Taller de Fotometría Diferencial Sensores digitales Grupo de Astrometría y Fotometría (GAF) - 2015.

Taller de Fotometría DiferencialSensores digitales

Grupo de Astrometría y Fotometría (GAF) - 2015

Antecedentes

Fotografía analógica: basada en procesos químicos. Desde fines del siglo XIX se aplicó a la Astronomía.

Fotómetro de selenio:  basado en la propiedad del metaloide de variar su resistencia eléctrica, según la luz incidente.

Fotómetro fotoeléctrico: basado en el efecto fotoeléctrico. Desde mediados de siglo XX y hasta la década de 1980.

Fotografía digital: surge en la década de 1980.

Efecto fotoeléctrico

Principio: al incidir un fotón sobre una placa de metal, un átomo de la placa se excita al absorber la energía del fotón y emite un electrón.Cantidad de electrones: El número de electrones producidos, es proporcional a la cantidad de fotones recibidos.

Sensor digital

Sensor digital: matriz de pequeñas placas (pixeles) de silicio. Cada pixel mide la luz de un punto del paisaje.Ordenamiento: Los pixeles están ordenados en una matriz rectangular, en filas y columnas.Tamaños: los pixeles miden unos pocos micrones. El sensor suele medir unos pocos centímetros (a veces: menos de 1cm).CCD: Es un diseño de sensor digital inventado en 1969, de gran aplicación en Astronomía.

Exposición

Inicio de la exposición: los pixeles deben estar vacíos.

Durante la exposición: los fotones que impactan en el sensor, liberan electrones que son capturados por un borne positivo que los almacena.

Fin de la exposición: se cierra el obturador. Termina la generación de electrones.

Tiempo de exposición: es el tiempo transcurrido entre la apertura y el cierre del obturador.

Digitalización

Lectura: de cada pixel se lee una señal analógica en forma de tensión (dif. de potencial) proporcional al número de electrones.

Conversor analógico-digital (CAD): transforma la señal analógica en una señal digital, según una escala de números enteros.

Matriz digital: las señales digitales se ordenan en una cuadrícula ordenada de idéntica manera al sensor. Cada casilla contiene un número entero.

Cuentas: son los escalones o niveles de la escala. También se las llama ADUs (unidad analógica-digital, en inglés).

Rango dinámico

Rango dinámico: es el rango de valores digitales capaz de detectar la cámara digital.

Cámaras de 8 bits: 256 escalones (0 a 255 cuentas).

Cámaras de 16 bits: 65536 escalones (0 a 65535 cuentas).

Precisión fotométrica: se logra con cámaras de gran rango dinámico.

Escala de grises

Escala de grises: en lugar de visualizar la matriz de números, se reemplazan esos números por tonos de grises. Extremos: El blanco es el 0 y el negro el valor más alto de la escala digital. Grises: Corresponden tonos de grises más oscuros a números más altos.

Eficiencia cuántica

Eficiencia cuántica: es la proporción de fotones -convertidos en electrones-, efectivamente detectados por el sensor digital.Longitud de onda: La eficiencia cuántica varía con la longitud de onda.Curvas de eficiencia cuántica: muestran la sensibilidad para diferentes longitudes de onda.

Ventajas y desventajas de la fotografía digital

Sensibilidad: 70% en detector digital 2% en películas fotográficas.

Defectos: Facilidad para corregirlos por medios informáticos.

Archivo adjunto de datos: la fecha, la hora y otra información.

Imágenes visibles al instante: no requiere de revelados.

Desventaja: áreas reducidas de los sensores digitales.

Formato FIT

• Permite el almacenamiento, transmisión y procesamientos de imágenes.

• Guarda un “encabezado” o header con información sobre la imagen y sobre todos los procesos que la modifiquen.

• Otros contenidos del encabezado: la fecha, la hora, el tiempo de exposición, el tamaño del detector, el binning utilizado, etc.

