1. Introducción
2. Toma de contacto
3. Bajo el cielo
4. Consideraciones importantes
5. Resumen
6. Conclusiones
7. Enlaces y lecturas recomendables

1. Introducción

Durante el año 2019, a medida que el observatorio tomaba forma, me decidí a renovar la cámara que hasta ese momento había utilizado durante muchos años, una QHY22 (CCD basada en el sensor ICX694 de Sony).

La QHY22 era una cámara realmente buena, con alta sensibilidad y que generaba unas imágenes muy limpias (poseía un bajo ruido térmico y de lectura), en mi opinión, de lo mejorcito en CCDs, pese a no tener un sensor demasiado grande (diagonal de 16mm).

Sin embargo, una vez instalado el RC de 12", la combinación que resultaba con esta cámara (por el reducido tamaño de sus píxels) no era demasiado óptima, obligándome constantemente a usar binning 2x2 para evitar un pronunciado sobre-sampleo en las imágenes.

Ya desde tiempo atrás, me había fijado en un nuevo sensor que GPixel estaba desarrollando, el sCMOS GSense 400 BSI.

Sus principales características eran:

• Sensor con tamaño muy interesante, concretamente 22.5mmx22.5mm (diagonal de 31.9mm), ni muy grande (para no forzar la óptica) ni muy pequeño:
• La combinación a focal nativa del RC 12" me daría un campo de algo más de 0.5x0.5 grados.
• El telescopio cubre sin necesidad de lentes correctoras (configuración pura en espejos) esa diagonal de 32mm, lo que es una ventaja a la hora de hacer trabajos próximos al infrarrojo, minimizando las pérdidas que las lentes generan, al no estar muy optimizadas más allá de los 700nm.
• Eficiencia cuántica del 95.29% a los 560nm, conservando una sensibilidad de más del 60% a los 800nm y del 30% a los 900nm.

• Ruido de lectura de en torno a los 2e-: y es que el mundo de esta nueva generación de cámaras basadas en sensores CMOS es diferente; en su momento, con la QHY22, un ruido de 5e- parecía bajo, esto es otro mundo, menos de la mitad.
• Doble conversor ADC de 12 bits (permite la obtención de dos imágenes por toma, cada una con diferentes parámetros de ganancia (HDR)). Esto, a priori, era unos de los puntos que más me asustaban, viniendo de los 16bits de las CCDs.
• Píxels de 11u: Sin duda, este tamaño se complementaría muchísimo mejor con los 2.4 metros de focal del RC 12".

De modo que, tras indagar y empaparme de sus características, me lancé a por ella y al poco tiempo ya estaba en casa, lista para dar guerra.

Ahora, tras más de un año usándola, me gustaría compartir mis experiencias con todos aquellos que tengan curiosidad en esta interesante y diferente cámara, orientada al ámbito científico.

2. Toma de contacto

Lógicamente, nada más recibirla, tras el siempre emocionante unpack, lo primero era verificar que todo lo básico funcionaba. Tocaba instalar sus drivers y ver qué tal.

La cámara, por defecto, posee drivers para Windows/ASCOM, he de decir que no encontré problemas destacables en su instalación y puesta en marcha posterior, tan sólo alguno menor, que el equipo de QHYCCD resolvió rápidamente.

Si eres usuario de Linux, existe un SDK para todas las cámaras de QHYCCD, no obstante, el soporte para este modelo en INDI era parcial, sin contemplar algo esencial como los diferentes modos de lectura, que posteriormente comentaré. Tras consultar con QHYCCD, me hicieron llegar la especificación y añadí todo el soporte necesario, por lo que ya está disponible de serie en INDI y también en INDIGO.

Mi recomendación, para cualquier cámara astronómica, es conocer muy bien su funcionamiento y parámetros básicos antes de lanzarnos con la primera luz real. Y eso es lo que hice, veamos, por tanto, algunos conceptos esenciales y pruebas, antes de ponerla bajo las estrellas a captar fotones.

Modos de lectura

Una de las primeras cosas que se han de conocer respecto a esta cámara, es lo relativo a los modos de lectura antes mencionados. Como podemos ver en el listado de especificaciones, posee un conversor analógico-digital (ADC) dual, lo que permite leer dos veces los valores de cada píxel utilizando diferentes ganancias, pero vayamos paso a paso. Según el software que utilicemos, podremos ver que nos ofrece dos modos de lectura.

