Observatorio de Sant Gervasi

M.P.C.-I.A.U A90. Observatorio astronómico privado dedicado a la fotometría CCD

....................................................... Josep Mª Coloma .........................................................................

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Ensayo básico de la cámara CCD Starlight MX516 del Observatorio de Sant Gervasi

Las cámaras CCD son dispositivos cuya respuesta es teóricamente lineal. Esto significa que la cantidad de fotones que inciden sobre el detector y que son capaces de ser "convertidos" en ADUs (comúnmente conocidas como "cuentas"), es directamente proporcional al tiempo de exposición. Expresando esto sobre un diagrama cartesiano de dos ejes que muestre TIEMPO DE EXPOSICION en el eje X y NÚMERO DE CUENTAS en el eje Y (hasta el valor de saturación en función del número de bits de la cámara), aparecería una línea recta con una determinada pendiente. El número de cuentas que se miden con un tiempo de exposición igual a cero, debe de estar próximo al valor del "bias" del detector.

Este concepto es la base de la fotometría diferencial astronómica, por lo cual debemos conocer si nuestra cámara responde linealmente o si contrariamente existe un valor de cuentas a partir del cual se pierde la linealidad de forma más o menos acusada. De ser así y conocido dicho valor, deberemos de aplicar unos tiempos de exposición adecuados en nuestras imágenes, de manera que ningún píxel "de uso fotométrico" lo sobrepase.

 

¿Cómo se realiza el ensayo?

-Instalar la cámara sobre el telescopio y colocar sobre la abertura algún tipo de difusor. Puede utilizarse la pantalla de flats o una camiseta blanca. Es imprescindible realizarlo en un lugar donde se tenga la seguridad de que no incida ninguna luz parásita sobre el detector. Podemos utilizar si es posible una habitación totalmente oscura.

-Colocar en el recinto donde se va a realizar el ensayo una fuente de luz muy tenue. Puede ser de utilidad una lámpara de mesa de escritorio colocada en el suelo y con la pantalla prácticamente sobre el pavimento. De cualquier forma es vital evitar el uso de linternas, lámparas de gas, tubos florescentes y cualquier sistema que disponga de algún potenciómetro: Se producen fluctuaciones que aunque pueden pasar deapercibidas para nuestros ojos alterarían el resultado del ensayo.

-Comenzar la toma y grabación de imágenes aumentando progresivamente el tiempo de exposición. La cámara ha de estar refrigerada y a temperatura estable. Como valor de cuentas puede tomarse la media del valor de todos los píxeles, valor que suelen proporcionar los programas informáticos de control de la CCD.

-Grabar imágenes hasta alcanzar el valor de la saturación de la cámara. Si la fuente de luz utilizada no ha sido excesivamente brillante, se habra conseguido realizar la última imagen de la serie con un tiempo de exposición relativamente largo, superior a 1 minuto.

-Construir la gráfica de linealidad, utilizando algún programa de hoja de cálculo.

-Observar en él si se muestra un valor de cuentas en el cual se produzca alguna inflexión.

Gráfica de linealidad de la cámara CCD Starlight MX516 del Observatorio de Sant Geravasi, mostrándo una excelente respuesta. No obstante se aprecia una ligera inflexión en la zona próxima a las 45000 cuentas, por lo cual no es aconsejable superar este valor en aquellos píxeles que se utilizarán para realizar fotometría o astrometría. La imagen que alcanzó el límite de saturación fue de 250 segundos.
¿Cuál es el tiempo óptimo de refrigeración previo?

Para cualquier tipo de trabajos con las cámaras CCD, es muy importante evitar al máximo la agitación térmica interior a fín de minimizar los efectos de los no deseados "fotones infrarrojos". Es por ello que suelen estar equipadas con dispositivos de refrigeración tipo Peltier. Algunos fabricantes permiten el control de éste dispositivo en sus CCD mediante el software, resultando así muy sencillo saber cuándo se ha alcanzado una temperatura interior estable. Sin embargo, en otros modelos el circuito Peltier comienza a actuar en el mismo instante en que la cámara es conectada a su fuente de alimentación, sin mostrarse en la pantalla del monitor ninguna información sobre la temperatura. Este es el caso de la Starlight MX 516.

Evidentemente no podemos comenzar a realizar imágenes fotométricas hasta que no se logra esa temperatura interior estable. Sin su monitorización resulta complicado determinar ese tiempo de espera, con lo cual corremos el riesgo de dilatarlo en exceso (¡cómo nos cuesta esperar de brazos cruzados!). Es además muy posible que éste tiempo no sea el mismo cuando la temperatura ambiental sea alta en verano o fría en invierno.

No obstante, podemos determinarlo con otro sencillo ensayo:

- Con la cámara CCD sin conectar, obturar la entrada de luz al telescopio de igual forma que realizamos nuestros "dark frames".

- Conectar la cámara e inmediatamente comenzar a tomar y grabar imágenes con un tiempo de exposición siempre igual. En el ejemplo fueron de 30 segundos. Espaciar las imágenes entre sí unos 2 minutos y mantener la secuencia durante más de una hora.

-Realizar una gráfica en la cual se muestre el TIEMPO TRANSCURRIDO en el eje X y el NUMERO DE CUENTAS PROMEDIO en el eje Y. Se observará cómo el número de cuentas promedio va disminuyendo progresivamente (conforme la cámara se va perdiendo temperatura interior) hasta llegar a un punto en el cual se estabiliza. El tiempo transcurrido indicado en ese punto es el que deberemos dejar refrigerar nuestra cámara antes de comenzar la sesión de trabajo.

-Paralelamente y aprovechando las mismas imágenes que acabamos de realizar, podemos construir otra gráfica donde en lugar de indicar en el eje Y el NUMERO DE CUENTAS PROMEDIO introduciremos el valor de la DESVIACION ESTANDAR de cada imágen (parámetro también habitual en los programas de control de las cámaras). De esta forma visualizaremos cómo disminuye la dispersión conforme baja la temperatura.

- Es importante realizar este ensayo con temperaturas ambientales diferentes (verano / invierno) y comparar los resultados.

Gráfica realizada para verificar el tiempo óptimo de refrigeración de la cámara CCD Starlight MX 516 del Observatorio de Sant Gervasi, con temperaturas ambientales de 20ºC (azul) y 3ºC (violeta), visualizando el promedio de cuentas de las imágenes "dark frame". A 20ºC es necesario refrigerar la cámara durante 18 minutos hasta alcanzar estabilidad, mientras que a 3ºC prácticamente se puede comenzar a trabajar desde el momento de la conexión a la fuente de alimentación.

 

Gráfica realizada para verificar el tiempo óptimo de refrigeración de la cámara CCD Starlight MX 516 del Observatorio de Sant Gervasi, con temperaturas ambientales de 20ºC (azul) y 3ºC (violeta), visualizando la desviación estándar de las imágenes "dark frame". A 20ºC es necesario refrigerar la cámara durante 15 minutos para que la desviación estándar baje de 40 sigmas. A 3ºC de temperatura ambiental, la desviación estándar es estable a unas 23 sigmas desde el momento de la conexión.

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