Má az első méések s kmutatták a CMOS etekto lneatás hbát, am pelől pele változk, tehát nehezen kezelhető. A legszembetűnőbb hba egy négyzetes taggal kogálható. A hba átlagos météke 5,56%-os, az 51-es étéknél. A -10. ába egy pel (3904. pel, azaz elülől 30. balól 64. átvtel göbéjét mutatja. Possal az eáls lneás vonal, szaggatottal a mét éték. Középen, eketével a hba*5 látható. A négyzetes taggal való kogálás után találtam egy nem eukálható lneatás hbát s. Ez egy, a 10btes AD konvete étékenél 18- anként smétlőő, űészog mntájú hba. Ez s látható a -10. ába hbát mutató észén. Ez vélhetően az AD konvete konvezós hbája ába Egy pel lneatás hbája Tovább pobléma, hogy a kamea másképpen vselkek teljes etektoelület megvlágításako (pl.: lat-el kép készítéseko, és észleges megvlágításko. A hba egyk észe, hogy a teljes elület megvlágításako a pelek ézékenysége ksmétékben csökken. Ezek mellett tovább hbáka s ény eült az észlelések soán. Ezek között a legnagyobb pobléma, hogy alacsony hőmésékleten, nagy eősítés étéken (8X gan elett a pelek 0.5%-nál a lat-el képeken ksebb étékek voltak, mnt a ak képeken. E pelek hbát a képek eukálásánál szotveesen ovosoltuk. 5

30 .5 Észlelő have ejlesztése A CMOS szenzook egyk nagy hátánya az eőteljes hőmésékletüggésük. A Poslca CV-180 kamea nem enelkezk sem hőméséklet szenzoal, sem az állanó hőmésékleten tatás eszközevel. Ezen hányossága má az első észlelésko megmutatkoztak. Mn a könyezet hőméséklet, mn a kamea teljesítmény-elvételének változása hatással volt a szenzo hőmésékletée, így a méés eeményeke s. A cél a szenzo pontos hőmésékleten tatása volt. A kamea elépítése nem tette lehetővé a szenzo közvetlen hűtését, így a szenzo alumínum tatótömbje kapott Pelte-elemes hűtést ába A kamea, és a hozzá ejlesztett hűtés ensze ejlesztő havee -1. ába A kamea Pelte-elemének hűtése A hűtésvezélés első, tesztvezójának vezélését egy Atmel AVR Atmega16 (16 Kbyte FLASH, 1 Kbyte SRAM, 10 bt 600Khz, 16MIPS mkokontolle végezte. A ejlesztő alaplaphoz csatlakoztak a kegészítő LCD-, hőméséklet szenzo-, és a nagyteljesítményű FET vezélő moulok. A ejlesztő alaplap a have végleges kejlesztését könnyítette meg, am szntén saját tevezés. A végleges haveben a vezélés szeepét egy Atmel AVR Attny6 ( Kbyte FLASH, 56 byte SRAM, 10 bt 600Khz, 0MIPS mkokontolle vette át, egy egyeleg ee a céla tevezett áamköben. 6