¿Y eso en qué me afecta?:

• STD MODE: Este es el modo normal, más parecido al que se utiliza en las clásicas CCD o CMOS convencionales. Se leerá una vez el valor de cada píxel, dada una ganancia y un offset, y el resultado será imagen de 12 bits (en un fits de 16 bits) de 2048x2048 pixels.

• HDR MODE: En este caso, se leerá dos veces el valor de cada píxel, en cada ocasión con una combinación ganancia/offset diferentes (no ajustables) generando dos imágenes que serán concatenadas en una imagen de 4096x2048 pixels, cada una con una profundidad 12 bits (también en un fits de 16 bits). Si necesitas separarlas, he desarrollado scripts para ello).

• Según me comentan desde QHYCCD, están trabajando en un nuevo modo de lectura, en el que internamente la cámara combinará de forma lineal las dos imágenes del modo HDR, generando una imagen con 16 bits reales. Me parece una aproximación muy interesante, que puede hacer mejorar esta cámara en ciertas áreas.

Una vez entendidos los modos de lectura de esta cámara, pasemos al siguiente aspecto crítico que hemos de conocer y dominar: el ajuste de ganancia y su impacto en el modo de trabajo.

Ganancias y offsets

Otras de las principales diferencias entre los CMOS y la mayoría de CCD, es la posibilidad de ajustar la ganancia y el offset que el ADC aplicará en el proceso de lectura.

A diferencia del mundo CCD, en el que una vez localizados estos valores, se suelen quedar fijos, en estas cámaras, es posible y recomendable jugar con ellos según el objetivo al que nos enfrentemos, lo que tendrá un impacto en el ruido de lectura y el full-well de los píxels del sensor, como veremos a continuación.

Ajuste de ganancia

Para ajustar la ganancia, recomiendo seguir los pasos descritos en este documento, es simple, también recomiendo encarecidamente calcular el impacto que tienen esos ajustes en el ruido de lectura y el full-well (recomiendo este tutorial si no conoces cómo hacerlo), lo que nos permitirá luego, ya bajo las estrellas, extraer lo máximo de ella sin sobresaltos.

En mi caso, los resultados son los siguientes:

El ruido de lectura, hasta una ganancia de 7, se aproxima mucho al mínimo especificado, subiéndola se puede reducir aún más, a consta de dejarla casi sin capacidad, cuidado.

Para la mayoría de las aplicaciones que yo hago, he determinado que una ganancia entre 5 y 6 van muy bien, siempre y cuando no pasemos de los 10 segundos de exposición (5 segundos típicamente). Y estoy seguro que pensarás... ¿5 segundos? ¿se ha vuelto loco? pero si yo necesito minutos en mi CCD o CMOS para tener algo de señal... no, no me he vuelto loco, ya verás.

En modo HDR la ganancia y el offset no se ha de tocar, ya que está predefinida en los propios drivers. En su estado actual, no le veo mucha aplicación científica; es verdad que se amplia muchísimo el full-well (hasta casi 80ke-), pero también el ruido. Sería muy recomendable que QHYCCD implementara la posibilidad de ajustar esas ganancias para adaptarlas a las necesidades de cada uso.

Personalmente, suelo tirar del modo STD, que me da un control más fino. Una vez que el tercer modo de lectura esté implementado, habrá que probarlo y ver qué tal se comporta.

Linealidad

Paciencia, ya queda menos para la primera luz, pero antes llega el momento de realizar una de las pruebas más importantes, si se desea realizar una fotometría decente la linealidad, ¿qué tal se comportará? Analicemos los resultados (Gain 6 / Offset 60):

Como podemos ver, conserva una linealidad perfecta hasta las 53000 cuentas, a partir de ahí empieza a perderla, por lo que será muy importante tenerlo en cuenta en medidas fotométricas.

3. Bajo el cielo

Y ahora que tenemos perfectamente caracterizada nuestra cámara, conocemos su linealidad, modos de lectura y los efectos de las diferentes ganancias... ha llegado el momento de realizar nuestra primera luz, ¡por fin!.

Veamos el camino que, según mi experiencia, es el más adecuado.

El camino correcto

Y es que podemos tener la tentación, si venimos del mundo CCDs u otras CMOS convencionales, de comenzar a realizar capturas, mientras más largas mejor, para incrementar la señal y bajar el ruido... ¡cuidado! no sigas por ahí.

Trabajar con una cámara como esta ha supuesto para mi un cambio bastante importante, aquí no tiene sentido alguno realizar exposiciones de minutos, te aseguro que las estrellas empiezan a saturar con pocos segundos de exposición (es literal) y pronto tendrás el sensor completamente saturado.

