Página Espacial
Bienvenido. Estamos en la Web desde el 12 de Julio, 2003. Nos encontramos...!
     
Mensaje Sitio Oficial Carl Sagan
 
ASTRONOMÍA CON CCD
Francisco A. Violat Bordonau
as imágenes son ya esenciales en todos los trabajos astronómicos de investigación: baste recordar que muchos fenómenos no hubiesen sido descubiertos sin la fotografía por ser una técnica capaz de acumular luz + tiempo; entre los mismos se puede citar la estructura de las galaxias espirales, la presencia de millones de nuevas galaxias, las supernovas en galaxias distantes o las nebulosas más tenues, todos ellos objetos tan débiles que son invisibles a simple vista en los mayores telescopios sin ayuda fotográfica. Cuando los objetos a estudiar son tan débiles que la fotografía no puede casi captarlos -como los quásares más distantes o los arcos gravitatorios- se recurre a la microelectrónica: se ha comenzado a emplear en todas partes el chip CCD. El detector de imagen CCD fue desarrollado en 1970 por los investigadores norteamericanos Boyle y Smith de los Laboratorios Bell, en principio sin ninguna utilidad astronómica, y aplicado a la Astronomía en 1976.

Con el correr del tiempo la técnica fotográfica se está quedando obsoleta; ¿por qué?: sencillamente
porque la electrónica está ofreciendo un montón de ventajas sobre la fotografía convencional,
algunas de las cuales son:
-
las imágenes son analizables por medios digitales (ordenadores).
-
un almacenamiento masivo de imágenes en un volumen mínimo (discos magnéticos,
magneto-ópticos y ópticos en un futuro próximo), lo que no ocurre con los frágiles archivos en placas de vidrio de los centros profesionales clásicos.
-
es capaz de obtener imágenes retocadas, mejoradas, coloreadas artificialmente, etc... proceso que cuesta bastante trabajo en la fotografía clásica.
-
es fácil la transmisión de imágenes a larga distancia por medio de Internet, el correo electrónico,
las líneas telefónicas y otros similares.
-
la suma de varias imágenes en una (adición electrónica) posibilita efectuar exposiciones "virtuales" de varias horas: así en enero de 1994 un grupo de 9 tomas de 25 minutos cada una (exposición virtual de 3,75 horas) permitió la captura del cometa Halley, con un brillo de 26ª magnitud, cuando estaba más allá de los 2.800 millones de kilómetros.
¿Cómo se efectúa el paso de imagen fotográfica (contenido analógico) a imagen digital
(contenido digital)?, el proceso es bien sencillo y lo represento en este ejemplo simplificado: dada una imagen fotográfica ya revelada y con una alta resolución (una buena fotografía) por medio de un detector se lee punto a punto y línea a línea toda la imagen; esto puede lograrse por medio de una cadena de sensores (fotodetectores) que convierten cada nivel de brillo de la imagen original (variaciones analógicas) en un impulso eléctrico proporcional al brillo de cada punto (valores ASTRONOMÍA CON CCDdigitales). Estos impulsos van a almacenarse en diferentes posiciones de memoria que registran su valor y posición, según dos ejes ortogonales x e y; cuando el detector ha barrido completamente la imagen (con una resolución que depende del número de detectores capaces de leer la imagen en cada línea) tenemos un registro digital de la misma: un conjunto ordenado de valores numéricos que corresponden a la posición y brillo de cada uno de los puntos leídos en la imagen analógica. Así en un detector capaz de leer sólo 10 puntos por línea la resolución de la imagen digitalizada será la mitad de otro detector capaz de leer 20 puntos por línea; de la misma forma si el detector es capaz de leer 100 puntos por cada línea de barrido la resolución sería 10 veces superior a la del primer detector y sólo 5 que la del segundo. Un buen ejemplo de digitalizador simple lo encontramos en el caso de un telefax: por la entrada (indicada en la parte izquierda del esquema) se introduce el material gráfico a reproducir que puede ser texto, fotografías, diagramas o cualquier imagen que refleje la luz. Un dispositivo mecánico adecuado toma y arrastra de manera homogénea el material a reproducir, de modo que pasa de forma adecuada bajo la cadena de fotodetectores; éstos leen línea a línea (cada una formada por un número determinado y fijo de puntos) el brillo de la imagen, transformando en impulsos eléctricos de valor variable (según el brillo de cada punto) cada zona fotográfica. Si la lectura ha sido homogénea en el arrastre (algo siempre deseable) al final el detector emite información digital en varias salidas:
-
la rotulada como S1 refleja la posición mecánica de cada zona de la fotografía original; servirá para colocar -al reconstruir la imagen- en el lugar exacto el valor de cada punto y de cada línea según estos dos ejes: el del arrastre (x) y la posición en cada línea (y).
-
la rotulada como S2 contendría el valor de brillo de cada punto en cada línea.
-
la rotulada como S3 puede contener otra información auxiliar: si la toma se ha digitalizado de manera normal o en alto contraste, si en exploración normal o de alta resolución, si se ha aclarado u oscurecido, si contiene o no medios tonos, etc ...
Todas estas salidas S1, S2, S3, ... Sn van con posterioridad al codificador que convierte los impulsos de manera adecuada y los codifica en forma de bits (dígitos binarios) para su emisión a distancia: en el caso de un telefax esta distancia puede oscilar entre una decena de metros (en unas oficinas de varias plantas) a miles de kilómetros (en el caso de oficinas comerciales en el extranjero). Es posible la existencia de ruido en la línea (que puede ser un conductor, en el caso de líneas telefónicas, o el espacio en el caso de radioenlaces), ruido que degrada la calidad de la información transmitida llegando, en ocasiones, a perder parte de la información si los bits afectados son adyacentes. Para evitar este efecto se introducirá en cada porción de la información ("palabras" en el argot informático) unos bits que sirvan en el receptor para saber si en su llegada hay o no cambios con respecto a lo que se emitió del emisor: el ejemplo más sencillo es el denominado bit de paridad, que detecta y corrige la presencia de un bit erróneo. Esto se consigue por medio de códigos correctores, de los cuales no hablaré porque nos centraremos en la digitalización y no en la transmisión de datos; basta saber que en los fax actuales es posible reconstruir parcialmente una imagen ligeramente degradada, aunque no si el ruido es notorio y se pierde mucha información.

