miércoles, 7 de noviembre de 2012

RESPUESTA LINEAL DE UN CHIP CCD REFRIGERADO

Cuando utilizamos nuestra cámara CCD para fines de fotometría -y no para astrofotografía- es interesante, y casi diría imprescindible- realizar una prueba de linearidad.
¿Y qué es la linearidad?
Básicamente, el chip de la CCD consiste en un dispositivo de captura de fotones dispuestos en una malla o celda. Cada fotón que incide sobre éste genera una señal y entrega al ordenador que "lee" la información un valor denominado ADU. Este valor tiene unos límites. En el caso de un CCD de 16 bits, el valor máximo de ADUs es de 2 elevado a 16, es decir, 65.536 cuentas. Lo que pretendemos ver es si esta respuesta es lineal, es decir, si elevando el número de fotones captados (lo que se hace aumentando el tiempo de exposición) la respuesta es proporcional linealmente.
Pero esto que en apariencia debiera ser fácilmente alcanzable, resulta que viene limitado por la estructura del mismo dispositivo. Para captar estos fotones, el dispositivo consta de una serie de "pocillos" que se llenan de fotones. En los sistemas actuales, estos pocillos se desbordan al llegar a su capacidad máxima de almacenamiento (la denominada Full Well Capacity) que varía de CCD a CCD, e incluso, antes de llegar a este límite, las interacciones electrostáticas hacen que se llegue a este límite mucho antes.
Este efecto es más evidente en la parte alta de intensidades, y marca un límite donde nuestra CCD deja de ser lineal, y por lo tanto, ya no es útil para fotometría. Es lo que denominamos un objeto "saturado". Como veremos más adelante, en otra entrada futura, un objeto saturado nos va a dar muchos problemas, siendo uno de ellos el que no sea válida su fotometría.
Pero, lo mismo que es válido en intensidades altas, puede pasar en intensidades bajas. Y esto ocurre con bastante frecuencia: hay que tener en cuenta que muchas veces medimos -o tratamos de medir- objetos muy tenues con una SNR muy baja y pocas cuentas de intensidad.
Y, por añadidura, tendremos que contemplar esta respuesta lineal de la cámara tanto en Bin 1x1, como en Bin 2x2. Aunque, por elección, el Bin 2x2 es más aconsejable por su mayor sensibilidad y mayor SNR, veremos que puede llevar a unos resultados engañosos.
Antes que nada quiero agradecer a Julio Castellano Roig sus consejos y su estudio sobre el que he basado este trabajo:

Para empezar, debemos enfocar la CCD a una fuente uniforme de luz, y una vez realizadas las tomas calibrarlas convenientemente con sus flats y bias correspondientes. Mediremos el promedio de píxeles y elaboraremos una tabla con los resultados, tanto en Bin 1x1 como en Bin 2x2. Todos los resultados están basados en el Chip Sony ICX285AL de la cámara Atik 314L refrigerada -10º sobre la temperatura ambiente, esperando 25 minutos desde su conexión para que alcanzara el Duty Cicle de enfriamiento el Peltier.

Este es el resultado en Bin 2x2.


Y este el resultado en Bin 1x1, en el primer tramo:


Y en el segundo tramo:


El intervalo de tiempo para ambos modos de Bin fueron de 0,5 segundos.
Podemos, a primera vista, extraer varias conclusiones.
En principio la CCD parece lineal en Bin 2x2 hasta el límite teórico, al igual que en Bin 1x1.  En Bin 1x1, si nos fijamos detenidamente, en las primeras exposiciones hay un pequeño desvío de la linearidad teórica, pero luego la curva es, en apariencia, perfecta.
Sin embargo, una duda nos asalta. ¿Realmente, en este caso, midiendo de esta manera, podemos estar seguros de que la cámara es completamente lineal? De hecho, personalmente, al realizar fotometría a Bin 2x2 con intensidades elevadas, los resultados fotométricos a veces no eran muy precisos en mis medidas.
De esta forma, realizaremos la gráfica de otra manera: esta vez, dividiremos los ADUs obtenidos en las medidas por el tiempo de exposición, y los confrontaremos contra intensidad. Y veremos que nos llevaremos una sorpresa.
Esta es la gráfica a Bin 2x2:


Aproximadamente a 50.000 cuentas, la linearidad cae en picado. Es decir, la CCD en modo Bin 2x2 es lineal, y por lo tanto últil en fotometría, sólo hasta el rango de las 50.000 cuentas aproximadamente. Si  nos hubiéramos sólo por la primera gráfica de linearidad, podríamos haber pensado que en este modo la CCD era perfectamente lineal hasta las 65.536 cuentas. Ahora sabemos que esto no es así.
¿Y que ocurre a Bin 1x1? Si analizamos la primera parte de la nueva curva, obtenemos esto:


Hasta prácticamente las 15.000 cuentas, la CCD no es lineal, o lo que es lo mismo, en los primeros tiempos de exposición rápidos, posiblemente por efecto del obturador electrónico, la cámara no responde linealmente. Esto es importante. Si tomamos, por ejemplo, medidas de fotometría de variables muy brillantes con tiempos de exposición muy pequeños cuya intensidad no alcance por encima de 15.000 cuentas, tenemos muchas posibilidades de que no obtengamos una buena linearidad en las imágenes. Hablamos de tiempo de exposición entre 0,001s a 0,401s. Esta misma respuesta se da a Bin 2x2, pero menos evidente, entre los mismos tiempos de exposición 0,001 y 0,401s. No hay duda de que se trata del efecto del obturador electrónico en este CCD. Sin embargo, la cámara si presenta un rango mayor de linearidad hasta las 65.536 cuentas a Bin 1x1.


Así que podemos extraer varias lecciones de este experimento:
A Bin 2x2 tendremos que tener cuidado conque los objetos no saturen por encima de 40.000 cuentas a nivel general, ni que el tiempo de exposición caiga por debajo de medio segundo en términos generales.
A Bin 1x1, por contra, la respuesta lineal es la esperada hasta las 65.536 cuentas, pero siempre teniendo en cuenta también el efecto del obturador electrónico en exposiciones por debajo de 0,5 segundos.
Estas consideraciones hay que tenerlas presente cuando realicemos fotometría. Es evidente que si con poca exposición tenemos un objeto que fácilmente satura, es aconsejable desenfocar para que la intensidad total disminuya (ya que vamos a distribuirla por mayor área al desenfocar) y podemos, a la vez, subir el tiempo de exposición. Para Astrometría o Interferometría Speckle para estrellas dobles, por ejemplo, (dentro de las posibilidades de que disponemos) estos factores no influyen de manera tan determinante.
Esto lo trataremos en una entrada futura.
Saludos









2 comentarios:

  1. Magnifica entrada Paco, me gustaría que empezaramos a plantear unas charlas específicas sobre este tema, CCDs y fotometría, para su aplicación luego a la observación de variables y otros objetos.
    Como siempre , un placer leerte ... y escucharte.

    Plegue

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    1. Gracias Plegue!
      Sería muy interesante, porque hay que conocer muy bien los equipos que se manejan, y a veces, uno se lleva gratas sorpresas.
      saludos!

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