RCF-37-1

Prctica 5 Detectores CCDPractice 5 CCD detectors

Brayan del Vallea, Juan David Londoob, Mateo Blandnc

aEstudiante del pregrado de Astronoma, Universidad de Antioquia.bEstudiante del pregrado de Astronoma, Universidad de Antioquia.cEstudiante del pregrado de Astronoma, Universidad de Antioquia.

Recibido 2015; aceptado 2015; publicado en lnea 2015.

ResumenEn este artculo se registrarn las actividades, anlisis y conclusiones realizadas en el marco de la prctica que tuvo como objetivo familiarizarnos con el funcionamiento de los Dispositivos de Carga Acoplada (CCD), utilizados ampliamente en el registro fotogrfico en astronoma. Adicionalmente, se manipul el software IRAF para manipular y analizar datos para la calibracin y reduccin de imagnes astronmicas.

Palabras clave: CCD, ruido.

AbstractThe main objective of this article is to register the activities, analysis and conclusions done within a practice whose main objective was to get to know better the behavior of Charge-Couple Devices CCD, widely used for photographic registry in astronomy. Additionally we used IRAF software to manipulate and analize data for calibration and reduction of astronomical images.

Keywords: CCD, noise.

2009 Revista Colombiana de Fsica. Todos los derechos reservados.

Revista Colombiana de Fsica, vol. 1, No.1 de 2015.

RevColFs, Vol.1 , No 1 de 2015.

Autor principal et al.: Ttulo

* londono.david@gmail.com

2

1. Introduccin

E..

2. Ruido de lectura y ganancia

Para familiarizarnos un poco con los conceptos de Flats, Bias y Dark Currents se tomaron en primer lugar 20 imgenes de Bias rotuladas como biasXB.fit, donde X es un consecutivo. Luego se procedieron a tomar imgenes de Flat-Field para diferentes tiempos de exposicin. Para cada tiempo de exposicin se tomaron 3 imgenes. Estas imgenes se rotularon como FlatsXYF.fit, donde X corresponde al tiempo de exposicin y Y un consecutivo. Usando IRAF identificamos las imgenes con un valor mximo cercano a 15000 cuentas. En la figura 1 se aprecia el resultado del comando imstatistics. Se seleccionaron las imgenes Flats0021F.fit y Flats0022F.fit, y se obtuvieron los valores medios.Dado que la ganancia est dada por la ecuacin 1:

(1)

Usamos las imgenes de bias1B.fit y bias2B.fit y obtuvimos sus valores medios, como se ve en la figura 2.Adicionalmente, es necesario componer dos imgenes nuevas llamadas deltaF.fit y deltaB.fit que corresponden a las restas pixel a pixel de las imgenes Flats y Bias seleccionadas anteriormente. Las imgenes se substraen con la ayuda del comando imarith y se obtiene el valor de sus respectivas desviaciones estndar con el comando imstatistics, como se aprecia en la figura 3. Usando la ecuacin 1 obtenemos un valor para la ganancia de:G = 7.35 [e-/ADU]

Repetimos nuevamente el clculo de la ganancia, pero esta vez reducimos el tamao de las imgenes, removiendo 10 columnas y 10 filas a cada extremo de la CCD. Para lograr esto nos valemos del comando imcopy (figura 4). Las nuevas imgenes recortadas se rotulan con -recortado. Conseguimos los nuevos valores promedio y desviaciones estndar con imstatistics, como se ve en la figura 5, y calculamos la nueva ganancia. Obtenemos: G = 7.10 [e-/ADU]

Esta ganancia es menor que la ganancia original, pues los valores promedio de los Flats se incrementaron.Repetimos nuevamente el proceso, esta vez usando Flats con un tiempo de exposicin diferente al original. La primera ganancia se calcul para tiempos de exposicin de 2 segundos. Esta vez usamos flats con tiempos de exposicin de 5 segundos y obtenemos:G = 2.23 [e-/ADU]

Lo que indica que la ganancia es inversamente proporcional al tiempo de exposicin.A partir de la ecuacin 2, calculamos el ruido de lectura:

(2)

Ya que para el primer escenario G=7.35 [e-/ADU] y (B)=25.58 [ADU] se obtinee que RN= 132.92 [e-].Repetimos la operacin de cculo de G y RN para todas las imgenes de Flat con sus distintos tiempos de exposicin. Los resultados de este procedimiento se observan en la tabla 1. Los datos tabulados en esta se grafican en las figuras 6 y 7.

