ADQUISICIÓN de imágenes astronómicas con cámaras dslr Sergi Verdugo Martínez http://www.astrophoto-sv.com II Jornadas Astronómicas en Planes de Son 25 de Junio de 2011

Adquisición de imágenes astronómicas con DSLR 13/04/2017 CÁMARAS DSLR vs CCD Eficiencia cuántica: las cámaras CCD son mas eficientes que las DSLR KAF-3200: 14.85mmx10.26mm, KAF-8300: 17.96mmx13.52mm, APS-C: 22.3mmx14.9mm Area APS-C: 118% mayor que el área del KAF-3200 Area APS-C: 37% mayor que el área del KAF-8300 Fuente: Christian Buil y SBIG. La eficiencia cuántica de las cámaras DSLR está medida con el filtro infrarrojo original. Sergi Verdugo Martínez, Planes de Son, Junio 2011

CÁMARAS DSLR vs CCD Eficiencia cuántica: las cámaras CCD son mas eficientes que las DSLR Eficiencia cuántica agregada en tomas RGB, incluyendo el factor geométrico de la matriz de Bayer. QE DSLR entre 2.5 y 3 veces menor que el KAF-8300 a lo largo del espectro QE DSLR entre 3.5 y 5 veces menor que el KAF-3200ME a lo largo del espectro

CÁMARAS DSLR vs CCD Eficiencia cuántica: las cámaras CCD son mas eficientes que las DSLR Para sacar color con una cámara CCD monocromática, es necesario hacer exposiciones separadas con filtros que dejan pasar las bandas del espectro que corresponden al rojo, verde y azul (RGB). Esto significa que la eficiencia cuántica efectiva se reduce a aproximadamente 1/3. Además la transmitancia de los filtros nunca llega a ser del 100%. Fuente: Astrodon Cuando se hacen exposiciones RGB, la diferencia de rendimiento entre una cámara CCD y una cámara DSLR se reduce drásticamente. En cambio en exposiciones de luminancia o de banda estrecha, las diferencias en la eficiencia cuántica son muy significativas.

CÁMARAS DSLR vs CCD Corriente oscura: un sensor CMOS produce mucha menos corriente oscura que un sensor CCD a la misma temperatura de trabajo. DSLR MODELu Dark current @ 22ºC CANON 40D 0.13 e-/s CANON 50D 0.06 e-/s CANON 5D 0.63 e-/s CANON 5D MarkII 0.12 e-/s Fuente: Christian Buil El ruido térmico se puede modelar con la distribución de Poisson a partir de la corriente oscura y equivale a la raíz cuadrada del número medio de electrones “oscuros” acumulados por píxel. No depende del parámetro ISO. En los sensores CCD la refrigeración es imprescindible para no degradar la SNR a causa del ruido térmico. En los sensores CMOS no es un factor tan determinante, particularmente en los últimos modelos. Fuente: SBIG Fuente: SBIG

CÁMARAS DSLR vs CCD Corriente oscura: un sensor CMOS produce mucha menos corriente oscura que un sensor CCD a la misma temperatura de trabajo. Canon 350D con sensor a -5ºC: En un dark de 6 minutos a ISO 1600, sólo hay de promedio 3.76 cuentas mas que en un bias. Teniendo en cuenta la ganancia (0.6e-/ADU), la corriente oscura es 0.0062e-/s.

CÁMARAS DSLR vs CCD Ruido de lectura: el ruido de lectura es mas bajo en las cámaras DSLR si se trabaja con ISO alta. Fuente: SBIG y Christian Buil En las DSLR el ruido de lectura medido en e- RMS es diferente según la ISO seleccionada. Menor cuanto mayor la ISO.

CÁMARAS DSLR vs CCD Ruido de patrón fijo: es mucho mayor en las cámaras DSLR debido a que cada pixel tiene su propio amplificador, mientras que en el caso de las cámaras CCD hay un único amplificador externo al sensor. El ruido de patrón fijo en las DSLR tiene componentes aditivas y componentes multiplicativas: Las componentes aditivas se eliminan calibrando las exposiciones con un masterdark elaborado a partir de darks hechos en las mismas condiciones que las tomas de luz. Las componentes multiplicativas se eliminan calibrando con un masterflat. Estas componentes cada vez son menos relevantes a medida que madura la tecnología y hoy día hay menos diferencia entre CMOS y CCD. Profundidad de muestreo: los sensores CMOS actuales tienen 14 bits, los antiguos 12 bits, mientras que los sensores CCD tienen 16 bits. Esto dota a las CCDs de mayor versatilidad, posibilitando que se expongan correctamente las bajas luces con mucha menos saturación por las altas luces. Se puede paliar combinando exposiciones de larga y corta duración.

CÁMARAS DSLR vs CCD Blooming: los sensores CMOS no tienen este problema. Los sensores CCD pueden paliarlo a costa de reducir su eficiencia cuántica y la linealidad en su respuesta. Blooming en imágenes CCD Las mediciones que he hecho con mi Canon 350D muestran una linealidad total en su respuesta hasta llegar a la saturación.

