Kamery C1 jsou vybaveny CMOS snímači Sony IMX s globální závěrkou a čtvercovými pixely velikosti 3.45 × 3.45 μm. Jednotlivé modely se liší pouze rozlišením.

Všechny použité senzory jsou vybaveny tzv. „globální závěrkou“. To znamená, že všechny pixely obrazu jsou exponovány ve stejný čas, na rozdíl od senzorů s tzv. „rolující závěrkou“, které exponují jednotlivé řádky obrazu jeden po druhém. Pro dlouhé expozice statických objektů v tom není rozdíl, ale při snímání pohybujících se objektů krátkými časy způsobují senzory s rolující závěrkou deformace obrazu.

K dispozici jsou dvě řady kamer C1, lišící se dynamickými rozsahy (bitovou hloubkou digitalizovaných pixelů):

• Kamery C1 se senzory Sony IMX podporujícími 8 a 12 bitovou digitalizaci. Protože každý 12 bitový pixel zabere při přenosu do PC dva byte, stažená 12 bitového snímku zabere delší čas než stažení 8 bitového snímku. Maximální FPS je v 8 bitovém módu podstatě vyšší.

• Kamery C1 se senzory Sony IMX podporujícími jen 12 bitovou digitalizaci. Pro dlouhé expozice (astronomická fotografie, vědecký výzkum) je vždy používána přesnější 12 bitová digitalizace a nižší doba stažení snímku v 8 bitovém módu tak jako tak není využívána. Jestliže jsou všechny ostatní parametry kamer stejné (rozměry senzoru, rozlišení, velikost pixelu, šum, …), nižší cena těchto kamer tak může být velice atraktivní.

Kamery C1 s 8 bitovou i 12 bitovou digitalizací:

Kamery C1 s pouze 12 bitovou digitalizací:

Kamery C1 jsou navrženy pro spolupráci s řídicím počítačem (PC). Na rozdíl od např. digitálních fotoaparátů, které pracují nezávisle na počítači, vědecké kamery obvykle vyžadují počítač pro řízení práce, stahování, zpracování a ukládání snímků atd. K ovládání kamery je zapotřebí počítač, který:

1. Je kompatibilní se standardem PC a provozuje moderní 32 nebo 64 bitový operační systém Windows.

2. Je kompatibilní se standardem PC a provozuje 32 nebo 64 bitový operační systém Linux.

   Poznámka:

   K dispozici jsou ovladače pro 32 bitové i 64 bitové systémy Linux, ale program pro ovládání kamer a zpracování snímků SIPS, dodávaný spolu s kamerami, vyžaduje operační systém Windows.

3. Podporovány jsou také počítače Apple Macintosh s procesory x64.

   Poznámka:

   Na počítačích Mac jsou v současné době podporovány jen některé aplikace.

Kamery C1 používají ke spojení s řídicím PC rozhraní USB 3.0, pracujícím na rychlosti 5 Gbps. Jsou ale také kompatibilní s rozhraním a kabely USB 2.0.

Alternativně je možné použít rozhraní Moravian Camera Ethernet Adapter. Tento adaptér dokáže připojit až 4 kamery série Cx (s CMOS snímači) nebo Gx (s CCD snímači) a nabízí 1 Gbps a 10/100 Mbps rozhraní Ethernet pro přímé spojení s řídicím počítačem. Protože počítač pak s kamerami komunikuje protokolem TCP/IP, je možné do cesty vložit např. WiFi most nebo jiné síťové zařízení.

Kamery C1 nepotřebují k práci žádný další zdroj energie, jsou napájeny přes USB rozhraní z řídicího počítače.

Poznamenejme, že kamera musí být připojena k nějakému optickému systému (např. k dalekohledu), aby mohla vracet snímky. Kamera dokáže exponovat dlouhou dobu, nezbytnou k zachycení velmi slabých objektů. Pokud má být kamera používána s dalekohledem, musí být celá sestava dalekohledu a montáže schopná plynule sledovat objekt po obloze během dlouhých expozic.