31 A hűtés analóg vagy ekt logkás vezélése lyen pontosság mellett nem jöhetett szóba. A szotve assembly nyelven íóott a sebesség és kóméet optmalzálása matt. A hőméséklet szenzo 99,9999% vööséz hűtőtönkbe lett elhelyezve. A legjobb hőátaás matt mnen éntkezés elület éset mnmalzáltam, és ezüst tatalmú hővezető pasztával töltöttem k. A hőszgetelést a sztatkus töltőést elkeülenő gat tatalmú szvaccsal olottam meg. A távcsőtől való hőméséklet szepaálást egy műanyag köztag bektatásával étük el, amt a MTA Csllagászat Kutató Intézet műszak személyzete gyátott le számunka. A megolások, egyszeűségük ellenée, jelentősen javították a hűthetőséget, am a könyezet hőméséklethez vszonyítva -5C okól -1C oka javult. Ez elegenőnek bzonyult ahhoz, hogy az észlelés alatt egészen a könyezet hajnal hőméséklet mnmum elééség azonos hőmésékleten tatsuk a kameát. Assembly nyelven, 8Kbyte pogammemóával a lehető legegyszeűbb matematka műveletek pogamozása s gen nehézkes, ezét mkokontollees ejlesztésnél az egyszeűség nélkülözhetetlen, így a lehető legegyszeűbb moell a célavezető. A szotve műköése, és ejlesztésének menete öven a következő. A Pelte elem teljesítményének vezélését egy PWM (Pulse Wth Moulaton ktöltés tényezőjének változtatásával étem el, am egy nagyteljesítményű FET-et (Fel Eect Tanssto vezéelt. (6A áameősség, 13.8V eszültségen A mkokontolleen utó szotve a PWM ktöltés tényezőjét a cél és az aktuáls hőméséklet üggvényében változtatja 0-100%- g, 16 bt pontossággal. A hőméséklet szenzo egy analóg (LM335 szenzo volt. A nagy pontosság éekében a szotve a hőmésékletet a szenzo egymásután leolvasásából számolja. A AD konvezó elvégzése 16 Mhz-en 1/0 másopec alatt töténk meg, am gyos vezélést tesz lehetővé. A célhőméséklet beállítását, a hőméséklet és hűtés teljesítmény lekéezését soos poton keesztül (RS3 lehet elvégezn. Mnezen aatok egy X16 LCD-n s kjelzése keültek. A ejlesztés koa szakaszában a vezélés a következőképp műköött: 1. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet elett van 1C-al, akko a Pelte elem teljesítménye 100% (am azonos azzal, hogy a PWM ktöltése 100%. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet alatt van 1C-al, akko a PWM ktöltés 0% 3. Ha a különbség +1C, és -1C között van, akko a PWM ktöltés 0% és 100% között. A következő képlet szent -13. ába PWM(% := 50 * ( 1 + Takt Tcél. A első képen a hőméséklet bekapcsolás után beállását, az alsón csllapító tagok nélkül, egyensúly hőméséklet köül oszcllácót látn. 7

32 Ezzel az egyszeű vezéléssel a hőméséklet nem a célhőméséklet köül, hanem egy egyensúly hőméséklet köül oszcllál. Ahhoz, hogy ez az egyensúly hőméséklet éppen a célhőméséklet legyen, bevezettem egy kogált célhőmésékletet. A kogált célhőmésékletet knuló étéke a célhőméséklet. A kogált célhőmésékletet a szotve ezután a következők szent móosítja: 1. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet elett van, akko a kogált célhőmésékletet lassan leelé móosítja.. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet alatt van, akko a kogált célhőmésékletet lassan elelé móosítja. Egy ő után a kogált célhőméséklet egy olyan étéke áll be, hogy az előbbekben említett egyensúly hőméséklet meg og egyezn a célhőméséklettel. Ám továbba s megmaat az egyensúly hőméséklet köül oszcllácó. A -14. ába a méőpogam a hűtés paaméteeket mutató ablakát mutatja. Az oszcllácó elnyomását csllapítótagokkal olottam meg. Ezt legegyszeűbben az autók lengéscsllapítójához hasonlatos tagokkal skeült megolan. A kogált célhőméséklet szabályzása a szoveben így móosult: 1. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet elett van, és a hőméséklet evált poztív, akko a kogált célhőmésékletet lassan leelé móosítja.. Ha az aktuáls hőméséklet a célhőméséklet alatt van, és a hőméséklet evált negatív, akko a kogált célhőmésékletet lassan leelé móosítja. 3. Ha az aktuáls hőméséklet és a célhőméséklet megegyezk, akko az oszcllácó középétékéhez tatozó étéke állítja be az étékét. Ezt a középétéket a olyamatosan ögzített hőméséklet étékekből számolja a szotve, az oszcllácó beállta után. Ezekkel és a paaméteek pontos beállításával skeült az oszcllácó ampltúóját 1/100C alá szoítan. A száza oknál pontosabb -15. ába hőméséklettatásnak a ensze hőkapactása, a -14. ába A hőméséklet oszcllácó ampltúója a csllapító tagokkal eősen csökkent A kamea hőméséklet vezélésének célhavee 8

