Sobre cámaras - Introducción, preconceptos, sensores y resolución

Hoy en día se utiliza por lo general el criterio de cantidad de Megapixeles como factor más relevante al momento de elegir una cámara de fotos para astrofografía, si bien es importante, no es el parámetro mas importante a tener en cuenta.   También es común ver que se elige con el criterio que cuantos más bits tenga la cámara, es mejor, y vamos a demostrar que no necesariamente es así, muchas veces las cámaras tienen un límite en la cantidad intensidades posibles (rango dinámico) y terminamos con bits de profundidad de más, y no con mejores imágenes.    Por último y no menos importante tenemos que tener en cuenta el tipo de telescopio y sus características al momento de elegir un sensor, hay combinaciones perfectas, y otras no tanto, que requieren técnicas de post-procesado para poder sacar el mejor provecho de las imágenes.   Si bien contamos con presupuestos acotados, tener en cuenta estos detalles nos permitirán elegir la mejor combinación, o al menos saber la potencialidad de nuestro equipo.   En esta guía vamos a tratar, de manera simple por un lado, y mas extensa por otro, explicar los factores a tener en cuenta que consideramos más relevantes.  

Tipos de sensores y sus variantes   En líneas generales podemos decir que hay 2 tipos de sensores, CMOS, que podemos encontrar en teléfonos, tablets, y en la mayoría de las cámaras reflex, y CCD en cámaras de uso específico como medicina, astronomía, etc.  Conceptualmente son lo mismo, ambos convierten la luz en electrones o cargas eléctricas, pero son dos arquitecturas distintas.    Hay todo un debate sobre que sensor es mejor, la tecnología CMOS avanzo muchísimo y en algunos aspectos es inclusive superior a la CCD. Vale aclarar que comparar un CCD con un CMOS es a la larga comparar peras con manzanas, ambas son frutas pero no son iguales. Con el advenimiento de las cámaras que permiten tomar tanto fotos como videos, las CMOS dominan el mercado de productos como DSLR, teléfonos celulares, camcorders, y aplicaciones especificas como cámaras de seguridad.    CCD El nombre CCD corresponde a las siglas de Charge Coupled Device (dispositivo de carga acoplada). Es una tecnología inventada por AT&T Bell Labs en el año 1969. En este diseño la electronica para leer la información registrada esta fuera del sensor.   Ventajas La imagen es mas uniforme y de mayor calidad Tienen un rango dinámico mayor (mas adelante hablamos sobre rango dinámico)   Desventajas La lectura de todo el sensor es mas lenta Son mas caros de fabricar Consumen mas energía Dependiendo del diseño, pueden tener "blooming". Al saturarse un pixel la información chorrea al siguiente generando un efecto como la siguiente imagen. Si el sensor cuenta con las compuertas anti-blooming (ABG o anti blooming gate) este efecto no aparece, pero la cámara es menos sensible. efecto de blooming     CMOS Su nombre son las siglas de complementary metal oxide semiconductor (semiconductor de óxido metálico complementario). Inventado por Westinghouse Molecular Electronics en el año 1968. En este caso, la electrónica para la lectura, conversión y multiplicación de señal esta integrada en el sensor, haciéndolo mas compacto pero menos sensible.   Ventajas   Lectura simultánea de mayor número de pixeles. La lectura de todo el sensor es muy rápida, si tu cámara graba video 1080p y en alta velocidad, es altamente probable que sea un CMOS. El costo de los CMOS es menor Consumo eléctrico muy inferior   Desventajas   La imagen no es tan uniforme, como cada pixel tiene un amplificador, estos no son uniformes en todo el chip, generando una desigualdad de señal considerada ruido. Elevado ruido de patron fijo (fixed pattern noise) Baja sensibilidad a ultravioleta e infrarrojo. Menor superficie receptora de la luz por píxel Tienen efectos de obturador (rolling shutter efect) o efecto "gelatina" donde la imagen se tuerce. Un ejemplo claro es esta imagen tomada con un celular desde un auto en movimiento, donde cada pixel del sensor no se registra en el mismo momento, y la baranda de la imagen se ven torcidas.         Hay avances tecnológicos en ambos tipos de sensores. Por le lado de los CMOS se esta logrando una mayor uniformidad y calidad de imagen, y por el lado de las CCD un menor consumo.    Es el caso de las ICCD, y EMCCD en el caso de CCD, o los CMOS BSI (back side illuminated) que estan llegando al mercado.   Enlaces https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_BSI http://www.andor.com/learning-academy/ccd,-emccd-and-iccd-comparisons-difference-between-the-sensors  