CÁMARAS DSLR vs CCD Conclusiones: -Las cámaras DSLR actuales sin el filtro IR original tienen gran potencial para astrofotografía artística y son una solución ideal para aficionados sin observatorio fijo por su simplicidad, que permite maximizar el tiempo de exposición acumulada por noche. -Son menos eficientes que las CCD, pero en exposiciones RGB esas diferencias son mucho mas pequeñas y hay que considerar el tamaño del sensor también. Un sensor APS-C tiene una superficie de captación 2.18 veces mayor que un sensor KAF-3200ME y 1.37 veces mayor que un KAF-8300. Buscando ópticas adecuadas su gran sensor nos sirve para compensar diferencias. -Las cámaras DSLR no son adecuadas para exposiciones con filtros estrechos. La matriz de Bayer hace que sean muy poco eficientes en estas exposiciones, si bien en Halfa se pueden conseguir resultados aceptables con largos tiempos de exposición acumulada. -En lo que respecta a fuentes de ruido añadidas por las propias cámaras, las DSLR modernas están a la altura de las CCDs a pesar de carecer de refrigeración.

INGREDIENTES PARA CONSEGUIR UNA BUENA FOTO ASTRONÓMICA -Elección de lugar y noche adecuados -Elección adecuada del objeto: época del año, altura en el cielo, tiempo disponible, etc -Encuadre acertado para el objeto -Buena puesta en estación. -Buen enfoque inicial y revisión del mismo a lo largo de la noche -Buen guiado -Parámetros adecuados de exposición y acumular el mayor tiempo posible -Hacer tomas de calibración: bias, darks y flats.

COSAS A HACER EN CASA, ANTES DE SALIR AL CAMPO

ELECCIÓN DEL OBJETO A FOTOGRAFIAR -Debemos acudir al campo con la planificación de nuestra sesión completamente realizada. La elección del objeto a fotografiar la haremos antes. -Adecuado para nuestra óptica/cámara: estudiar resultados de otros astrofotógrafos -Adecuado para la época del año. Debemos estudiar las horas de exposición que tendremos disponibles y la ubicación del objeto al principio y final de la sesión. -Debemos prever cuando habrá que hacer el cambio de meridiano

ESTUDIO DEL ENCUADRE -El encuadre también lo estudiaremos con antelación. En el campo no hay tiempo que perder. -Los programas planetario permiten configurar el campo captado por nuestra cámara con la rotación que aplicaremos, mostrándolo sobre la carta celeste. En esta imagen vemos el campo captado por una DSLR con sensor APS con un objetivo de 180mm (7.1º x 4.7º) y aplicando una rotación de 0º. He puesto una marca en el centro del campo que será la referencia para hacer “goto” en el campo.

ELECCIÓN DE UBICACIÓN Y NOCHE -El fondo del cielo es la mayor fuente de ruido en las imágenes astronómicas y la causa de que estas pierdan contraste. -Elegiremos un lugar lo mas oscuro posible para minimizar el ruido y maximizar el contraste. -Preferiblemente en altura para evitar las capas bajas de la atmósfera que contienen mucho polvo en suspensión que reduce la transparencia. A tener en cuenta que en los valles suele haber mayor humedad que en las partes altas de las montañas. -Elegiremos una noche en luna nueva. La luz de la Luna causa el mismo efecto que un cielo polucionado lumínicamente, añade ruido a las imágenes y estas pierden contraste. -Tendremos en cuenta la previsión meteorológica y de seeing. Si planeamos disparar a alta resolución el seeing es un factor importante

COSAS A HACER EN EL CAMPO

PUESTA EN ESTACIÓN -Imprescindible una buena puesta en estación para evitar rotación de campo y la degradación de las imágenes que esta produce -Si se hace únicamente con el buscador de la polar de la montura hay que asegurarse que éste esté muy bien colimado con el eje de AR. -Es recomendable usar algún software que permita afinar la puesta en estación lograda con el buscador de la polar, por ejemplo EQAlign

ENCUADRE ¿cómo aseguramos en el campo el encuadre previsto? -Al montar la cámara en el telescopio aplicaremos la rotación calculada previamente. -Necesitamos montura con goto y controlada desde el PC por software planetario. -Utilizaremos la función liveview de nuestra cámara o la imagen de la cámara guía. Utilizaremos 2 o 3 estrellas para sincronizar el apuntado de nuestra montura antes de hacer el goto a la posición marcada en la carta. Conveniente que la primera estrella sea muy brillante y fácilmente identificable a simple vista.

ENFOQUE -Es un factor imprescindible para conseguir fotos de calidad. -Debemos dedicar el tiempo necesario para un buen enfoque inicial y para su revisión a lo largo de la sesión si hay cambios de temperatura. -Debemos usar algún sistema de asistencia al enfoque, no hacerlo a ojo: Sistemas de enfoque motorizado totalmente automático: no es mi opción preferida para un aficionado sin observatorio ya que usamos configuraciones diferentes y requiere de elaboración de curvas V hechas con las misma configuración. Enfoque con asistencia de software de enfoque (medida de FWHM). Utilizo esta opción cuando disparo con objetivos (resoluciones por píxel bajas). En focales mayores sólo lo recomiendo si se dispone de enfocador motorizado. Enfoque mediante máscara de Bahtinov. Es mi opción preferida con focales medias o largas, independientemente de si se dispone de enfocador motorizado o no. Garantiza un enfoque preciso en muy poco tiempo y es bastante mas inmune a los cambios de seeing.