Sensor CCD

Matriz de pixeles: con los detectores de luz y un obturador.Registrador: recibe señales de líneas de píxeles.Amplificador: agrega una pre-carga y amplifica la señal.Conversor Analógico-Digital: transforma la señal analógica a señal digital según una escala determinada.Refrigeración: el ruido electrónico aumenta con la temperatura, por ello el sensor debe ser refrigerado.

Sensor CMOS

Características: El registro y amplificación se hace en el mismo pixel. El conversor está en el mismo chip. Ventajas sobre el CCD: no tiene blooming, tiempos de lecturas muy pequeños, más económicos.Desventajas: el pixel tiene no sólo el detector, también los componentes electrónicos. Requiere de microlentes, tienen mucho ruido. Baja eficiencia cuántica.

Cámara digital color

Filtros: los pixeles tienen filtros de diferentes colores (rojo, verde y azul) que trabajan simultáneamente, dejando pasar los fotones que vengan en esas longitudes de onda.Combinación: La imagen color se obtiene combinando las imágenes que se obtienen en cada color.

Tiempo de lectura

Lectura: proceso que permite cuantificar la cantidad de luz captada en los pixeles. Se hace entre las capturas de luz.Tiempo de lectura: Es el tiempo entre el cierre del obturador hasta la siguiente apertura.En sensores CMOS: tiempo de lectura muy pequeño. Ideal para observar ocultaciones de estrellas por asteroides.En sensores CCD: tiempo de lectura muy grande. Mayor cuanto más píxeles tenga.

Saturación

Saturación: es la máxima capacidad de almacenamiento de electrones que tiene un pixel.

Estrellas saturadas: Superado ese valor, el pixel no retendrá los electrones que se generen allí, por lo que no serán útiles para fotometría las estrellas que estén saturadas.

Sensores de 16 bits: la saturación se produce cuando el nivel de cuentas es de 65535 cuentas.

Blooming

Pixeles saturados: los píxeles más iluminados no suele estar en todo el detector a la vez. Blooming: ocurre cuando un pixel se satura, los pixeles excedentes migran hacia los pixeles contiguos de la misma columna. La imagen aparece con franjas rectas y largas.

Linealidad

Linealidad: propiedad de los sensores digitales de mantener la proporcionalidad entre la cantidad de fotones que llegan a un pixel y la cantidad de cuentas efectivamente medidas.Límite de linealidad: Antes de llegar a la saturación, se pierde la linealidad. Desde allí, las lecturas obtenidas no sirven para la fotometría.

Offset

Problema: el Conversor Analógico-Digital no detecta señales por debajo de un cierto valor (umbral). Las señales débiles se perderían.

Solución: agrega una pre-carga fija a todas las señales provenientes de los pixeles, llamada offset.

Configuración: las cámaras profesionales ya lo traen configurado. Si no es así, se toman imágenes del menor tiempo de exposición posible con obturador cerrado. Se aumenta el offset hasta lograr señal en las imágenes.

Ganancia

Cantidad de electrones: en un pixel pueden almacenarse cientos de miles de electrones. Con la escala digital almacena sólo ciertos valores, achicando el tamaño de los archivos.Ganancia: es la división entre la cantidad de electrones almacenados y las cuentas leídas. Ganancia ideal: es la división entre la cantidad de electrones en un pixel saturado y las cuentas máximas de la escala digital.Configuración: las cámaras profesionales ya lo traen configurado. Si no es así, se toman imágenes a objetos brillantes que saturen los pixeles. Se modifica la ganancia hasta lograr -en pixeles saturados- las cuentas máximas de la escala.

Ruido

Ruido: son cuentas de la imagen final que no tienen su origen en el objeto que se pretende medir.Ruido térmico: electrones generados por calor liberado por los componentes electrónicos. También “corriente de oscuridad”.Rayos cósmicos: generados por partículas energéticas procedentes del espacio interestelar, que pueden atravesar el silicio del detector. Puntos o rayas cortas y brillantes.Ruido de lectura: producidos por perturbaciones en la transferencia de la carga desde el pixel hasta pasar por el CAD.