Systém kamer C1

Komponenty systému kamer C1 zahrnují:

1. Kamera C1 s CS-mount adaptérem

2. Kamera C1 s kombinovaným adaptérem T-závit (M42×0.75) a CS-mount

3. Adaptér pro standard 1,25” okulárových výtahů

4. Krátký (10 mm) adaptér 1,25", určený pro použití s OAG

5. Off-Axis Guider adaptér (OAG) pro velké chlazené kamery (C2/C3/C4 nebo G2/G3/G4)

   Poznámka:

   Zde ukázaný OAG není skutečně součástí systému kamer C1. Je určen pro kamery C2/G2 a pouze dovoluje použití kamer C1 pro automatickou pointaci.

   Aby kamera C1 mohla pracovat s OAG, je nutné použít variantu s CS-mount adaptérem. Kamera C1 vybavená adaptérem T-závit není s OAG kompatibilní.

   Poznamenejme, že kamery C1 jsou také kompatibilní s většími OAG adaptéry pro větší kamery C3/C4 a G3/G4, které zde nejsou ukázány.

6. Prodlužující adaptér se závitem M48 × 0,75 a vzdáleností ohniskové roviny 55 mm

7. Prodlužující adaptér se závitem M42 × 0,75 a vzdáleností ohniskové roviny 55 mm (standardní T-závit adaptér)

8. Adaptér pro objektivy Canon EOS

9. Adaptér pro objektivy Nikon

Elektronika kamery

Hlavní role elektroniky CMOS kamery, mimo inicializace a ovládání některých pomocných funkcí, je přenos dat z CMOS detektoru do řídicího PC ke zpracování a ukládání. Na rozdíl od kamer s CCD detektory, návrh kamery s CMOS čipy nedokáže ovlivnit řadu důležitých parametrů, jako např. dynamický rozsah (počet bitů na pixel).

Linearita senzoru

Odezva senzoru na světlo je velmi lineární. To znamená, že kamera může být použita také pro nenáročné výzkumné projekty, jako je např. fotometrie jasných proměnných hvězd apod.

Rychlost stahování

Již bylo uvedeno že existují dvě série kamer C1, lišících se použitými senzory. První série nabízí čtyři čtecí módy:

• 8 bitový pomalý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

• 12 bitový pomalý mód s rychlostí digitalizace ~72 MPx/s

• 8 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~263 MPx/s

• 12 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

„A“ verze kamer C1 nabízí pouze jeden čtecí mód:

• 12 bitový rychlý mód s rychlostí digitalizace ~132 MPx/s

Výše uvedené rychlosti digitalizace jsou platné pro USB 3.0 připojení. Také poznamenejme, že časy stahování snímků nevedou automaticky na odpovídající počet snímků za sekundu (FPS), protože stažený snímek je zpracován a zobrazen, což rovněž spotřebovává čas. Tento čas je zanedbatelný, pokud kamera potřebuje na stažení snímku sekundy nebo i desítky sekund. Ale v případě rychlé CMOS kamery je čas potřebný ke zpracování snímku v PC (např. výpočet směrodatné odchylky snímku apod.) významný a může být delší než skutečná doba stahování.

Zisk kamery

Senzory použité v kamerách C1 nabízí programovatelné zesílení 0 do 24 dB, což znamená násobení výstupního signálu 1× až 15,9×. Zesílení může být nastavováno s krokem 0,1 dB.

Převodový poměr a čtecí šum

Obecně řada vlastností senzoru závisí na zesílení. Dále tedy uvádíme parametry současně pro minimální i maximální zesílení.

Ovládání expozice

Kamery C1 jsou schopny velice krátkých expozic. Nejkratší expoziční doba je 125 μs (1/8000 sekundy). To je současně také krok, v němž je délka expozice zadávána. Tedy druhá nejkratší expozice tedy je 250 μs atd.

Ovládání dlouhých expozic je ovládáno z řídicího PC a pro maximální délku expozice neexistuje žádný limit. Ve skutečnosti je nejdelší expozice omezena saturací senzoru buď dopadajícím světlem nebo temným proudem (viz. následující podkapitola).

