CCD Intensificado.
Jorge Palomares, Joaquín Bohigas, Salvador Zazueta, Jorge Valdez, Juan Echevarría
Observatorio Astronómico Nacional
Instituto de Astronomía, UNAM
INDICE
I. Introducción
II. Elementos del sistema
...... II.1 La cámara
...... II.2 La tarjeta digitalizadora
...... II.3 La computadora de control
III. Operación desde la computadora de control
(versión DOS)
...... III.1 Modo de operación
...... III.2 Tiempo de exposición
...... III.3 Exposición continua
...... III.4 Guardar imagen
...... III.5 Foco
...... III.6 Salir
IV. Operación desde la PC de usuario
(versión WINDOWS)
V. Encendido y Apagado
VI. Especificaciones técnicas
...... VI.1 Cámara CCD
...... VI.2 Tarjeta Digitalizadora
...... VI.3 Computadora de Control
...... VI.4 Programación
...... VI.5 Instalación
I. Introducción
Se describe un sistema de adquisición de imágen integrado por una cámara CCD intensificada con salida de video y tiempo de exposición variable, una tarjeta digitalizadora ("frame grabber", FG) y una computadora industrial. La cámara se instaló en el ocular del Echelle, pero con una montura adecuada puede colocarse en el ocular de cualquier otro instrumento,o emplearse para otra finalidad. El FG puede ser empleado para cualquier otra cámara de video, aunque parte de la programación desarrollada está dedicada a la cámara que aquí se describe. A continuación presentamos una descripción general del sistema, instrucciones para su manejo, ya sea a través de DOS o de WINDOWS, y, finalmente, información técnica sobre los instrumentos y programas.
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II. Elementos del sistema
II.1 La cámara
La cámara está integrada por un fotocátodo tri-alcalino a
la entrada, una placa microcanal que genera una cascada de electrones a partir del fotoelectrón generado en la fase anterior, una pantalla de fósforo que convierte la cascada de electrones en luz visible, y un sistema óptico para enfocar sobre el CCD, que es la etapa final de la cámara.
El manejo de la cámara se realiza en el piso de observación con la unidad CONTROL CAMARA. Con ella enciende y apaga la cámara, y controla las siguientes operaciones:
INTENSIFIER GAIN. Para ajustar el voltaje de ganancia del intensificador. En modo AUTO ajusta la ganancia a la intensidad promedio sobre todo el cuadro. En aplicaciones astronómicas es preferible utilizar el control manual para ajustar la ganancia óptima. MANTENGA LA GANANCIA AL MINIMO POSIBLE. CAMERA GAIN. Para ajustar el control de ganancia en la lectura del CCD. El control es igual al anterior. Normalmente puede operar en el valor MAX. BLACK LEVEL. Para ajustar el valor base.El control es igual a los anteriores. Se sugiere tenerlo cerca de MIN. Valores altos pueden crear conflictos con la tarjeta digitalizadora (FG).
La señal de video sale de la unidad CONTROL CAMARA, y va a dar a un monitor o a una tarjeta digitalizadora. Es importante señalar que con esta cámara es posible integrar por un tiempo indeterminado, y no sólo a frecuencia de video (1/30 de segundo).
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II.2 La tarjeta digitalizadora
La tarjeta digitalizadora (frame grabber, FG) se inserta en una de las ranuras libres de una computadora personal. Tiene la posibilidad de digitalizar la imagen de video a frecuencias de hasta 30 Hz. Lo hace con una precisión de 8 bits (256 colores), y puede almacenar hasta 2 imagenes de 512 X 480 pixeles. A traves del FG es posible programar una serie de operaciones de la cámara para hacerla mas versátil.
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II.3 La computadora de control
El FG está instalado en una computadora en donde reside el programa de control de todo el dispositivo. Asimismo, se conecta a la computadora de usuario en donde están los programas de control de instrumentos del OAN.