La imagen digitalizada constará, como es lógico, de una cantidad limitada aunque puede ser muy grande, de puntos de información (o bits) cada uno de ellos con 3 valores:
-
el valor de posición del eje x, el lugar que ocupa en cada línea.
-
el valor de posición del eje y, la línea en que se encuentra.
-
el valor de brillo.
En el caso de una imagen normal -ideal para transmitir textos- este último valor sólo puede ser 0 ó 1, dependiendo de si ese punto contenía o no luminosidad y de si ésta alcanzó un umbral mínimo de activación, pero esto son aguas mayores que no trataré ahora por ser algo fuera de nuestro interés; en el caso de que esta imagen se desee leer en modo medios tonos o imagen con grises -ideal para trasmitir fotografías- este valor puede variar entre 0 (para un punto totalmente blanco) y un cierto valor máximo que puede ser 7 si el detector trabaja con 8 niveles de gris (0, 1, ..., 7) ó superior si trabajo con un número mayor de bits. A menor valor más claro y a mayor valor más oscuro; de este modo puede simularse una escala de grises, aunque según la electrónica de los procesadores se pueden utilizar otras técnicas matemáticas más complejas, como la interpolación o el tramado.

Este ejemplo del fax, tan corriente hoy en día en nuestra sociedad informatizada, nos ha servido para conocer de un modo superficial la conversión analógico-digital. Para los más curiosos puedo decir que en 1842 Alexander Baim sentó sus principios, en 1902 Arthur Kirn empleó ya la célula fotoeléctrica, en 1922 se transmitió la primera imagen (Roma-Bar Harbor, Maine) y en 1937 fue lanzado el primer periódico emitido por radio-facsímil, difundiéndose esta técnica comercialmente desde 1948. Hoy en día no se concibe una oficina sin fax.
El C.C.D.
Para capturar una imagen por medios electrónicos tenemos dos posibilidades:
-
utilizar una cámara de TV o
-
emplear un detector CCD.
Ambos casos transforman las variaciones lumínicas analógicas del objeto a captar en valores digitales (números) que se pueden interpretar electrónicamente. Pero hay dos diferencias fundamenteles entre el tubo y el sensor CCD: la primera es que mientras el tubo está formado por una capa fotoconductiva homogénea (el target), que será explorada y propociona una señal de salida continua, el chip CCD está formado por una serie de elementos discretos que serán interrogados de forma secuencial. La segunda diferencia es que la superficie del target del tubo puede ser variada durante la exploración (para adaptarla a la imagen originada por el objetivo), pero el formato del CCD es fijo y habrá de ser la lente la que se tendrá que adaptar al formato que se desee. El sistema del tubo no nos interesa en absoluto en este caso.

En el segundo caso partimos también de una imagen analógica en la cual encontramos variaciones
de brillo de unas zonas a otras; esta imagen puede ser lo mismo una toma viva (obtenida a través de un telescopio) como una imagen sobre soporte (una fotografía) que va a ser analizada. En estos dos ejemplos el sistema de captación o transformación de imagen es similar: la utilización de un chip CCD.