Tiempo deExposicin[s]Ganancia[e-/ADU]ERN[e-]

129.61535.49

27.35132.92

52.2340.33

101.425.31

201.221.7

301.1220.31

60118.12

1200.9216.68

3000.9817.77

Tabla. 1. Valores de ganancia y ruido de lectura para diferentes tiempos de exposicin.

Previamente encontramos el valor de ERN en unidades de [e-]. Lo podemos convertir en unidades de ADU dividiendo por la ganancia.

Los procedimientos que realizamos anteriormente para calcular la ganancia y el ruido de lectura ya vienen integrados en una tarea del software IRAF. La tarea findgain de IRAF permite calcular estos parmetros para un dispositivo CCD a partir de un par de imgenes Flat y un par de imgenes Bias.Para ejemplificar su uso, utilizamos las mismas imgenes de Flat y Bias y ejecutamos el comando como se aprecia en la figura 8.Si comparamos los valores obtenidos manualmente con los obtenidos mediante el comando findgain vemos que son muy similares, lo que nos indica que el procedimiento realizado es muy similar al mtodo de Janesick usado por IRAF. Ambos valores se observan en la tabla 2.

Clculo manualClculo con findgain

Ganancia (G) [e-/ADU]7.357.45

Ruido de Lectura (RN) [e-]132.92134.6

Tabla. 2. Valores de ganancia y ruido de lectura.

La cmara CCD utilizada en esta prctica es el modelo Orion StarShoot G3 Deep Space Monochrome. Esta cmara utiliza un arreglo de 752 x 582 pixeles y un conversor anlogo digitial ADC con una resolucin de 16 bits. En las especificaciones tcnicas de varios comercializadores de este producto encontramos que los valores de ganancia y ruido de lectura suministrados por el fabricante son:

G=0.79 [e-/ADU]RN= 9 [e-]

Lo que discrepa tanto con los valores del mtodo manual como con los valores obtenidos usando findgain; esto indica que la toma de las imgenes de Flats, Bias y Dark pudo haber sido afectada por un mal procedimiento o por las condiciones ambientales del cuarto, a saber: temperatura elevada, iluminacin excesiva y error humano.

3. Linealidad

4. Dark current

Otro efecto que produce ruido en la seal del CCD es el Dark current. Cuando se est en completa oscuridad, el CCD tambin registra cuentas y se deben a la temperatura del lugar en el que nos encontramos. Para observarlas, tomamos un conjunto de imgenes de diferente tiempos de exposicin (0, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 60, 120 300 segundos) con el obturador de la cmara tapado y con luces apagadas (Dark-frame). Para cada imagen, con el comando imstat de IRAF, tomamos el valor promedio de intensidad de cada una de ellas (figura __). Luego reducimos la temperatura del recinto activando el sistema de aire acondicionado, tomamos la misma cantidad de Dark-frame, pero en esta ocasin a temperatura de 20C. Con IRAF y el comando imstat obtenemos nuevamente los valores promedio de intensidad de las imgenes (figura __). Se tomaron tres fotos por cada valor de tiempo en cada caso. Por cada conjunto de fotos, tomamos una media de las intensidades promedio y graficamos en funcin del tiempo de exposicin (tabla __)

Tiempo de exposicin (s)Promedio de la intensidad a temperatura ambientePromedio de la intensidad a 20C

0475430,1

1476,06426,36

2477,13427,4

5478,93427,13

10482,43427,83

20489,9428,96

30507,6429,43

60507,66432,86

120528,73435,2

300591,96446,73

Tabla __. Tiempo de exposicin de cada foto y promedio de la intensidad media del conjunto de imgenes de cada tiempo y a cada temperatura (ambiente y 20C)

Haciendo una grfica de los promedios contra el tiempo de exposicin (figura __), se ve que la relacin entre el tiempo de exposicin y la intensidad promediada de cada conjunto de imgenes, tiene un comportamiento lineal. Observamos que con el decremento de la temperatura, se obtiene una menor variacin en los niveles medios de la intensidad, tendiendo a ser constante. As, menor temperatura implica un descenso en los clculos debidos a este ruido.