Has de tener en cuenta que en la cámara, como hemos visto, el ruido de lectura será muy bajo, tienes una altísima eficiencia cuántica y un tamaño del píxel muy grande, es una combinación explosiva, que nos va a permitir tener una alta relación señal/ruido en cada toma individual, lo que hace que la aproximación clásica de largas exposiciones no tenga sentido.

Por tanto, no le des más vueltas, para sacar el máximo a esta cámara, se han de realizar tomas muy cortas (raramente más de 10 segundos) y luego apilar, apilar y apilar. ¿Y funciona? ¡Sin duda!

Y como prueba, muestro la siguiente imagen, en ella vemos claramente una estrella con magnitud G de 20.6, resultado de apilar 360 tomas de 5 segundos, con el RC de 12", una ganancia de 6 y offset de 60.

Si antes, para llegar a magnitudes cercanas a 19 (con una cámara muy sensible, como la QHY22, y en bin 2x2) necesitaba múltiples tomas de minutos, ahora, con el mismo tubo, lo consigo apilando tomas de pocos segundos, y con tiempos totales de integración sensiblemente inferiores (entre un 20%-30%).

Esta forma de trabajar, además, me ha supuesto una importante ventaja, y es que mi observatorio se encuentra a unos 30km de la ciudad de Madrid, por lo que el cielo está lejos de ser perfecto (Bortle 6). Con las exposiciones largas necesarias por mis anteriores CCD, el fondo del cielo terminaba ahogando la toma. Con estas capturas tan cortas, consigo mantenerlo bastante a raya, teniendo bastante señal sin que el fondo del cielo me la tape.

Los 12 bits

Bien, ¿son los 12 bits un problema? A ver, no voy a ser yo quien defienda que un ADC de 12 bits es mejor que uno de 16, es absurdo. No obstante, dependiendo de las características cada sensor (ruido principalmente), nos podemos encontrar con un tema mucho más complejo de lo que parece inicialmente y con resultados muy sorprendentes.

No obstante, sin entrar en guerras que nos podrían llevar hasta el fin de los tiempos, tengo que decir que, en esta cámara, y por la forma de trabajo que acabo de exponer, de forma rotunda, no son un problema, ni en fotometría ni, por supuesto, astrometría.

La explicación es muy simple, al tener que trabajar con tantas imágenes, una vez combinadas, la profundidad de bits se va incrementando, dejando muy atrás los 12 bits de una toma individual.

A modo de ilustración, en mis trabajos, suelo combinar un mínimo de 180 tomas, con imágenes resultantes que he de almacenar con un mínimo de 32 bits para no truncar datos. Sólo hay que tener cuidado con no saturar o salirse del límite lineal de la cámara en cada una de las tomas individuales, ajustando bien la ganancia y el tiempo de exposición.

4. Consideraciones importantes

Observemos la toma siguiente; se trata de un master dark (bastante estirado), para tomas de 5 segundos, a -25ºC:

Nos va a permitir conocer y solucionar los tres problemas más importantes que nos encontraremos al realizar nuestras tomas:

• Los puntitos blancos que aparecen en la imagen: Ruido térmico
• Las bandas horizontales: FPN
• Los fogonazos de los laterales: Amp-glow.

Ruido térmico

El ruido térmico (dark noise) en esta cámara es relativamente alto, hay varios factores de diseño, entre ellos el gran tamaño de los píxels que lo hacen inevitable.

Pero no hay problema, podemos bordearlo y si somos cuidadosos, no supondrá un inconveniente en absoluto; para ello, además de calibrar correctamente, has de seguir tres simples recomendaciones:

• La corriente oscura aumenta con la temperatura, por lo que has de enfriar la cámara lo máximo que puedas, así que ya sabes... la cámara posee un Peltier de doble etapa, siendo capaz de ofrecer hasta 45 grados bajo temperatura ambiente, normalmente la utilizo de manera estable a ~-30C (salvo las tórridas noches de Julio, en las que sí que se agradecería un sistema de refrigeración más potente, líquido o bien con más etapas).

• Haz exposiciones cortas, el ruido térmico, al igual que su señal, aumentan con el tiempo de exposición, así que las tomas más cortas contendrán menos ruido térmico que las más largas.

• Haz dithering, créeme, no es una opción, es algo obligatorio, no voy a enumerar todas las ventajas que ofrece, ya hay mucha literatura sobre ello, en esta cámara, la diferencia entre hacerlo o no es como de la noche al día.