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III. Operación desde la computadora de control
(versión DOS)
El usuario puede operar el sistema directamente desde la computadora de control (etiquetada "Frame Grabber"). Para ello requerirá de teclado y monitor para esta computadora. Al encenderse la computadora entra directamente al directorio C:\USUARIO y ejecuta el programa. Si está encendida y ocupada en otra cuestión, cambie al directorio señalado, y de el comando CCD (o CCDINTX). El programa empieza inicializando el FG, reservando espacio de memoria, calculando el reloj de la computadora y tomando imágenes a frecuencia de video (30 Hz). Acto seguido aparece la siguiente secuencia de mensajes:
El programa realizará cualquiera de estos comandos cuando el usuario oprime la letra correspondiente en el teclado.Memoria reservada ..... Empiezo en modo de video .... ********************************************** NO VAYAS A QUEMAR EL INTENSIFICADOR Mantén la ganancia lo mas baja posible, y no lo expongas a mucha luz durante mucho tiempo. ********************************************** Qué vas a hacer? [M]odo operación -------> video [T]iempo de exposición -------> 1.0 seg [E]xposición continua [G]uardar imagen [F]oco [S]alir Opción?
Se realizan las siguientes funciones:
III.1 Modo de operación [M]
Al oprimir la tecla `m' cambia el modo de operación. En modo "video" se adquieren imagenes a frecuencia de 30 Hz (tiempo de integración 0.033 seg). En modo integrando" durante el intervalo de tiempo que fije el usuario en tiempo de exposición.
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III.2 Tiempo de exposición [T]
Este es el tiempo que se deja integrar el CCD al operar en el modo de integración. El tiempo se da en DECISEGUNDOS,y el valor mínimo es 1. No hay límite para el valor máximo. En pantalla aparece el tiempo de exposición en segundos.
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III.3 Exposición continua [E]
El CCD intensificado toma exposiciones continuas en cualquiera de los 2 modos ("video" o "integrando"). En modo de integración hay dos posibilidades:
(a) Exposiciones continuas para tiempos de exposición menores que 50 decisegundos, y
(b) Exposición de tiempo indefinido si el tiempo de exposición dado es mayor. En el caso (b) se toman exposiciones parciales (cada una de unos 5 segundos de duración) que se van cosumando.
El resultado escalado se presenta cada 5 segundos en el monitor. En la pantalla de la PC de control se da el tiempo de exposición hasta ese momento. En modo "integrando" suspende el proceso oprimiendo la tecla 'i'. En modo video, termina dando cualquier comando. Al terminar queda la imagen en memoria RAM: es de 8 bits si el tiempo de exposición es menor que unos 50 decisegundos, de 16 bits si es mayor. Puede almacenarla en disco duro y disquete dando de inmediato el comando para guardar imagen.
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III.4 Guardar imagen [G]
La imagen se almacena en formato fits en el disco duro de la PC de control y en un disquete (si lo pone). La grabación en disquete es opcional, pero es recomendable si la PC de control no está conectada a la red.
El programa revisa primero que esté puesto un disquete. Si no está puesto pone el siguiente mensaje:
Falta disquete.
En caso estar puesto un disquete, revisa si hay espacio suficiente. Si no hay espacio pone el siguiente mensaje:
Falta espacio en disquete
En cualquiera de los dos casos anteriores pone el siguiente mensaje:
Pon uno o cancela (oprime tecla o cancela con 'c')
Una vez que el usario canceló la opción de escritura en disquete (oprimiendo la tecla 'c') o puso un disquete con espacio suficiente, el programa pasa a revisar el espacio disponible en disco duro. Si no hay espacio suficiente pone los siguientes mensajes:
Falta espacio en disco duro Borro archivos *.fit? Borro ----> b No borro -> cualquier otra tecla
Si decides borrar los archivos *.fit el programa vuelve a revisar si hay espacio en disco duro. De no ser el caso vuelve a poner el primer mensaje de la anterior secuencia y ya no graba en disco duro.