Chlazení senzoru

Temný proud je vlastnost všech křemíkových obvodů. Je nazývaný „temný“, protože je generovaný bez ohledu na to, jestli na senzor dopadá světlo nebo ne. Temný proud, tekoucí do jednotlivých pixelů, se v obraze projeví jako šum. Čím je expozice delší, tím větší množství šumu je přítomno v každém snímku. Protože je generovaný náhodnými pohyby částic, exponenciálně závisí na teplotě (z tohoto důvodu se šum generovaný temným proudem také označuje jako „tepelný šum“). Pokud se teplota senzoru sníží typicky o 6 až 7 °C, temný proud klesne na polovinu.

Kamery C1 nejsou vybaveny termoelektrickým (Peltiérovým) chlazením, obsahují ale malý ventilátor, vyměňující vzduch v těle kamery. Navíc přímo na zadní straně senzoru je malý chladič (s výjimkou kamery C1-1500, jejíž senzor pro umístění chladiče příliš malý), který z něj odvádí co nejvíce tepla. Senzor kamer C1 tedy nemůže být chlazen po teplotu okolí, ale jeho teplota je udržována tak blízko okolní teplotě jak jen je to možné. Ve srovnání se zcela uzavřenými kamerami může být teplota snímače v kamerách C1 i o 10°C menší a výsledný temný proud je méně jak poloviční.

Funkce ventilátoru může být ovládána z řídicího počítače. Program SIPS přímo nabízí posuvník nastavující ventilátor v záložce „Cooling“ okna nástroje ovládání hlavní kamery. Ovladače kamery pro jiné programy nabízejí ovládání ventilátoru v dialogovém okně konfigurace ovladače.

„Autoguider“ konektor

Řada zejména masově vyráběných montáží hvězdářských dalekohledů není natolik precizní, aby udržela obraz hvězd perfektně kruhový během dlouhé expozice bez korekcí jejího chodu. Chlazené astronomické kamery a digitální zrcadlovky dovolují pořizovat perfektně ostré snímky s vysokým rozlišením, takže i malá nepravidelnost v chodu montáže se projeví deformací obrazu hvězd. Kamery C1 byly navrhovány speciálně pro automatické pointování montáží astronomických dalekohledů.

Kamery C1 nemají mechanickou závěrku ani jinou pohyblivou součást (s výjimkou magneticky levitujícího ventilátoru). Elektronická závěrka dovoluje velmi krátké expozice a rovněž bez problémů zvládne pořízení tisíců snímků během krátké doby, což je nezbytné pro kvalitní pointaci.

Kamery C1 pracují ve spolupráci s počítačem (PC). Korekce chodu montáže nejsou počítány ve vlastní kameře, ta jen odesílá snímky do řídicího počítače. Software pracující v PC poté spočítá rozdíl od požadovaného stavu a pošle korekce montáži dalekohledu. Výhodou použití PC k výpočtu korekcí je skutečnost, že současné počítače disponují výpočetním výkonem, který o mnoho řádů přesahuje výkon i toho nejlepšího procesoru zabudovaného v kameře. Algoritmy pointace pak mohou určit centroid hvězdy se sub-pixelovou přesností, mohou srovnávat více hvězd a tím omezit vliv seeingu apod.

Vypočítané korekce mohou být odeslány zpět montáži prostřednictvím komunikační linky mezi montáží a PC. Pokud ale řídicí jednotka montáže nepodporuje tuto funkci (příkazy „Pulse Guide“) lze použít tzv. „Autoguider“ portu. Stačí spojit kameru C1 s montáží 6 žilovým kabelem a řídit montáž prostřednictvím kamery.

Maximální proud, který může každý pin kamery C1 spínat, je 400 mA. Pokud montáž nepracuje s autoguider portem jako s logickými vstupy, ale spíná jimi přímo korekční motory, musí být mezi kameru C1 a montáž vřazen reléový oddělovač, který bezpečně zaručuje spínání motorů montáže.

Autoguider port odpovídá de-facto standardu zavedenému automatickým pointerem SBIG ST-4. Význam pinů v konektoru je následující:

Mechanické specifikace

Hlava kamer C1 je navrhována aby byla malá a lehká aby ji bylo možné uchytit i k malým dalekohledům a hledáčkům. Kompaktní a robustní hlava měří jen 57 × 57 × 48 mm bez závitového adaptéru pro objektivy.