Es común indicar la resolución de una cámara, scanner o monitor en cantidad de millones de pixeles o megapixeles.    Este valor no hace referencia a la resolución, lamentablemente se asume que a mas megapixeles mas resolución, ahora vamos a ver porque no. Independiente de la cantidad de pixeles de una cámara, hay dos tamaños que tenemos que tener en cuenta, a ser;   Tamaño del Sensor, expresado en milímetros Tamaño de Pixel, expresado en micrones   Todo lo que vamos a desarrollar a continuación es importante tenerlo en cuenta en función a nuestro telescopio, una cámara ideal para un telescopio Newtoniano puede no ser la optima para un refractor chico, o superlativa para un Cassegrain.      Tamaño del Sensor El tamaño del sensor se expresa en milímetros, en algunos casos se expresan en su tamaño diagonal en pulgadas (4/3, 2/3, Micro 4/3) y en esta área están ubicados todos los pixeles del sensor. Podemos decir que a más tamaño, más campo de visión (fov) vamos a tener con nuestro equipo.   Si bien cada fabricante de sensores los hace de distintos tamaños, hay algunos estándares, que podemos ver en este gráfico;       Estos son los tamaños más comunes que podemos encontrar en el universo de cámaras tanto CMOS como CCD's.   En particular el tamaño Full Frame se llama así porque corresponde al tamaño de los antiguos rollos de film, las diapositivas tenían ese tamaño, de 36 mm x 24 mm.  Hay un formato AUN mayor, que contra lo que podemos pensar su nombre es Medium Format pero es mas grande que el Full Frame como vemos en la imagen debajo.        En el universo de las cámaras DSLR, donde el formato mas comun es el APS-C, la carrera de los megapixeles se gana reduciendo el tamaño de pixeles, lo cual puede ser provechoso o contraproducente dependiendo de nuestro telescopio.      CMOS QHY, de distintos tamaños       Reflex Nikon, D5200 (APS-C) y D610 (Full Frame), AMBAS de 24 Mp, la diferencia esta en el tamaño de los pixeles.   En estas imagenes podemos ver claramente la diferencia de tamaño entre sensores.      Tamaño de Pixel El tamaño de pixel es el área que ocupa cada uno de ellos, y se expresa en micrones. Por lo general los pixeles son cuadrados, pero algunos modelos antiguos venían con pixeles rectangulares. En la mayoría de las cámaras cuando decimos que un pixel tiene 5.4 micrones estamos indicando su tamaño es de 5.4 micrones x 5.4 micrones. Los tamaños conocidos van de 20 a 2 micrones.    ¿En que nos afecta el tamaño de pixel? La respuesta es simple, el tamaño de pixel determina la resolución de nuestro equipo, y se expresa en segundos de arco por pixel.   El ojo humano tiene una resolución angular  entre 1 y 2 minutos de arco,  es el límite que podemos resolver a simple vista, por eso no podemos resolver detalles menores a ese tamaño angular de la Luna a ojo desnudo. Si miramos la Cruz del Sur a simple vista, en especial a Acrux, la veremos como una única estrella       Sin embargo es una estrella doble, con una separación angular de 4 segundos de arco. Como nuestra vista puede resolver hasta 2 minutos de arco, no podemos resolverla como en la imagen a continuación.     Con un telescopio pasa lo mismo, tenemos una resolución máxima teórica, cualquier objeto con una separación angular menor a nuestra resolución no lo podremos resolver claramente.   Un factor que debemos agregar a nuestra ecuación es el seeing, ya que este afecta en mayor o menor medida la capacidad de llegar al máximo teórico de nuestro equipo al momento de hacer las capturas.   Cómo calculo la resolución de mi configuración telescopio / cámara La resolución varia dependiendo de las características del tubo óptico que vayamos a utilizar, por eso es importante saber elegir la cámara para el telescopio o viceversa.  La fórmula para el cálculo de resolución es la siguiente   (Tamaño de Pixel / Distancia Focal del telescopio) * 206,265    En el caso de una cámara con 6 micrones de tamaño de pixel, con un telescopio de 1 metro de focal la resolución angular sería...   (6 / 1000) * 206,265 = 1.24 segundos de arco por pixel     Les recomiendo visitar la página de Astronomy tools, que tiene una calculadora muy completa para estimar la resolución de nuestro equipo, inclusive podemos indicarle el seeing de nuestro lugar de observación y hacer el cálculo más preciso   https://astronomy.tools/calculators/ccd_suitability    