Pero ¿qué es un chip CCD?; un chip CCD (siglas que corresponden a Charge Coupled Device o Dispositivo de Carga Acoplada) no es más que una pastilla semiconductora de tecnología MOS (Semiconductor Metal Óxido) sobre la cual se han grabado con técnicas especiales miles de ASTRONOMÍA CON CCDcondensadores: cada uno de ellos se forma colocando un conductor en la superficie del silicio semiconductor (substrato); el conductor y el substrato están separados por un estrecho aislante. Si se aplica una tensión al conductor primero se formará en el substrato, inmediatamente debajo del conductor, una región de deplexión en la cual se pueden mantener las cargas; es decir, que si se aplica una tensión positiva al conductor la región de deplexión se forma y si proyectásemos inyectar cargas negativas en esa región citada la carga se mantendrá allí: así pues las cargas que en un condensador normal se mantienen en las placas conductoras -separadas una de la otra por la capa de aislante- en el chip se albergan en una zona inmediatamente debajo del conductor.

ASTRONOMÍA CON CCDLa estructura de un registro de desplazamiento acoplado por carga o CCD se produce porque a lo largo de las superficies del substrato se localiza, en las proximidades, un array de electrodos de
conducción. En el esquema he marcado un array de 4 electrodos adyacentes que están gobernados por 4 señales de reloj. Como se indica en este esquema en el primer ciclo t1 del reloj mientras en el condensador A1 tenemos carga en el A2 y A3 no la hay; en el siguiente paso del reloj t2 la zona de deplexión bajo A1 persiste mientras que se forma una nueva bajo A3. En el siguiente ciclo t3 se forma una zona de deplexión debajo de A2 con lo cual la carga de A1 se extiende hasta A3 a través de A2: como resultado la carga se ha repartido por toda la región extendida. Durante los dos intervalos t2 y t3 una y otra región están sin formar, empujando la carga a la derecha para que en el intervalo siguiente t4 la carga existente originalmente en A1 se desplace lateralmente hasta la zona A3. Disposiciones especiales deben hacerse para inyectar carga en la primera región de deplexión cuando se requiera y para detectar presencia o ausencia de carga en la última región de deplexión; estas inyecciones y detecciones se realizan siempre en sincronismo con la señal del reloj. Como es natural en todo circuito, siempre existe una cierta disipación de energía en la carga cuando ésta se transfiere en el registro de desplazamiento, siendo por ello necesario incluir provisión para refrescar la carga periódicamente a lo largo de toda la estructura.

Un ejemplo de CCD simple puede ser el chip Intel 2.464 CCD: la memoria contiene 256 registros de desplazamiento recirculantes cada uno con 256 bits; con una capacidad de 256 x 256 ó 65.536 bits (64 Kb en total) la memoria tiene una única línea de entrada y otra de salida de datos. Mientras que los primeros chips CCD se fabricaron experimentalmente a inicios de los años 1970, no llegaron a las cámaras de televisión comercial hasta 1986 (con el modelo ICX-018, de 268.000 píxeles en un formato de 510 columnas por 493 filas), mejorados en 1987 (con la atenuación del smear*) y 1988 (chips de 380.000 píxeles y 778 columnas por línea). Las cámaras modernas de TV comercial o las videocámaras de aficionado son todavía más eficientes y presentan muy pocos problemas comparados con sus ventajas.

