jueves, 30 de agosto de 2012

ESTUDIO DE DARK Y BIAS CON CAMARAS REFRIGERADAS CCD


 Bueno, con esta entrada comienza una serie de estudios que me he propuesto hacer, de cara, sobre todo, a conseguir una buena caracterización de los medios de los que dispongo, para realizar fotometría de calidad.
El tema es peliagudo, y casi se necesita un libro, pero quiero compartirlo con vosotros porque, al margen de los números y resultados, pienso que es un sistema muy válido para ver hasta dónde los equipos pueden llegar, y, sobre todo, poner en tela de juicio ciertas técnicas de calibrado que se dan por válidas -y que, recordemos, eran cuando las CCD disponibles ni tenían los niveles de eficiencia que actualmente se consiguen.
Mientras no se diga lo contrario, las pruebas están hechas con una Atik 314L. Chip Sony ICX285AL. Refrigerada -20 grados por debajo de ambiente, sin posibilidad de especificar la temperatura -es decir, yo no le puedo decir a la cámara que se ponga a -15 grados....-. Todas las pruebas se han hecho a bin 2x2, por varias razones: menos ruido, más rapidez, y en mi óptica da el límite del seeing típico en mi cielo (alrededor de 2,5 seg/píxel).

Bien, la primera cuestión, y más obvia es, ¿realmente, cuándo comienza a ser efectiva la refrigeración del Peltier?.
Tengamos en cuenta que el Peltier entra en funcionamiento y lucha contra un gradiente de temperatura al principio. Se produce un pequeño ciclo hasta que se estabiliza -tradicionalmente, se denomina Duty Cicle- que es el 90% del valor máximo que alcanza de refrigeración. ¿Cuando se produce éste?
Es bastante fácil hacerlo: tomamos una serie de darks de duración 60 segundos sin refrigerar, activando la refrigeración -al menos 50 minutos- y luego desactivando la refrigeración -para ver la "resilencia" a alcanzar de nuevo la temperatura ambiente, para prevenir el shock térmico de desconectar directamente la CCD.
Para medir los ADU´s (cuentas) he utilizado una medición de área de 400x400 píxel en Maxim DL V5, apuntando el valor AVERAGE (Promedio) de esta área que daba la ventana de información. Puede utilizarse cualquier otro programa que haga lo mismo.
Adjunto la curva,



Como puede observarse, los tres primeros minutos no hay refrigeración. En el comienzo del minuto 4 se activa, y hasta el minuto 11 no llega al punto máximo de refrigeración (tarda más o menos 6/7 minutos) y alcanza realmente el Duty Cicle en el minuto 29, con oscilaciones de menos de 0,11% en el número de ADUS.


Así, que la primera lección que extraemos es: no debemos de realizar tomas (ni bias, ni darks, ni lights, los flats son otra cosa) antes de, al menos, la primera media hora desde que activamos la refrigeración de la cámara. ¿Porqué?
Veamos el caso en que queremos hacer tomas lights. Lo normal es tomar algunos darks al principio, tomas lights, y darks al final.
Si -y he hecho los cálculos- realizamos el master darks adquiriendo TODOS los darks (desde el principio al final) o sólo los darks en el Duty Cicle, la diferencia, dependiendo el método utilizado para el máster darks puede llegar a un 33% más de ruido del primer caso con respecto al segundo. Por lo tanto, veremos que, seguramente, en las imagenes tomadas cuando el Duty Cicle es operativo hay significativamente más ruido que en las primeras (que realmente sí tienen más ruido).
Os pongo un gráfico en el que se han obtenido los máster dark, bien tomando todos, bien tomando sólo los del Duty Cicle. Curiosamente, la opción mediana es la que menos desajustes obtiene.



Aquí podemos extraer, en principio, otra lección: puede que el mejor método de obtener máster dark sea MEDIAN, cuando no sabemos exactamente el ciclo de refrigeración o simplemente hay muchas variaciones en la temperatura durante la sesión. Es importante no NORMALIZAR el fondo, ni calibrar con BIAS. El máster ya lleva implícito el ruido del BIAS.
En cuanto a cuál es el Máster Dark y el método más efectivo, sinceramente, no he encontrado diferencias significativas. Sólo hay que tener en cuenta lo siguiente -a falta de realizar las pruebas en la calibración de tomas light, que todavía no he realizado-: en los darks pueden aparecer marcas de rayos cósmicos y hots píxels. Estos últimos son bien resueltos mediante algoritmos de rechazo, pero los rayos cósmicos lo son mucho mejor mediante Median. No obstante, dejo las conclusiones para más adelante.

Bien, y cuánto tarda la cámara en "recuperar" el valor normal sin refrigerar. La respuesta es bastante rápido: unos 5 minutos:



Por lo que es interesante esperar 5 minutos antes de desconectar la cámara tras desconectar la refrigeración. Ojo, estas pruebas están hechas a la temperatura actual de verano. Estoy seguro que cambiarán, dramáticamente, en invierno.

Bien, hay otra pregunta inquietante: ¿son realmente necesarios los dark frames en las tomas de cámaras refrigeradas, o añaden más ruido?
Para calcularlo, tomamos, ya en el Duty Cicle -recordemos, con la refrigeración estabilizada- 60 bias y, de la misma manera que la anterior, anotamos los ADUs:




Vemos que aunque tiende a subir ligeramente, se mantiene estable dentro de un rango de +/- 0,1%.
Pero, quizás, lo más interesante de todo, es que los ADU´s de un Máster Dark de 60 segundos, son prácticamente los mismos que un Bias....


DARK/BIAS
BIAS AVERAGE251,3460,99231325
BIAS MEDIAN251,2850,9927191
BIAS SIGMA CLI251,3280,99240674


Es decir, que, en principio, y en base a los cálculos realizados, no merece la pena realizar darks (que,además, tienen más probabilidades de acumular hot píxels y rayos cósmicos) que calibrar simplemente con un máster bias (habiendo tomado un buen número para que sea estadísticamente significativo). Es más, uno podría pensar que las tomas light también acumulan hot píxels y rayos cósmicos, pero los algoritmos de rechazo y el dithering se encargarán de reyectarlos...si calibramos con darks es más probable que simplemente aparezcan más.
Continuará.

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