Conceptualmente TODAS las camaras son monocromáticas. La diferencia entre una cámara color y una monocromática es que la primera cuenta con una matriz llamada Matrix Bayer, que interpone delante del sensor unos filtros, en una matrix de 2 x 2 por pixel, organizados en ROJO, VERDE, VERDE, AZUL. No es un error que haya dos VERDES, sino que esta matriz simula la sensibilidad del ojo humano, que es mas sensible al verde. Por esta matriz las cámaras color tienen inevitablemente una Eficiencia Cuántica menor.    Es común caer en la idea que las cámaras color son mas "productivas" que las mono, ya que con 24 tomas color de 5 minutos (2 horas) tenemos la misma señal que hacer 8 tomas por canal con cada filtro con una mono. La mono tiene mas eficiencia cuántica, a misma cantidad de tiempo la información es mayor en una monocromática. Dependiendo del telescopio que usemos, en especial tubos rápidos, es probable que al usar una color tengamos efectos indeseados como desalineación de canales, cosa que se resuelve fácilmente en una mono re-enfocando cada canal con precisión, utilizar filtros parfocales (no necesitan re-enfocar para cada filtro) como los Baader.   El racional de que en una noche se tienen varios objetos con una color se contrapone con el control fino que tenemos con una mono. Ni hablar de hacer fotografía de banda estrecha, que se logra exclusivamente con cámaras monocromáticas. En honor a la verdad, se puede hacer banda estrecha con una reflex color, pero tendriamos un tercio de señal sumado a un quantum bajo respecto a una cámara mono, ya que se usa SOLO el canal rojo de la imagen RGB.    Tema aparte son las cámaras con regulación de temperatura, con estas logramos una productividad mayor ya que las condiciones de la imagen son reproducibles porque podemos configurar la cámara a la misma temperatura siempre y relegar la adquisición de los bias y darks en otro momento, inclusive se estila tener una bibiloteca de darks y bias, generar un master de cada uno y usarlo por al menos 6 meses sin tener que rehacerlos. Sin regulación de temperatura estamos obligados a hacer todos los archivos de calibración luego de la sesión, y eso nos quita tiempo de exposición indefectiblemente.    A elección de cada uno, las ventajas y desventajas estan planteadas..     

Ahora que sabemos un poco mas sobre nuestra cámara y que valores tener en cuenta, podemos buscar la resolución óptima de trabajo.   Hay una regla que sugiere trabajar con una resolución que sea la mitad de las condiciones de seeing tipicas   Entonces podemos decir   Seeing de 0,5 a 1 segundos de arco (SEEING EXCELENTE)  la resolución ideal es entre  0.17 - 0.5" segundos de arco por pixel Seeing de 1 a 2 segundos de arco    (BUEN SEEING)             la resolución ideal es entre   0.33 - 1.0" segundos de arco por pixel Seeing de 2 a 4 segundos de arco    (SEEING NORMAL)       la resolución ideal es entre   0.67 - 2.0" segundos de arco por pixel Seeing de 4 a 5 segundos de arco    (SEEING MALO)            la resolución ideal es entre   1.33 - 2.5" segundos de arco por pixel Seeing de 5 a 6 segundos de arco    (SEEING PESIMO)         la resolución ideal es entre   1.67 - 3-0" segundos de arco por pixel     Actualmente tengo varios tubos ópticos, y una sola cámara, Canon 1000D, con un tamaño de pixel de 5.7 micrones, con lo que tendría...   Tubo Óptico        Distancia Focal                     Resolución Sky-Watcher Quattro 250 mm         1000 mm 1.17 segundos de arco por pixel GSO Newton 200 mm f4            800 mm 1.46 segundos de arco por pixel Long Perng LP66 66 mm          400 mm 2,93 segundos de arco por pixel Sky-Watcher SkyMax 150 mm        1800 mm 0.65 segundos de arco por pixel Sky-Watcher Esprit Super Apo 150 mm         1050 mm 1,19 segundos de arco por pixel   Con mi seeing tipico de 3 segundos de arco, entonces la mejor combinación la logro con todos los tubos salvo el LP66 y el SkyMax 150.  Si el seeing mejora el SkyMax 150 se luce, si el seeing se arruina entonces el LP66 sale al ruedo. De todos modos hay formas de resolver estos dilemas con un único tubo.   Siguiendo en tema...   En el caso de un lugar que tenga un seeing promedio de 4 segundos de arco, entonces vamos a lograr la mejor resolución con combinaciones de cámara - telescopio en el orden de 2 segundos de arco por pixel, esta seria nuestra resolución óptima.   La resolución de un equipo, como vimos antes, depende de la distancia focal y el tamaño de pixel, de todos modos ambos valores los podemos modificar de dos maneras   En el caso de la distancia focal, con el uso de barlows (más resolución) o reductores focales (menos resolución) pero también cambiamos el campo de visión (FOV).  