En modo de video o con tiempo de exposición menor que 50 decisegundos, la imagen se graba en 8 bits, que corresponden a 256 niveles. Caben hasta 5 imagenes de 8 bits (cada una de alrededor de 250 kbytes) en un disquete de 1.44 Mb. Si el tiempo de exposición es mayor que 50 decisegundos (y puede ser tan grande como quiera) la imagen se graba en 16 bits (65536 niveles)y cada imagen ocupa cerca de 500 kbytes. Caben solo 2 imagenes en un disquete de 1.44 Mb.
La imagen se nombra automaticamente explorando que imagenes con el mismo prefijo están grabadas en el disco duro (no revisa el contenido del disquete): el nombre va de int01.fit a int99.fit. Una vez escrito int99.fit, reescribe int01.fit.
Puede escribir un comentario para el encabezado. Este no incluye datos sobre el objeto (AR, DEC, época). Incluye tiempo de exposición, hora y fecha de escritura de la imagen (dada por el reloj de la PC), etc.
Para leer la imagen de 16 bits en IRAF es indispensable hacer lo siguiente:
De el comando "rfits" (p.ej. rfits int21.fit gtrevi) Inmediatamente de el comando: chpixtype gtrevi newpixtype="ushort" gtrevi
Para la de 8 bits basta el comando "rfits".
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III.5 Foco [F]
La cámara está puesta en una montura fija sobre el ocular del espectrógrafo Echelle, enfocada en la rendija de este instrumento. La rutina que aquí se describe es para enfocar una estrella sobre la rendija moviendo el foco (posición del secundario) del telescopio. En esta rutina el CCD se pone a integrar continuamente. El máximo tiempo de cada exposición para hacer foco es de 50 decisegundos (5 segundos). Aparecen los siguientes mensajes:
Mueve el cuadro con el teclado numérico.... Termina ------------> x Cambia velocidad ---> v Aumenta caja -------> + Disminuye caja -----> -
Estos comandos son para mover una ventana en el monitor, hasta centrar la estrella que se va a usar para hacer foco. Tenga cuidado de que el teclado numérico se pueda usar (e.d., que no está prendido "Num Lock"). Cambia velocidad ('v') permite mover mas o menos rápido el cuadro (empieza en lento). Aumenta y disminuye caja ('+' y '-') cambian el tamaño de la ventana (de entre 20 y 40 pixeles por lado, 30 por omisión). Centrada la estrella, oprima la tecla 'x' (Termina). El programa hace entonces lo siguiente:
Presenta la posición del centro de la ventana en el monitor,
lee un cuadro de la imagen 3 veces mayor que la ventana,
calcula el centroide en la ventana,
calcula el FWHM , la excentricidad y el ángulo de posición, y
en el monitor de video, grafica barridos de la imagen en ambos ejes, pasando por el centroide de la misma.
El cálculo se realiza con 3 o 5 exposiciones (para que haya una muestra suficiente sin que el tiempo total exceda unos 15 segundos), y se promedian los resultados, que se presentan en el monitor.
Despues de la presentación de los datos aparece el mensaje:
Termina ------> q Continua -----> cualquier otra tecla
Varíe el foco y oprima cualquier tecla (excepto 'q') hasta quedar satisfecho. El programa mueve la ventana de tal modo que la estrella siempre queda en el centro. Termine oprimiendo 'q'.
El cálculo de las anteriores cantidades se hace en base a los segundos momentos de la intensidad, dados en la rutina IMEXAMINE de IRAF. No corresponden a un ajuste de una gaussiana bi-dimensional. El tamaño de la imagen en segundos de arco se calcula para una escala de placa de 0.155"/pixel (el valor medio de las escalas H y V).
III.6 Salir [S]
El programa termina oprimiendo la tecla 's'. Hace un par de recordatorios (apague el intensificador y la PC) y le desea felices sueños.