Hlava je frézována z kvalitní hliníkové slitiny a černě eloxována. Hlava samotná obsahuje konektor USB-B 3.0 a standardní 6 pinový „autoguider“ konektor.

Adaptéry pro dalekohled/objektiv

Kamery C1 jsou dodávány se dvěma typy adaptérů pro objektivy a dalekohledy:

• Adaptér se závitem 1/32 UN a vzdáleností ohniskové roviny 12,5 mm (CS-mount).

• Adaptér se závitem M42 × 0,75 (T-závit) a vzdáleností ohniskové roviny 18,5 mm. Tento adaptér také obsahuje vnitřní závit 1/32 UN se vzdáleností ohniskové roviny 12,5 mm (CS-mount).

CS-mount je kompatibilní s širokým výběrem CCTV objektivů standardu CS-mount. Pokud má být použit objektiv standardu C-mount (se vzdáleností ohniskové roviny 17,5 mm), lze použít jednoduchý 5 mm vysoký závitový mezikroužek.

Válcový adaptér z C-mount na 1,25”, kompatibilní se standardními 1,25” okuláry, je přiložen ke každé kameře. Kamera C1 může být tedy použita s prakticky libovolným astronomickým dalekohledem na místo okuláru.

Rozhraní T-mount (také adaptér s T-závitem) je definováno rozměry závitu M42 × 0,75 a také vzdáleností ohniskové roviny 55 mm. Adaptér s T-závitem pro kamery C1 nesplňuje druhé kritérium, jeho vzdálenost ohniskové roviny je pouze 18,5 mm. Vzdálenost 55 mm je požadována jen v některých případech a dodržení této relativně velké vzdálenosti by vyžadoval poměrně rozměrný adaptér.

Nicméně je k dispozici prodlužovací díl s vnějším závitem M42 × 0,75 na jedné straně. Tento prodlužovací díl prodlouží vzdálenost ohniskové roviny kamer C1 na 55 mm, jak je požadováno řadou reduktorů ohniska, korektorů komy a dalších optických prvků.

Tento prodlužovací díl se vzdáleností ohniskové roviny 55 mm je k dispozici ve dvou variantách:

• Se závitem M42 × 0,75 (T-závit) na vzdálenější straně.

• S větším závitem M48 × 0,75 na vzdálenější straně.

K dispozici jsou také adaptéry s bajonetovými rozhraními pro standardní fotografické objektivy :

• Prodlužovací adaptér pro objektivy Nikon.

• Prodlužovací adaptér pro objektivy Canon EOS.

„Stativový“ a metrické závity

Pokud není kamera C1 uchycena k okulárovému výtahu dalekohledu prostřednictvím adaptéru pro CS objektivy, může být připevněna prostřednictvím šroubu na fotografických stativech (0.25 palce). Další možnost je použití 4 metrických závitových otvorů M3, také umístěných na spodní straně hlavy kamery.

Rozměry kamer C1

Podpora software

Ovladače a programová podpora kamer Cx je stejně bohatá jako je tomu u CCD kamer série Gx.

Pro práci s kamerami C1 je ale nezbytné instalovat nejnovější verze všech programových balíků a ovladačů.

• Pokud je kamera C1 připojena přímo k řídicímu PC pomocí USB kabelu, je nutné instalovat nový systémový ovladač CxCamera.sys (viz manuál „Installing and Using Drivers and Software“, dodávaný s každou kamerou). Tento ovladač je zahrnut v instalačním balíčku systémových ovladačů verze 2.3 a nebo vyšší.

• Pokud je kamera C1 připojena přes jednotku Camera Ethernet Adapter, adaptér musí být vybaven firmware verze 42 nebo vyšší, aby správně pracoval s CMOS kamerami (postup aktualizace firmware v jednotce je popsán v manuálu „Moravian Camera Ethernet Adapter User's Guide“).

