Revontulikameroiden tekninen kuvaus

Revontulten kuvaamiseen käytetään kalansilmäoptiikkaa ja himmeän valon tallentamiseen optimoituja CCD-kameroita.

Valonvahvistinkamerat

Vuosina 1996-97 käyttöön otetut ensimmäiset digitaaliset revontulikamerat valmisti amerikkalainen KeoConsultants. Jokaisessa kamerassa on telesentrinen optiikka, ja kalansilmälinssin näkökenttä on 180 astetta. Optiikassa ei tapahdu varjostumista. Mekaaninen suljin suojaa suotimia ja kameran CCD-kennoa suoralta auringonvalolta päiväsaikaan. Kameran toimintaa ohjaa revontuliaseman tietokone.

Suodinkiekkoon mahtuu seitsemän kaistanpäästösuodinta, mutta normaalisti yksi paikoista jätetään "tyhjäksi", jotta myös suodattamattomia kuvia voidaan ottaa. Joka asemalla on tällä hetkellä kolme interferenssisuodinta: vihreä, sininen ja punainen.

Himmeät kuvat vahvistetaan valonvahvistimella ennen kuin lopullinen kuva kuvataan CCD-kameralla ja digitoidaan tietokoneelle. Kuvat ovat mustavalkoisia - värithän saadaan eroteltua käyttämällä suotimia. Valonvahvistimen käyttö mahdollistaa lyhyiden valotusaikojen käytön: tyypillinen valotusaika on noin 0,5-1 sekuntia.

Elektronimonistin-CCD-kamerat (emCCD)

2000-luvun alussa MIRACLEa täydennettiin kahdella uudella Keo Scientificin valmistamalla kameralla. Optiikka on samanlainen kuin edellisen sukupolven kameroissa, mutta erillistä valonvahvistinta ei ole: kuvanvahvistuksesta vastaa elektronimonistin-CCD-kenno. Sen ansiosta uusien kameroiden dynaaminen alue eli kirkkausvaihteluiden tallennuskyky on laajempi ja kohina vähäisempää.

Näissä kameroissa on 8-paikkainen suodinkiekko, jossa käytetään kuutta kapeakaistaista interferenssisuodinta. Suodinten läpäisemät aallonpituudet vastaavat revontulten kolmea yleisintä väriä (vihreää, sinistä ja punaista) sekä kolmea näitä värejä lähellä olevaa taajuuskaistaa, joilla ei esiinny revontulivaloa. Viimeksimainituilla suotimilla otetaan taustakuvia, jotka vähennetään revontulikuvista. Näin revontulivalo saadaan paremmin erotettua muista lähteistä tulevasta valosta. 

EmCCD-kamera.

Värikamerat

Lähes kaikki tieteelliseen käyttöön tarkoitetut revontulikamerat ovat olennaisesti mustavalkokameroita. Kamera kuvaa kapeakaistaisen optisen värisuotimen läpi, jolloin yhdessä kuvassa on tietoa ainoastaan yhdestä tietystä väristä. Revontulifysiikan kannalta tällainen mittaustapa on mielekäs, koska revontulivaloa syntyy vain tietyillä yksittäisillä aallonpituuksilla. Niihin keskittymällä saadaan eniten tietoa hiukkastörmäyksistä ionosfäärissä. Kirkkaimmat revontulivärit ovat kellanvihreä (557,7 nm) ja punainen (630,0 nm).

Mustavalkokuvien haittapuolena on, että revontulia voi olla hankalaa erottaa muista valonlähteistä, kuten Kuun valaisemista pilvistä. Värikuvat helpottavat erityisesti kuvien automaattista analysointia. MIRACLEssa on käytössä Calgaryn yliopiston kehittämiä RAINBOW-värirevontulikameroita.

Vanhat filmikamerat

Vanhoissa revontulikameroissa käytettiin alaspäin suunnattua filmiä käyttävää kameraa, joka kuvasi koko taivaan pallopeilin kautta. Taivaan ohella kuvaan saatiin myös kolme valostandardia ja kellonaika.

Mitään suotimia ei käytetty, ja kuvan värit riippuivat käytetystä värifilmistä ja kehitysprosessista. Valostandardien värit tunnetaan, joten niitä voidaan käyttää tulosten kalibroimisessa.

Tavallisesti kamera otti kuvan kerran minuutissa, mutta erilaisia kampanjoita varten kuvia voitiin ottaa myös useammin (esimerkiksi joka 20. sekunti). Mahdollisia valotusaikoja oli muutama; tavallisesti käytetään kahden sekunnin valotusta ja joka kymmenes kuva otettiin pidemmällä valotusajalla (8 s).

Kameran toimintaa ohjattiin manuaalisesti, ja filmin loputtua aseman hoitaja kävi vaihtamassa uuden filmin. Kuvattu filmi kehitettiin ja kuvattiin videonauhalle (BetaCam), jolta kiinnostavat revontulimyrskyt digitoitiin tietokoneella tapahtuvaa jatkokäsittelyä varten.

Filmikamerat poistettiin käytöstä vuonna 1998.

Filmikameran kuva. Punaiset nuolet osoittavat valostandardeja sekä kellonaikaa. Mustat viivat ovat kameraa kannattelevia metallitankoja.
 

Kamera-aseman kaavakuva.
 
 

Valonvahvistimellisen revontulikameran kaavakuva.