33 hőmésékletszenzo és az AD konvezó zajának vszonya szab hatát. A have kejlesztése közel 100 óát, a vezélő szotve ejlesztése nagyságenleg 50 óát vett génybe. A végleges have és szotve kolgozása újabb 30 óát gényelt. A végleges havenél (-15. és -16. ába a szotvet egy ksebb méetű, e azonos teljesítményű Atmel AVR Attny6 mkokontollee kellett átín. Az új have háom vezélőgombot s kapott, amnek segítségével számítógép nélkül s könnyen beállítható a célhőméséklet, valamnt a középső váltógomb segítségével több nomácó keülhetett az LCD-e. A szélső gombokkal az aktuáls menüpont beállításat lehet elvégezn. A véglegesített have méetét tekntve s változásokon ment keesztül. A célhave a -16. ábán a kjelző mögött bújk meg ába A kamea a hűtésvezélés véglegesített haveével elszeelve 9

34 .6 Észlelő szotve kejlesztése Az alap szotve csak a kamea kpóbálását tette lehetővé. Ezét nélkülözhetetlenné vált egy új, a olt-nteeometás technkához megelelő méőszotve kolgozása. Az észlelő szotve kejlesztése szntén az én elaatom volt. A szotve kejlesztését meglehetősen az alapoktól, a ve sznttől elelé kellett kezen, am annyt jelent, hogy a kameának az alapvető paancskészletével mnen kameavezélés elaatot le kellett pogamozn: a képekhez a memóateület lekötését és elszabaítását, a memóa-bueelést, a címek átaását, a megelelő őzítéseken keesztül a kamea műköés alapvető beállítását. Külön megolanó poblémát jelentett a páhuzamos elaatok őzítése és a olyamatos képkészítés közben paaméteállítás lehetőségének megvalósítása. Mnezt egy 100 képet tatalmazó bueen keesztül kellett megolan, met a képek kolvasásának és elmentésének őpontja nem azonos a nagyobb másopecenként képszám matt. Így egy kamea elbontás, vagy btmélység állítás után a bueben többéle kép s található, amt egy másk szálon a megelelő paaméteekkel kell elolgozn. A megelelően gyos műköés éekében így több mnt 10 páhuzamos szálon ut az alkalmazás, szálanként meghatáozott elaatokkal. Sajnos a kamea és a ve gyá leíása gen hányos, ezét a ejlesztés gen nehézkes volt. A kamea ewe kapcsolatának közvetlen memóa eléése (DMA, Dect Memoy Access matt a kamea közvetlen íhat bele a számítógép memóájába. Egy ossz paaméteátaás után a kamea olyan teülete íhat, amt az opeácós ensze használ. Ee a számítógép egy azonnal újanítással válaszol, am elente gyako volt, gencsak megnehezítve ezzel a ejlesztést. Az észlelő szotve ejlesztésko gyelembe vett ányelvek a következőek voltak: több eze kép soozatos elvétele ezek átlátható, automatkus enszeezése nagy mennységű aat matt szükséges gyos aatátvtel átlátható, logkus kezelés, egyszeű használhatóság az utómunka mnmalzálása (am automatzálható, azt automatzáln A szotve kezelése a következőkben bemutatott hat kezelő elületen tehető meg..5.1 Man ablak A legontosabb beállítás lehetőségeket tatalmazza, mnt: - Tagets : 8 méenő objektum, és ennek beállítása. Mn a 8 objektumhoz külön enálható az összes 30