Представьте пиктограмму: цифровое изображение прямоугольной формы. А теперь вообразите самый маленький из возможных ее участков. Это Элемент ПИКТограммы: «пиксел». Такова фундаментальная единица регистрации у приборов с зарядовой связью: ПЗС. С этих приемников в 1970-х началось коренное преобразование методов построения изображений, а к началу 1990-х этот подход вытеснил все остальные. Мне случилось быть этому свидетелем: в те годы я оканчивал магистратуру, и влияние этого процесса на мою область исследований невозможно переоценить.
Когда ПЗС подвергается воздействию света – от ближайшего уличного фонаря или от далекой галактики, – каждый из его пикселов накапливает некоторое количество электронов, которое зависит от интенсивности света, падающего на каждый из малых участков светочувствительной микросхемы – главного элемента ПЗС. Чем интенсивнее свет, тем больше электронов накапливается – хотя, если свет будет слишком ярким, приемник достигнет уровня насыщения и избыток электронов распределится по соседним пикселам, искажая получаемые данные. Если удвоить экспозицию, удвоится и количество электронов. Электроны, скопившиеся на каждом пикселе, затем собираются с микросхемы, подсчитываются и превращаются в элемент мозаики, которая и составляет изображение. Чем больше пикселов в этой мозаике, тем выше доступное разрешение. Сейчас вы можете без труда скачать с «Викисклада» уличную сцену объемом 2592 столбца на 1944 строки, которая трансформируется в мозаику из более чем 5 миллионов пикселов – фото, проработанное до мельчайших деталей. Но это еще что: если не боитесь перегрузить ваш компьютер, можете скачать изображение Туманности Ориона из галереи космического телескопа Хаббла размером 18 000 х 18 000, а это уже 324 миллиона пикселов, битком набитых подробностями.
Есть еще такое понятие, как «квантовая эффективность». В идеальном по эффективности приемнике один фотон даст вам один электрон. Реальность не столь хороша, хотя ПЗС все равно далеко обгоняет фотопленку. Ведь из каждой сотни фотонов света, падающего на кристаллы галоидного серебра в вышедшей из употребления астрофотографической эмульсии IIIaJ фирмы Eastman Kodak, лишь примерно трем удавалось запустить химическую реакцию, необходимую для появления изображения. То есть в этом случае квантовая эффективность составляла 3 %. А какова сегодня квантовая эффективность ПЗС? У некоторых астрономических ПЗС она превышает 60 % в широкой полосе длин волн видимого света. Выходит, что мощность приемников выросла в двадцать раз. Но есть и ПЗС, у которых на определенных длинах волн в ближней инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра квантовая эффективность достигает 90 %. Вдобавок ПЗС можно использовать с любой оптикой. Все эти плюсы означают, что теперь астрофизики могут получать информацию из гораздо более далеких областей космоса, чем раньше, и таких областей стало гораздо больше.
При этом, однако, возрастают трудности, связанные с шумами. Когда телескоп наведен на слабый источник света, он может не собрать достаточного количества фотонов для того, чтобы перейти порог чувствительности. С другой стороны, то, что кажется световым сигналом, может оказаться шумом. У каждого телескопа, у каждого приемника есть собственный внутренний шум. Есть он и у ПЗС: собственное тепло приемника достаточно велико для того, чтобы связанные с ним тепловые фотоны попадали в пикселы. Поэтому профессиональные ПЗС и камеры, в которых они смонтированы, в процессе работы охлаждаются. В прежние времена, когда для регистрации получаемых на телескопе изображений астрофизики использовали фотографические пластинки, требовались длинные экспозиции. Зная, что есть объекты, более слабые, чем мы способны зарегистрировать, мы стремились получить все большие и большие телескопы, которые собирали все больше и больше света. Нужны были деньги, инженеры, новые башни телескопов, новые горные вершины для их установки.
На заре ПЗС-техники светочувствительные чипы были маленькими – с небольшим количеством пикселов. Некоторые из этих микросхем изготовлялись в университетах или промышленных лабораториях специально для нужд астрофизики. Но, по мере того как ПЗС становились все более и более привычными и доступными, и в особенности потому, что стали применяться в цифровых фотокамерах, их цена падала, а качество и скорость усовершенствования быстро росли. ПЗС-приемники преобразили астрофизику. Они дали новую жизнь малым телескопам, а большие наделили ранее непредставимой мощью и чувствительностью. Некоторые исследователи сделали карьеру на том, что повторили выдающиеся наблюдательные работы прошлого, чьи авторы могли лишь приблизительно предполагать, какие данные они могли бы получить с более чувствительным приемником. В эпоху ПЗС астрофизики могут решать те же проблемы с гораздо большим успехом. Мы можем теперь выйти за пределы прежних наблюдательных ограничений и начать мечтать о новом, более высоком уровне техники.
___________________
Любой, кто не может себе позволить полагаться на то, что удача свалится с неба, скажет, что прежде, чем начинать работу, надо заранее поставить перед собой ясную цель. И это правило приводит нас к мысли о военном потенциале ПЗС.
Знать, что ты ищешь, – неотъемлемая часть того, что в Америке обозначается аббревиатурой ISR (Intelligence, Surveillance, Reconnaissance) – всего комплекса разведывательных действий, состоящего из сбора данных, наблюдения и собственно разведывательных операций. Так вот появление ПЗС произвело такой же переворот в американской ISR, какой оно произвело в американской астрофизике. В конечном счете астрофотография и разведывательная аэрофотосъемка отличаются лишь выбором цели, расстоянием до нее и направлением вашего взгляда. В декабре 1976 года спутник КН-11 KENNAN из серии космических аппаратов KEYHOLE стал первым спутником-шпионом, оборудованным ПЗС-техникой
.
Изменение оказалось революционным. Национальному управлению военно-космической разведки больше не надо было ждать много дней, пока пленки, отснятые со спутников-шпионов, будут спущены с парашютом в жароустойчивых кассетах, подхвачены в воздухе специальными самолетами – а то и подобраны в океане, и хорошо, если американскими судами, – затем обработаны и только после этого снимки наконец попадут на стол соответствующего офицера
. Теперь фото, снятые с борта КН-11, – например, изображения советского авианесущего крейсера, строящегося на черноморской верфи, – могли почти мгновенно передаваться через ретрансляционный спутник на наземную станцию близ Вашингтона.
Первые спутники-шпионы, разработанные в рамках программы CORONA, предназначались для широкого поиска; их камеры имели большое поле зрения. Сменившие их спутники серий KEYHOLE и GAMBIT более пристально наблюдали за конкретными целями, предварительно намеченными их предшественниками серии CORONA. Спутники серии HEXAGON обладали еще более высоким разрешением при наблюдении индивидуальных целей и улучшенными поисковыми характеристиками.
Большинство их было оснащено как основной камерой для широкоугольных снимков районов, недоступных для наблюдения иными способами, так и картографической камерой, полезной для военного планирования. Пресс-релиз фирмы Lockheed Martin, изготовителя спутников HEXAGON, так описывает их роль: стране «необходимы эти поисково-разведывательные спутники наружного наблюдения, чтобы адекватно оценивать возможности, намерения и технические достижения тех, кто противостоял США во время холодной войны. Они стали космическими глазами Америки».