AUTOGUIADO -Es lo que nos permite tener estrellas puntuales en nuestras imágenes compensando los errores de seguimiento de nuestra montura debidos a imprecisiones mecánicas o puesta en estación c0n cierto error. -Hay mucho software que permite autoguiar nuestra montura. Destaco “PHD Guiding” por su simplicidad y efectividad, aunque hay que combinarlo con un software de captura que permita dithering: Nebulosity, Astrophotography Tool o BackYard EOS. -Dithering: es un pequeño desplazamiento entre exposiciones. Sirve para hacer que los hotpixels y eventualmente otros componentes del ruido de patrón fijo no estén siempre en la misma posición respecto al motivo fotografiado. Combinado con algoritmos de rechazo en la integración de las exposiciones es una técnica muy efectiva para mejorar nuestras imágenes.

EXPOSICIÓN Sabemos que necesitamos acumular el mayor tiempo posible de exposición, pero ¿cómo lo hacemos? ¿Con muchas exposiciones de tiempo moderado? ¿Con pocas exposiciones de larga duración? ¿A qué ISO exponemos? Primero fijémonos en la ecuación que modela la relación señal ruido en astrofotografía:

EXPOSICIÓN El tiempo óptimo de exposición será aquel a partir del cual el peso del ruido de lectura respecto al ruido total en la imagen sea menor del 5%. A partir de la fórmula de la relación señal/ruido podemos deducir este tiempo, que es: Si asumimos el caso mas favorable: Eobj=Iosc=0, entonces podemos simplificar y la fórmula queda: Con mi refractor que trabaja a f5 y mi Canon EOS 350D trabajando a ISO 800 con un filtro antipolución lumínica IDAS LPS P2, en el cielo de Àger sale un tiempo óptimo de exposición de 669s. (Rlec=4,9e- RMS y Ecielo∙QE=0,35e-/px∙s)

Fuente de los datos de ruido de lectura y ganancia: Roger N. Clark EXPOSICIÓN Relación de tiempos óptimos de exposición en función del flujo del cielo y de la ISO seleccionada: Fuente de los datos de ruido de lectura y ganancia: Roger N. Clark A ISO 800 tenemos el mejor compromiso entre tiempo óptimo de exposición y rango dinámico disponible. En mi opinión es la ISO óptima en la Canon 350D.

EXPOSICIÓN Comparación de la evolución de la relación señal ruido exponiendo a ISO 100 y a ISO 800 en las mismas condiciones con una Canon 350D: Datos usados: Flujo cielo=0,81 e-/s Flujo objeto=0,1 e-/s Corriente oscura=0,25 e-/s Tiempo óptimo de exposición a ISO 100 = 1 hora 5 min (ruido lectura 21.6 e- RMS) Tiempo óptimo de exposición a ISO 800 = 3 min 22 s (ruido lectura 4.9 e- RMS)

EXPOSICIÓN Comparación de la evolución de la relación señal ruido exponiendo a ISO 800 con tomas de 5 minutos y tomas de 20 minutos: Datos usados: Flujo cielo=0,81 e-/s Flujo objeto=0,1 e-/s Corriente oscura=0,25 e-/s Tiempo óptimo de exposición a ISO 800 = 3 min 22 s (ruido lectura 4.9 e- RMS)

EXPOSICIÓN Conclusiones: -Exposiciones mas largas del tiempo óptimo no aportan a penas ningún beneficio práctico, a no ser que implique un tiempo tan corto que obtengamos un número inmanejable de tomas. -Exposiciones mas cortas del tiempo óptimo degradan la RSR final de la imagen integrada respecto a la que podríamos obtener con el mismo tiempo total de integración con exposiciones de duración igual o superior al tiempo óptimo calculado. -Las ISOs altas en general nos garantizan mejores resultados que las ISOs bajas. Pero el parámetro de ISO óptimo para cada cámara puede ser diferente. Debemos buscar el que nos garantiza el mayor rango dinámico disponible para su tiempo óptimo de exposición y que nos ofrezca un tiempo óptimo de exposición razonable.

TOMAS DE CALIBRACIÓN -Es imprescindible sacar tomas bias y flat. Y altamente recomendable sacar tomas dark también. -Es importante sacar los dark en las mismas condiciones de temperatura que se sacaron las tomas de luz. Esto es complicado en las DSLR estándar puesto que no disponen de control de temperatura. Sin embargo las DSLR de última generación facilitan la información de la temperatura del sensor en los datos EXIF -Las tomas de calibración se necesitan en número muy elevado, para evitar que introduzcan ruido en las imágenes. En lo posible, mas de 50 tomas de cada tipo.