A modo de ejemplo, en el programa de captura (en mi caso CCDCiel), he fijado un dithering de 5 pixels (recomiendo que sea en ambos ejes, no sólo en RA, para ser más eficaz):

En PHD2, lo he configurado para que sea aleatorio, es la mejor manera de eliminar este ruido:

Y en una sesión típica, fuerzo el dithering cada 30 ó 40 tomas, dependiendo de la longitud de la misma:

Y al final de cada sesión, con la misma temperatura del sensor y ambiental, haz las tomas de calibrado:

FPN

Este patrón de comportamiento lo encontramos en los CMOS que incluyen ADC por columnas, como en el caso de esta cámara.

QHYCCD lo explica con detalle en este artículo. Personalmente, no me ha generado nunca problema alguno. Si se realiza una correcta calibración, junto con el mencionado dithering, de nuevo, desaparecerá completamente.

Amp-glow

Estos fogonazos, en la era de las CCDs, eran más achacables al amplificador de señal (de ahí el nombre), sin embargo, actualmente suelen ser generados por la propia circuitería del sensor, que termina generando calor o incluso emitiendo en el NIR.

Pues sí, como en la mayoría de CMOS, está presente, y hay que controlarlo: de nuevo, no hay magia, tomas cortas junto con una buena calibración (con darks fijadas a la misma temperatura que las tomas de luz), se encargarán de eliminarlo.

Ninguno de los problemas anteriores va a estropear el trabajo, tras una correcta calibración, como puedes ver en la siguiente imagen, no hay ni rastro de los artefactos:

5. Resumen

Qué hacer

• Enfriar el sensor al menos a -20ºC, para reducir el ruido térmico al máximo y mantener estable durante toda la sesión, para conseguir la mayor eficacia en la calibración.
• Realizar un examen de su comportamiento y no reutilizar valores de ganancias u offsets de otros usuarios.
• Si se trabaja con INDI, ganancias y offsets han de ser recalculados, no coinciden con los de ASCOM.
• Usar exposiciones de pocos segundos con la ganancia que se estime más adecuada para el objetivo, su bajo ruido de lectura obrará el milagro al apilar.
• Realizar las tomas de calibración justo al terminar la sesión (usando un filtro oscuro) para tener un perfecto match.
• Calibrar, calibrar y calibrar, prestando especial atención a la temperatura del sensor.
• Usar un disco rápido (SSD) para el almacenamiento, al tener que realizar tantas tomas, si el disco es lento, puede ralentizar el proceso.
• Tener un equipo rápido para el apilado, tendrás cientos de imágenes de 8Mb.
• Dithering intenso para fulminar todo resto del ruido térmico.
• ¿He dicho calibrar...?

Qué no hacer

• Obviar algunos de los pasos de la calibración.
• Reutilizar bias y darks de sesiones antiguas (los flats no presentan problemas).
• Exposiciones largas, el ruido térmico y el amp-glow crecerán mucho y no hay beneficios reales.
• Confiar en la temperatura del sensor los primeros 15 minutos, aunque diga que está a -30ºC, no lo estará, hay que esperar.
• Astrofotografía convencional... por poder, se puede, pero no es la cámara ideal.

6. Conclusiones

Y llegamos al final; creo que como conclusión, diría que es una cámara diferente, una bestia con un potencial tremendo, que hay que saber controlar y exprimir. Una vez domada puedo decir que es una cámara fantástica, que sacará todo el potencial del telescopio, perdiendo muy poquitos de nuestros preciados fotones por el camino, ideal para fotometría y astrometría, destacando especialmente en campos donde se necesite obtener una gran SNR en poco tiempo, como surveys de todo tipo y seguimiento de NEOs.

Un par de trabajos creo lo pueden ilustrar:

• NEO 2020KD1: Nos pasó con una magnitud 18, a una velocidad aparente endiablada, de más de 120"/min, forzando a realizar exposiciones de 1 segundo. En el vídeo podemos ver el movimiento del asteroide durante apenas 60 segundos:

• NEO 2020PS, aún más débil, cercano a magnitud 19, que apilando 50 tomas de 2 segundos era perfectamente visible:

  

7. Enlaces y lecturas recomendables

• Manual de usuario de la cámara

• Northolt Branch Observatories utiliza una QHY42 para seguimiento de NEOs.

• Recomiendo la lectura de tres excelentes documentos creados por Bruno Fontaine sobre su experiencia con esta cámara:

  • Parte 1: Medidas de la cámara
  • Parte 2: Primeros tests
  • Parte 3: Uso para fotometría