Reticon a CCD
PR1, PR2, PR3, PR4 -- přepínače;
Z1, Z2, Z3, Z4 -- zesilovače; AD -- analogově digitální převodník;
Reticon je, podobně jako známější CCD, elektronický detektor, který mění dopadající světelná kvanta v elektrický náboj, který se kumuluje v jednotlivých obrazových elementech (pixelech). Ve zvoleném okamžiku stanoveném podle délky expozice nebo naexponovaného náboje se jednotlivé pixely vyčtou. Velikost nábojů v pixelech je úměrná množství světelných kvant, která do daného pixelu dopadla. Detektor Reticon tvoří jediná řádka 1872 pixelů -- fotodiod. Každá z těchto fotodiod má rozměr výška x šířka 750 x 15 mikrometrů a jsou sestaveny tak, že výška celého čipu je těch 750 mikrometrů a celková délka necelé 3 cm. Když na některou z fotodiod dopadne foton, změní se její elektrický náboj. Po skončení expozice se všechny fotodiody vyčtou. Reticon (stejně jako CCD) je lineární detektor, to znamená, že změna náboje je přímo úměrná množství dopadlého světla. Čip Reticonu je položený podél dopadajícího pásu spektra a tedy každému pixelu odpovídá nepatrně jiná vlnová délka. Vyčtou-li se tedy jednotlivé pixely, získá se závislost množství dopadlého světla na vlnové délce, tj. spektrum.
Fotodiody jsou na počátku expozice startovacím pulsem nabity na určitý náboj. Vlivem dopadajících fotonů se pak náboj postupně snižuje, a to přímo úměrně počtu dopadlých fotonů. Při samotném vyčtení se fotodiody znovu nabijí na standardní hodnotu a měří se velikost náboje, který je k tomu potřeba (ten je samozřejmě rovný předchozímu úbytku a tedy přímo úměrný počtu dopadlých fotonů. Tím je možné zjistit, kolik fotonů dopadlo v průběhu expozice do jednotlivých fotodiod). Dále jsou připojeny čtyři přepínače, za ně jsou zapojeny předzesilovače a potom jde signál do analogově - digitálního převodníku. Tato jednotka převádí signál, jak její název napovídá, z analogové do digitální formy. Po skončení expozice startovací puls způsobí vyčítání fotodiod. Každá fotodioda vyšle jeden puls, který je přímo úměrný počtu fotonů, které na ni dopadly. Celkem tedy 1872 pulsů. Přepínače přepínají mezi jednotlivými fotodiodami tak, že první z nich přepíná postupně na fotodiody 1, 5, 9 ..., druhý na fotodiody 2, 6, 10 ... třetí 3, 7, 11 ... a čtvrtý 4, 8, 12 ... Protože je 1872 fotodiod a čtyři přepínače, každým z nich projde v průběhu jednoho vyčtení 468 pulsů. Samozřejmě, že jak každá fotodioda, tak každý přepínač i předzesilovač mají (byť nepatrně) odlišnou citlivost, a tak je potřeba při každém pořízeném spektru kalibrovat, či lépe řečeno průměrovat, získané spektrum na zesílení jednotlivých předzesilovačů.
Detektor Reticon je potřeba chladit na velmi nízkou teplotu, aby se zamezilo vzniku temného šumu, tj. samovolných nábojů v jednotlivých pixelech. Optimální teplota je asi -155°C. Proto je detektor umístěn v Dewarově nádobě v níž se jako chladící kapaliny používá tekutý dusík, jehož teplota je však -195,8°C. Reticon je proto třeba nepatrně zahřívat, což se dělá odporovým drátkem, do něhož se pustí elektrický proud. Teplo z odporového drátku se přes tepelný most přenáší na detektor. Dusík je potřeba dolévat do Dewarovy nádoby jednou za den a spotřebuje se ho přitom asi 1,3 litru.