Para el caso de temperatura ambiente, el Dark Current tiene un valor de 0.385 ADUs/pix/seg y para 20C, 0.0639 ADUs/pix/seg. Estas son las respectivas pendientes de cada grfico, siendo el segundo considerablemente menor al primero, lo cual confirma el decremento en el ruido.

4. Conclusiones

La ganancia es una relacin que proporciona informacin acerca del nmero de fotoelectones detectados por el CCD por cada unidad digital ADU. Este valor depende de la amplificacin que se hace de la seal y la resolucin del conversor anlogo-digital del CCD.Los valores de ganancia y ruido de lectura difieren de los valores obtenidos por el mtodo manual, como de los valores obtenidos usando findgain, lo que nos indica que la toma de las imgenes de Flats, Bias y Dark pudo haber sido afectada por un mal procedimiento o por las condiciones ambientales del cuarto, esto es: temperatura elevada, excesiva iluminacin y error humano en la adquisicin de los datos.Los cambios en temperatura afectan considerablemente los valores en el ruido producido por el Dark current. Cuando esta baj, los niveles del Dark disminuyeron en un factor de 10 (a un cambio de aproximadamente __ en la temperatura).

5. Referencias

Orion StarShoot G3 Deep Space Monochrome Imaging Camera. http://www.telescope.com/Orion-StarShoot-G3-Deep-Space-Monochrome-Imaging-Camera/p/101473.uts

6. Anexos

vocl> imstatistics Flats*.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX Flats0011F.fit 437664 674. 42.13 516. 7633. Flats0012F.fit 437664 659.2 43.35 498. 7732. Flats0013F.fit 437664 655. 43.66 494. 7637. Flats0021F.fit 437664 691.3 44.82 543. 14793. Flats0022F.fit 437664 691.7 44.54 540. 14482. Flats0023F.fit 437664 692.6 44.7 541. 14792. Flats0051F.fit 437664 811. 73.77 643. 42338. Flats0052F.fit 437664 821.3 73.44 661. 42000. Flats0053F.fit 437664 804.3 72.52 642. 41496. Flats0101F.fit 437664 982.1 87.29 807. 53423. Flats0102F.fit 437664 954.2 88.43 773. 53193. Flats0103F.fit 437664 1068. 89.34 867. 53408. Flats0201F.fit 437664 1304. 103.6 1073. 58405. Flats0202F.fit 437664 1379. 106.6 1154. 58536. Flats0203F.fit 437664 1333. 104.7 1102. 58465. Flats0301F.fit 437664 1677. 121.5 1366. 56836. Flats0302F.fit 437664 1737. 125.6 1401. 56804. Flats0303F.fit 437664 1751. 126.7 1428. 56663. Flats0601F.fit 437664 2848. 220. 2221. 58457. Flats0602F.fit 437664 2692. 206.2 2096. 58483. Flats0603F.fit 437664 2961. 230.7 2306. 56893. Flats1201F.fit 437664 4634. 392.1 3526. 58769. Flats1202F.fit 437664 4921. 419.2 3686. 58262. Flats1203F.fit 437664 4971. 422.7 3764. 56944. Flats3001F.fit 437664 11390. 1060. 8446. 57879. Flats3002F.fit 437664 11463. 1069. 8457. 59228. Flats3003F.fit 437664 10811. 1002. 7873. 57524. vocl>

Fig. 1. Estadsticas para las imgenes Flat.

vocl> imstatistics bias1B.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX bias1B.fit 437664 477.3 45.96 318. 635. vocl> imstatistics bias2B.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX bias2B.fit 437664 475.4 44.46 329. 625.

Fig. 2. Estadsticas para las imgenes Bias.

vocl> lpar imarith operand1 = "bias1B.fit" Operand image or numerical constant op = "-" Operator operand2 = "bias2B.fit" Operand image or numerical constant result = "deltaB.fit" Resultant image (title = "") Title for resultant image (divzero = 0.) Replacement value for division by zero (hparams = "") List of header parameters (pixtype = "") Pixel type for resultant image (calctype = "") Calculation data type (verbose = no) Print operations? (noact = no) Print operations without performing them? (mode = "ql")

vocl> lpar imarith operand1 = "Flats0021F.fit" Operand image or numerical constant op = "-" Operator operand2 = "Flats0022F.fit" Operand image or numerical constant result = "deltaF.fit" Resultant image (title = "") Title for resultant image (divzero = 0.) Replacement value for division by zero (hparams = "") List of header parameters (pixtype = "") Pixel type for resultant image (calctype = "") Calculation data type (verbose = no) Print operations? (noact = no) Print operations without performing them? (mode = "ql") vocl> imstatistics deltaF.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX deltaF.fit 437664 -0.4369 26.7 -130. 311. vocl>

vocl> imstatistics deltaB.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX deltaB.fit 437664 1.865 25.58 -129. 129. vocl>