  Tip:

  Pokud je k programu SIPS připojena kamera přes jednotku Moravian Camera Ethernet Adapter, SIPS zobrazí verzi firmware jednotky v oznamovací oblasti panelu Windows Action Center.

• Balíčky ovladačů a knihoven pro Linux také musí být aktualizovány na poslední verzi. Více v sekci Download tohoto WWW serveru.

Program SIPS (Scientific Image Processing System) verze 3.16 nebo vyšší je nezbytný k ovládání všech verzí kamer C1.

Ovladače kamer C1 pro programy třetích stran také musí být aktualizovány na nejnovější verze aby pracovaly s kamerami C1. Minimální verze pro jednotlivé ovladače jsou:

• ASCOM ovladače verze 4.10

• Ovladače pro TheSkyX (všechny verze pro Windows, MacOS a Linux) verze 2.2

• Astroart ovladače verze 3.2

SIPS

Program SIPS (Scientific Image Processing System), dodávaný spolu s kamerou, dovoluje kompletní ovládání kamer (expozice, chlazení, výběr filtrů atd.). Také podporuje automatické sekvence snímání přes různé filtry, s rozdílným binningem apod. S plnou podporou ASCOM standardu může SIPS ovládat celou hvězdárnu. Konkrétně montáže dalekohledů, ale také další zařízení (motorová ostření, kopule nebo odsuvné střechy, GPS přijímače apod.).

SIPS zahrnuje nástroje pro automatickou pointaci, včetně tzv. „dithering“ (řízené vzájemné posuny mezi jednotlivými snímky). Jsou podporovány oba způsoby ovládání montáže — přes rozhraní „autoguider“ port (kabel s 6 vodiči) a také „Pulse-Guide API“ programové rozhraní ovladače montáže. Pro velmi kvalitní montáže, schopné sledoval pole bez nutnosti pointace po dobu jedné expozice, podporuje SIPS mezi-snímkovou pointaci pouze na základě porovnávání snímků z hlavní zobrazovací kamery.

Schopnosti programu SIPS nekončí u ovládání kamery a hvězdárny. SIPS obsahuje řadu nástrojů pro kalibraci snímků, práci s 16 a 32 bitovými FITS soubory, zpracování celých množin snímků (např. medián množiny apod.), transformace snímků, export snímků do běžných formátů atd.

Protože prví „S“ ve zkratce SIPS znamená „Scientific“ (vědecký), program podporuje astronomickou redukci snímků a také fotometrické zpracování celých řad.

Program SIPS je zdarma ke stažení z tohoto www serveru. Všechny funkce jsou podrobně popsány v uživatelské příručce, nainstalované s každou kopií programu.

K dispozici jsou také ovladače standardu ASCOM a také ovladače programové systémy třetích stran (např. TheSkyX, AstroArt, atd.). Navštivte stránku download tohoto www serveru se seznamem všech ovladačů.

K dispozici jsou také INDI ovladače pro 32 bitový i 64 bitový Linux pracující na procesorech x86 a ARM. S kamerou jsou dodávány také ovladače pro program TheSkyX pracující pod systémem macOS.

Automatická pointace

Programový systém SIPS dovoluje automatickou pointaci montáže dalekohledu s použitím samostatné pointační kamery. Správně a spolehlivě pracující automatická pointace využívající výhod výpočetního výkonu počítačů PC (např. výpočet centroidu pointační hvězdy z mnoha pixelů dovolující dosažení sub-pixelové přesnosti) není úplně triviální úkol. Tomu odpovídá i množství parametrů, které je nutno programu zadat (nebo nechat automaticky určit).

Nástroj „Guider“ pak dovoluje automatickou pointaci zapínat a vypínat, kalibrovat parametry pointace a přepočítávat je po změně deklinace dalekohledu bez nutnosti nové kalibrace. Nová kalibrace také odpadá po přeložení německé montáže. Okno také zobrazuje časové průběhy zjištěných odchylek pointační hvězdy v obou osách od referenční polohy. Délka vlastního průběhu i rozsah grafů jsou volně nastavitelné, takže jejich zobrazení lze přizpůsobit nepřesnostem a délce periodické chyby dané montáže. Také je zobrazován kompletní záznam o kalibraci, zjištěných odchylkách, provedených korekcích apod. Záznam lze kdykoliv uložit do textového souboru.

