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Taller de Fotometría Diferencial
Sensores 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.