En el caso del tamaño de pixel, si nuestra cámara tiene la posibilidad de utilizar el "binning", entonces podemos multiplicar el tamaño del pixel en funcion al factor de bin (bin2, bin3, bin4). Utilizar Drizzle   Ejemplo 1 Telescopio: Esprit 100 mm  Cámara: QHY9 - KAF8300 Seeing promedio: 3 segundos de arco   El Esprit tiene una distancia focal de 550 mm, y la CCD tiene un tamaño de pixel cuadrado de 5.4 micrones. Segun la fórmula de resolución (Tamaño de Pixel / Distancia Focal) * 206,265  tendremos una resolución de;   (5.4 micrones / 550 mm) * 206,265 = 2.02 segundos de arco por pixel    Con el seeing de 3 segundos de arco, nuestra resolución óptima es de 1.5 segundos de arco, pero con nuestro equipo el detalle mas pequeño que podemos resolver es de 2.02 segundos de arco. En este caso estamos SUB-SAMPLEANDO, con una pérdida de RESOLUCIÓN. Concretamente, cualquier estrella o detalle que tenga un tamaño menor a 2.02 segundos de arco, en nuestras fotos se va a ver como un único pixel iluminado, y peor aun, estrellas cuadradas.   Peor aun, con este equipo si nos vamos a cielos con seeings espectaculares, nuestro equipo no va a poder resolver mas alla de los dos segundos de arco.   Soluciones posibles Hacer las tomas utilizando dithering y luego integrando con la tecnica de drizzle. Con un barlow 2x duplicamos la distancia focal, y logramos una resolución de 1.01 segundos de arco, ideal, pero con una pérdida de campo de visión (fov).    Que es el dithering Cuando tomamos fotos con una montura con una puesta en estación excelente y con guiado, es altamente probable que la información del objeto sea capturada por el mismo pixel, una estrella siempre va a ser registrada por un pixel específico. El dithering es una técnica de adquisición donde entre toma y toma se mueve la montura (en el orden de pixeles o segundos de arco) modificando el encuadre, de tal forma que una estrella no siempre quede registrada por el mismo pixel. Las imágenes hechas con esta técnica nos permiten por un lado remover mas fácilmente defectos de la imagen como los hot y cold pixels, y a la vez hacer una reconstrucción estadística de la información con el método drizzle. Muchos programas de adquisición cuentan con la opción de dithering y aleatorio.   Que es el drizzle Es un algoritmo creado por la NASA. Tambien se lo conoce como Reconstrucción Lineal Variable de Píxeles. Dependiendo del factor de drizzle (2x, 3x) nuestra imagen resultará con un tamaño de 4 (2x) o 9 (3x) veces más grande. Donde originalmente nuestra estrella ocupaba 1 solo pixels y su perfil era cuadrado, con este algoritmo reconstruimos su perfil basados en la estadística de nuestras tomas individuales y lo veremos como una estrella redonda.   Zona de Gum 12 SIN Drizzle     Zona de Gum 12 CON Drizzle   Esta técnica, como dice su nombre, reconstruye estadisticamente, ahora las estrellas tienen un perfil menos "duro" y mas detallado.     Ejemplo 2 Telescopio: Newton 350 mm apertura, 2000 mm distancia focal Cámara: QHY5L-II  Seeing Promedio: 4 segundos de arco   El Newton tiene una distancia focal de 2000 mm, y la cámara tiene un tamaño de pixel cuadrado de 3.75 micrones. Segun la formula de resolución (Tamaño de Pixel / Distancia Focal) * 206,265  tendremos una resolución de;   (3,75 micrones / 2000 mm) * 206,265 = 0.38 segundos de arco por pixel    Con el seeing de 4 segundos de arco, nuestra resolución óptima es de 2 segundos de arco, pero con nuestro equipo podemos resolver hasta detalles de 0.38 segundos de arco. En este caso estamos SOBRE-SAMPLEANDO, con una pérdida de SENSIBILIDAD. En este caso cualquier estrella o detalle que tenga un tamaño menor a 2 segundos de arco (seeing) lo vamos a representar utilizando mas pixeles que los necesarios.   Soluciones posibles Realizar las tomas con binning.  Hacer las tomas en lugares con seeing del orden de 0.7 segundos de arco logrando la maxima resolución.  Utilizar un reductor focal, pero necesitamos un factor de reducción muy alto con la consecuencia de tener un campo de vision enorme..      Que es el binning Binning es una técnica por la cual en vez de registrar cada pixel de manera individual tomamos el valor de 4 pixels (bin2), 9 pixels (bin3) adyacentes y lo asignamos como un único pixel. Con este técnica reducimos de manera apreciable la resolución pero ganamos en sensiblidad.      El aumento de sensibilidad esta dado porque, en el caso de bin2, la señal del pixel resulta de la suma de 4 pixeles, logrando mas señal.    Hay casos donde el binning nos ayuda, por ejemplo cuando necesitamos buscar el encuadre perfecto de nuestro objeto, en ese momento no nos interesa la resolución sino poder determinar la posicion del objeto en nuestra composición. Tambien es util cuando queremos lograr un foco con estrellas mas tenues.