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IV. Operación desde la PC de usuario (versión WINDOWS)
La interfaz de usuario a través de Windows trabaja solo si está corriendo Windows en la PC del usuario (dar comando WIN), el programa CCDINTX en la computadora de control, y están conectadas las computadoras (control y usuario) a través de sus puertos serie (COM1 en PC de control, COM2 en PC de usuario). El programa en Windows lo activa con el icono "CCD Intensificado". Se ejecutan las mismas operaciones que en la versión DOS. El programa para Windows incluye una ayuda detallada, que se obtiene oprimiendo la tecla F1. Por esta razón es innecesario dar más explicaciones sobre la forma en que se utiliza el programa. De todos modos es muy recomendable leer la sección II de este manual, pues describe mas ampliamente la operación del sistema.
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V. Encendido y Apagado
Al empezar:
Encienda la computadora de control (etiquetada "Frame Grabber")
De ser necesario, ejecute el comando CCDINTX o el comando CCD desde el directorio C:\USUARIO de la computadora de control. Este programa se debe ejecutar automaticamente cuando se enciende la máquina.
Espere unos momentos y encienda la unidad de control del CCD intensificado (etiquetada "Control Cámara")
Prenda el monitor de video
Caso necesario, encienda la computadora donde reside el programa de manejo desde Windows (PC de usuario)
Entre a Windows (comando WIN) en la computadora de usuario. Busque el icono correspondiente a "CCD intensificado", y actívelo
Si todo marcha bien, el monitor debe desplegar imágenes a frecuencia de video, y, si usa el programa desde la PC de usuario, no debe aparecer el mensaje "No hay comunicación" en la ventana "CCD intensificado". Si no es así revise que todo esté encendido y bien conectado. Si persisten las fallas, consulte con el técnico en turno.
Al terminar:
En el piso de observación apague el monitor de video, la PC de control y la unidad de control del CCD intensificado.
POR NINGUN MOTIVO DEJE ESTA ULTIMA UNIDAD PRENDIDA.
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VI. Especificaciones técnicas
VI.1 Cámara CCD
Sus características generales son:
Formato de video: RS-170, entrelazado Frecuencia de video: 29.97 Hz (imagen completa) Eficiencia cuántica del fotocátodo: 10% entre 5000 y 8000 Å Salida de la pantalla de fósforo: 5500 ±500 Å CCD: 756(H) X 485(V) pixeles. A la salida 512(H) X 480 (V) Tamaño de pixeles: 11 (H) X 13 (V) micras Escala de placa, 2.1m f/7.5: 0.14 X 0.17 "/pixel Campo, 2.1m f/7.5: 72" X 82"
En el piso de observación está la unidad CONTROL CAMARA. En la parte de posterior hay 4 conectores:
- POWER IN.
- Para conectar el cable de alimentación
- VIDEO.
- Para mandar la señal de video a un monitor o, en su caso, al FG instalado en la PC de control a través del cable número 5 (blanco) que sale del FG.
- I/O.
- Para conectarse con la cámara que está en el piso de telescopio (número 4).
- IMAGE INHIBIT.
- Para posibilitar que la lectura del CCD se realice a frecuencias menores que la de video (30 Hz). Con ello es posible exponer el CCD por tiempos más largos que 1/30 seg. Debe ir conectado al puerto paralelo de la PC de control (número 2).
En el manual de usuario del fabricante puede encontrar mas información sobre el instrumento. Los datos del fabricante son:
Modelo: ISS-255 Xybion Electronic Systems Corporation 8380 Miralani Drive San Diego, CA 92126-4347 Tel.: (619)566-7850 FAX: (619)566-2032
Este es un instrumento delicado. MANTENGA LA GANANCIA DEL INTENSIFICADOR AL MINIMO POSIBLE.
Puede sufrir un daño irreversible si lo expone a fuentes de iluminación intensas, como la lámpara de comparación o la luz del día. Puede quedar temporalmente marcado con una imagen residual al ser expuesto durante mucho tiempo a una fuente fija y brillante.
"Se quema el intensificador quedando marcada la imagen de las mascarillas en este".