I přes chlazení detektoru vznikají v Reticonu slabé šumy a další efekty, které vyplývají ze samotné konstrukce a které nelze odstranit. Tyto efekty jsou podobné jevům, k nimž dochází ve fotografických emulzích. Mimo slabého temného šumu to je čtecí šum. Ten se vytváří vytváří na elektronických prvcích mezi detektorem a analogově - digitálním převodníkem. Uplatňuje se pouze při vyčítání čipu (odtud jeho název). Vzniká jednak jako pulsy při spojování a opětném rozdělování jednotlivých kanálů mezi pixely a analogově - digitálním převodníkem při přepínání v Reticonu a jednak v samotném převodníku. Aby bylo možné přirozený šum systému odstranit, exponuje se při zavřeném spektrografu tak zvaný temný proud a tento signál se při zpracování odečítá od spektra hvězdy, neboť představuje něco, co je ve spektru "navíc". Taková je přibližná představa. Ve skutečnosti je situace složitější. Náhodné fluktuace v šumu totiž mohou zasahovat i do záporných hodnot: jako by se naexponoval nepatrně záporný náboj. Proto se generuje jistý slabý (avšak známý) náboj, aby se šum detektoru posunul do kladných, byť nevelkých hodnot. Takto upravený šum se nazývá "offset" a při zpracování se od spektra hvězdy odečítá tento offset, nikoliv původní šum.
Jiný problém představuje citlivost elektronického detektoru. Jednotlivé pixely detektoru se nepatrně liší svou účinností. Rozdíly mohou být malé, nikdy ale nemohou být nulové. Proto je každý naexponovaný signál trochu "zubatý", byť nepatrně, (i když vlastní vstupní signál je třeba ideálně hladký).
Ke zjištění citlivosti se exponuje tak zvaný flat field. Do spektrografu se posvítí bílým světlem (používá se obyčejná malá žárovka); zdroj musí být předřazený před štěrbinu. Předpokládá se, že štěrbina je osvětlena rovnoměrně. Světlo žárovky prochází po stejné optické dráze jako světlo hvězdy, proto vlastnosti jednotlivých optických prvků spektrografu ovlivní světlo žárovky stejně jako světlo hvězdy. Signál, který se naexponuje,potom ukazuje citlivost jednotlivých pixelů. Před dalším zpracováním se signál "vyhladí", aby se účinnosti pixelů vyrovnaly. Bez tohoto kroku by nebylo možné rozlišit, co je úzká spektrální čára a co je odlišná citlivost daného pixelu.
Čip Reticonu dokáže rozlišit 3600 úrovní signálu (je to podíl maximální hodnoty signálu, při níž dojde k saturaci čipu a hodnoty čtecího šumu) a touto citlivostí je limitována rozlišovací schopnost celého detektoru. Rozsah analogově digitálního převodníku je 4096 ADU (Analog Digital Unit). Jeden ADU je nejmenší signál potřebný k tomu, aby analogově digitální převodník zaznamenal změnu o jednotku. Závislost zaregistrovaného a naexponovaného signálu je lineární, tj. grafem takové závislosti je přímka (viz obrázek křivka citlivosti Reticonu).
Sklon přímky, čili její směrnice pak závisí na citlivosti použitých předzesilovačů (předzesilovače jsou umístěny mezi čip detektoru a analogově digitální převodník;jejich účinnost je vhodné stanovit tak, aby se analogově digitální převodník saturoval, tj. registroval hodnotu 4096 ADU, dříve než dojde k saturaci čipu, tj. k zaregistrování nejvyšší 3600. úrovně signálu) a je pak možné pro danou konfiguraci zjistit, kolika elektronům, resp. fotonům odpovídá jeden ADU. Převodní vztah udávající počet elektronů na jeden ADU se volí tak, aby šum, který při konverzi vzniká, byl malý. Přirozený šum detektoru pak tvoří jenom vlastní šum detektoru a čtecí šum. Ondřejovský Reticon má převodní vztah 611 elektronů/ADU, přirozený šum se pohybuje kolem 690 elektronů, tj. 1.13 ADU (při zpracování dat však má smysl počítat pouze s celočíselnými hodnotami ADU). Po skončení expozice se zapisuje nejvyšší exponovaný signál. Má-li tedy hvězda ve spektru emisi, udává se signál na tomto "píku".