Fig. 3. Composicin de imgenes F y B.

vocl> imheader Flats0021F.fit Flats0021F.fit[752,582][real]: vocl> imheader Flats0022F.fit Flats0022F.fit[752,582][real]: vocl> imheader bias1B.fit bias1B.fit[752,582][real]: vocl> imheader bias2B.fit bias2B.fit[752,582][real]:

vocl> imcopy Flats0021F.fit[11:742,11:572] Flats0021F-recortado.fit Flats0021F.fit[11:742,11:572] -> Flats0021F-recortado.fit vocl> imcopy Flats0022F.fit[11:742,11:572] Flats0022F-recortado.fit Flats0022F.fit[11:742,11:572] -> Flats0022F-recortado.fit vocl> imcopy bias1B.fit[11:742,11:572] bias1B-recortado.fit bias1B.fit[11:742,11:572] -> bias1B-recortado.fit vocl> imcopy bias2B.fit[11:742,11:572] bias2B-recortado.fit bias2B.fit[11:742,11:572] -> bias2B-recortado.fit

vocl> imheader Flats0021F-recortado.fit Flats0021F-recortado.fit[732,562][real]: vocl> imheader Flats0022F-recortado.fit Flats0022F-recortado.fit[732,562][real]: vocl> imheader bias1B-recortado.fit bias1B-recortado.fit[732,562][real]: vocl> imheader bias2B-recortado.fit bias2B-recortado.fit[732,562][real]: vocl>

Fig. 4. Composicin de imgenes F y B.

vocl> imstatistics deltaF-recortado.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX deltaF-recortado.fit 411384 -0.4441 26.73 -130. 311. vocl> imstatistics deltaB-recortado.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX deltaB-recortado.fit 411384 1.909 25.57 -128. 129. vocl>

vocl> imstatistics bias*.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX bias1B-recortado.fit 411384 477.4 44.44 318. 627. bias1B.fit 437664 477.3 45.96 318. 635. bias2B-recortado.fit 411384 475.5 43.08 339. 625. bias2B.fit 437664 475.4 44.46 329. 625. vocl>

vocl> imstatistics Flats002*.fit # IMAGE NPIX MEAN STDDEV MIN MAX Flats0021F-recortado.fit 411384 691.7 43.92 559. 14793. Flats0021F.fit 437664 691.3 44.82 543. 14793. Flats0022F-recortado.fit 411384 692.1 43.67 547. 14482. Flats0022F.fit 437664 691.7 44.54 540. 14482. Flats0023F.fit 437664 692.6 44.7 541. 14792. vocl>

Fig. 5. Estadsticas para las imgenes recortadas.

Fig. 6. Grfica de Ganancia versus Tiempo de Exposicin

Fig. 7. Grfica de Error de Lectura versus Tiempo de Exposicin

obsutil> findgain Flats0021F.fit Flats0022F.fit bias1B.fit bias2B.fit FINDGAIN: center = mean, binwidth = 0.1 nclip = 3, lsigma = 4., usigma = 4.

Flats = Flats0021F.fit & Flats0022F.fit Zeros = bias1B.fit & bias2B.fit Gain = 7.45 electrons per ADU Read noise = 134.6 electrons obsutil>

Fig. 8. Clculo con el comando findgain.

Figura__. Informacin de los niveles de intensidad en las fotos tomadas a temperatura ambiente, slo usamos los valores de la media.

Figura__. Informacin de los niveles de intensidad en las fotos tomadas a 20C, slo usamos los valores de la media.

Figura__. Grafico de intensidad media del Dark-frame vs tiempo de exposicin. En azul para temperatura ambiente y en rojo para 20C. Seve claramente que a menos temperatura la corriente de oscuridad disminuye notoriamente y esto con una baja en la temperatura de aproximadamente __