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VI.2 Tarjeta Digitalizadora
El FG tiene 2 conectores: use el marcado con el número 3. Se conecta a
los siguientes dispositivos:
Cable No.5 (blanco): a la salida de video del control de la cámara Cable No.6 (verde): al monitor de video (porta la señal de sincronía) Cables azul y rojo: desconectados
Información completa del FG se puede encontrar en los manuales técnico y de usuario del fabricante. Los datos del fabricante del FG son:
Modelo: PFGPLUS-512-3-60 Imaging Technology Incorporated 55 Middlesex Turnpike Bedford, MA 01730-1421 Tel.: (617)275-2700 FAX: (617)275-9590
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VI.3 Computadora de Control
La tarjeta digitalizadora (frame grabber, FG) está instalada en una computadora personal industrial (Advantech, AMD 386SX-33MHz), etiquetada "Frame Grabber". Cuenta con 4 Mb en RAM, un disco IDE de 203 Mb, tarjeta gráfica SVGA, dos puertos serie (RS232 y RS422), un puerto paralelo, y una unidad de disquetes de 3.5". Tiene 4 ranuras, 3 de ellas ocupadas (tarjeta madre, tarjeta gráfica y FG). El puerto paralelo LPT1 se ocupa para enviar el comando que inhibe la lectura del CCD (cable No.2, al BNC en Image Inhibit, en la unidad de control de la cámara). El puerto serie COM1 (número 7) se utiliza para recibir comandos y enviar mensajes a la PC de usuario (que usa el puerto serie COM2 para el FG). La PC de usuario contiene las interfaces de usuario para control de dispositivos (CCD's, Consola, CCD intensificado, etc.)
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VI.4 Programación
La programación que maneja directamente el FG y la función "image inhibit" de la cámara está incluida en la computadora de control (etiquetada "Frame Grabber"). Fué desarrollada con el compilador Symantec C++, versión 6.1. El ejecutable está en el directorio C:\CCDINT, y lleva el nombre CCDINTX. Se corre desde el directorio C:\USUARIO, en donde se graban las imágenes que desea el usuario. La trayectoria al ejecutable está anotada en el AUTOEXEC.BAT. El programa tambien se puede ejecutar a traves del "batch file" CCD en el directorio C:\USUARIO. El programa recibe comandos de teclado o de puerto serie de manera indistinta.
En la computadora personal para el usuario está incluida la programación de interfaz a Windows, y de enlace vía puerto serie a otras computadoras (para recibir mensajes y enviar comandos). También se usó el compilador Symantec C++, versión 6.1. El paquete para desarrollo gráfico es el ZINC Application Framework, versión 4.0. El programa está en el directorio C:\CCDINT.
Hay copias en disquete de los ejecutables en el laboratorio de electrónica en SPM. Tambien puede obtenerlos directamente a través de la red.
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VI.5 Instalación
En la figura anexa se presenta un esquema del cableado. Los cables y los puntos iniciales y terminales están marcados con números en cada dispositivo. Excepto la cámara, todos los dispositivos estón en el cuarto de observacián.
Brevemente:
No. 2: conecta el puerto paralelo de la PC de control ("Frame Grabber") al BNC Image Inhibit de la unidad de control de la cámara. No. 3: posición en donde va el conector del cable para el FG. No. 4: conecta la unidad de control de la cámara (en piso de observación) al CCD intensificado (en el telescopio). No. 5: conecta la salida de video de la unidad de control de la cámara al FG. ver nota abajo.
No. 6: manda la señal de video del FG al monitor. No. 7: conecta el puerto serie de la computadora de control (COM1) al puerto serie de la computadora del usuario (COM2). Es opcional, puesto que la computadora de control puede operar de manera autónoma.
Nota:
- La salida de video de la camara se baja a traves del conector BNC directamente al FG, ya que el cable original se daño!!. El cable de video es uno de los que bajan de platina a computo!!!.
- El cable de control del intensificador esta cortado en 3 partes, estas tienen sus respectivos conectores, esto permite que se pueda usar la cámara para pruebas sin tener que desmontar todo el cable del telescopio, estos deben estar instalados siempre y solo cuando se quiera probar la camara se desconectan.
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Reconocimientos
A DGAPA-UNAM por el apoyo económico (proyecto IN-104991).