M, N -- počet řádků a sloupců v CCD čipu;
PR -- posuvný registr; Detektor -- čtecí zařízení.
Posledním krokem, který je třeba učinit, je pořízení srovnávacího spektra pro kalibraci ve vlnových délkách. V Ondřejově se používá thoriová - argonová výbojka. Teprve po získání offsetu, flatu a srovnávacího spektra se exponuje spektrum samotné hvězdy.
Naproti tomu CCD čip se vlivem dopadajícího světla skutečně nabíjí (tj. elektrický náboj v jednotlivých pixelech se zvětšuje z počáteční malé nebo nulové hodnoty) a rovněž i vyčítání čipu se provádí na základě naprosto odlišné technologie. Při vyčítání CCD čipu dochází ke stěhování nábojů. Princip jeho činnosti lze schematicky zobrazit (viz obrázek schema činnosti CCD).
CCD čip má (obecně) obdélníkový nebo čtvercový tvar, sestávající z mnoha řádků a sloupců pixelů (ondřejovský CCD čip má 800 krát 2030 pixelů). Před samotné čtecí zařízení je vložen posuvný registr. Obrázek, ať už spektrum nebo skutečný obraz hvězdného pole, se exponuje pouze na samotný čip, posuvný registr zůstává "v klidu". Svůj úkol začíná plnit teprve v okamžiku, kdy je žádaný obrázek naexponován a začíná proces samotného vyčítání pixelů a kdy dochází k tomu již zmíněnému stěhování nábojů. Všechny náboje v celé matici CCD čipu se posunou o jeden řádek dolů, takže první řádek (na obrázku ten nejspodnější) se přesune do posuvného registru, druhý řádek se přesune do prvního, třetí do druhého a tak dále. Poslední řádek zůstane "prázdný". V posuvném registru dochází k dalšímu stěhování nábojů směrem k detektoru (na obrázku se náboje stěhují směrem doleva), takže detektor vyčte nejprve náboj z pixelu s pořadovým číslem [1,1], potom [1,2], [1,3] a tak dále. Jakmile je vyčten celý řádek, matice všech nábojů opět "poposkočí" o jeden řádek dolů, takže nyní je v posuvném registru ten řádek pixelů, který byl v původní matici na CCD druhý odspodu. Nyní se vyčítají náboje z pixelů [2,1], [2,2], [2,3] atd. Máme--li kupříkladu čip o velikosti 500 x 500 pixelů, pak se pixel, který je 385. v pořadí na 151. řádku, bude vyčítat jako 75 385 -- tý v pořadí (vyčte se 150 celých řádků po 500 pixelech a potom ještě je náš pixel 385--tý v následujícím 151. řádku).
Vlastní stěhování nábojů se vyvolává pomocí elektrod připojených k pixelům. Ke každému pixelu je přitom připojeno několik elektrod. Pixel představuje jakousi past, či odborněji řečeno potenciálovou jámu, v níž se integrují fotoelektrony. Zapojením jednotlivých elektrod do elektrického obvodu se na nich mění potenciál a tím dochází k deformacím a "stěhování" celé potenciálové jámy. Tak se mohou fotoelektrony "přelévat" spolu s potenciálovými jámami z jednoho pixelu do druhého. Schematicky je to zobrazeno na obrázku:
Stěhování zachycené na obrázku se týká přenosu náboje v rámci jednoho pixelu, ale zcela obdobně je lze realizovat i mezi jednotlivými pixely. Tento proces je tak podstatou již výše zmiňovaného vyčítání čipu.