Alternativou klasické pointace je mezisnímková pointace, navržená pro moderní montáže, které jsou natolik přesné, že udrží chod se sub-pixelovou přesností po dobu jediné expozice a viditelné nepravidelnosti se objeví až za dobu přesahující několik expozic. Mezisnímková pointace pak provádí jemné opravy polohy montáže mezi jednotlivými expozicemi, což zamezuje „cestování“ snímaných objektů po ploše detektoru během doby pozorování. Tato metoda pointace používá hlavní kameru, nevyužívá další pointační kameru a přirozeně nepotřebuje ani OAG nebo samostatný pointační dalekohled.

Pokročilá rekonstrukce barev z barevných kamer

Barevné snímače mají červené, zelené a modré filtry (Bayerova maska) aplikovány přímo na jednotlivé pixely.

Každý pixel registruje světlo pouze určité barvy (červené, zelené nebo modré). Barevný snímek ale obsahuje informaci o všech barvách v každém pixelu. Je tedy nezbytné dopočítat ostatní barvy z hodnot okolních pixelů..

Existuje řada způsobů jako dopočítat chybějící barvy jednotlivých pixelů — od jednoduchého rozšíření barev do okolních pixelů (tato metoda vede k obrázkům s viditelnými barevnými chybami) přes přesnější metody bilineární nebo bikubické interpolace okolních pixelů až po sofistikované víceprůchodové metody.

Bilineární interpolace poskytuje výrazně lepší výsledky než prosté rozšíření chybějících barev do okolních pixelů a přitom je dostatečně rychlá. Pokud je ale rozlišení optiky blízké velikosti jednotlivých pixelů, u jemných detailů vznikají barevné artefakty, jak ukazuje obrázek dole vlevo.

Víceprůchodová metoda je výrazně pomalejší ve srovnání s jednoprůchodovou bilineární interpolací, její výsledky jsou ale zejména v detailech výrazně lepší. Tato metoda dovoluje využít rozlišení barevných kamer skutečně na maximum.

SIPS nabízí volbu metody interpolace Bayerovy masky v nástrojích „Image Transform“ i „New Image Transform“. Pro rychlé náhledy nebo v případě, že nejmenší zobrazený detail svými rozměry hodně převyšuje velikost jednoho pixelu (ať již vlivem optiky či atmosféry), je rychlá bilineární interpolace dostačující. Pro nejlepší výsledky je ale vhodné použít víceprůchodovou metodu.

První snímky s kamerou C1-3000

První prototyp kamery C1-3000 testoval známý astro-fotograf Martin Myslivec. Používal refraktor Borg 77ED na montáži EQ6 k pořízení řady expozic bez pointace. Ačkoliv si uvědomujeme, že Martin je zkušený astro-fotograf, kamera C1 se ukázala jako vhodná i pro snímání jasných objektů hlubokého vesmíru.

Snímek M31 Velké galaxie v Andromedě je součet 197 expozic dlouhých 20 s (celková expoziční doba asi 1 hodina a 5 minut). S výjimkou kalibrací dílčích snímků a mírného nelineárního „stretch“ nebyl snímek nijak dále zpracováván.

Snímek M42 Velké mlhoviny v Orionubyl zkombinován ze dvou sad expozic (HDR snímek). Slabá mlhovina dále od středu snímku byla snímána s použitím 100 expozic dlouhých 20 s (asi 33 minut celkového expozičního času). Velmi jasná centrální část mlhoviny byla fotografována expozicemi pouze 2 s dlouhými (opět jich bylo 100), což vede na asi 3 minuty celkového expozičního času. Velmi krátké expozice dovolily perfektně zaznamenat 4 centrální hvězdy (nazývané Trapéz), aniž by došlo k jejich přeexponování.

Snímek M45 Plejád je kombinace 218 expozic dlouhých 20 s (celková expoziční doba asi 1 hodina a 12 minut). Opět nebyl snímek nijak zpracováván kromě kalibrací a nelineárního „stretch“.