Todo esto está muy bien y quizá algún aficionado se haya enterado más o menos de su funcionamiento teórico, pero ¿cómo se presenta el chip CCD? Para el aficionado profano el chip no es más que un pequeño dispositivo integrado muy reducido (unos 3 mm de lado y hasta 8,6 x 6,5 mm en los nuevos modelos, algo mayor en los más recientes) similar a otros de su estilo que es capaz de los mayores milagros nunca antes logrados por aficionados a la astronomía: posee una sensibilidad superior a los 20.000 ASA, es capaz de detectar estrellas individuales en la galaxia M-31 con exposiciones de sólo 5 minutos -en un reflector de 400 mm- y puede conseguir con una imagen deficiente o mediocre auténticas maravillas.

¿Cómo funciona este milagro?; es bien sencillo: tal y como he explicado el pequeño chip empaqueta de manera muy densa una malla de fotodiodos microscópicos (los condensadores A1, A2, ... del ejemplo anterior) cada uno de los cuales va a recibir la luz y formará un elemento de imagen (picture element o pixel). Al recibir luz cada uno de estos condensadores se activará con una eficiencia cuántica que ronda el 50-80% según la calidad del chip o la longitud de onda recibida -compárese con el 2% de los filmes usuales o el 5% de los mejores filmes fotográficos- acumulando una carga eléctrica en la citada zona de deplexión. A medida que el chip recibe luz con el paso del tiempo va almacenando electrones en cada pixel en proporción a la luz recibida; al cabo de un período de tiempo t (tiempo de integración) se mide la carga acumulada en cada celdilla por el procedimiento de correr las cargas de cada pixel al adyacente, como ya he indicado: de este modo las cargas son conducidas de uno en uno hasta salir por el extremo del chip; en este punto un circuito especial cuantifica el valor de la carga acumulada que va siendo expulsada del chip por las salidas del mismo (emitiendo un valor en forma numérica ASTRONOMÍA CON CCD-digital-). En este esquema he representado un chip hipotético de 5 líneas con 5 elementos por línea, es decir 25 píxeles en total; los modelos usuales poseen 192 x 165 píxeles e incluso superior en los más complejos. Este proceso que comienza en el primer pixel de la primera línea se va repitiendo línea por línea hasta haber leído todo el chip: de este modo se ha obtenido una larga lista de valores numéricos que corresponden a la carga eléctrica de cada pixel ordenados línea a línea; ahora esta larga lista de números puede ser tratada de manera digital, almacenándose en formato magnético si se desea o dirigiendo la señal hasta un tubo catódico en donde formará una imagen reconocible, previa codificación por el circuito adecuado.

Al tener un rendimiento cuántico tan elevado su sensibilidad a la luz es equivalente a la de un film fotográfico de 10.000-50.000 ASA o más, además de tener una respuesta prácticamente lineal a la recepción de la luz: no posee el nefasto y tan molesto efecto de reciprocidad (efecto Schwarzschild citado) típico de los filmes corrientes. Otra ventaja es que permite obtener tiempos de integración (o intervalos de lectura de los píxeles) que oscilan entre los 50 milisegundos y los 10 minutos o más, con lo cual estamos en disposición de controlar el tiempo de exposición. Por lo general el rango de trabajo con luz oscila entre los 400 nanómetros (luz azul) y los 1.100 (infrarrojo cercano), siendo bastante sensible al rojo y algo menos al azul; ello se puede evitar o paliar empleando filtros correctores de color si así se desea. En general la eficiencia es del 10% para los 450 nm, sube a 45% en los 600 nm, alcanza el máximo (55%) en los 650 nm y se estabiliza en los 46-48% en el trayecto 680-800 nm, para descender rápidamente al 20% al llegar a los 880 nm bajando ya al 10% en los 900 nm. Los chips más novedosos tienen una eficiencia cuántica ligeramente diferente a la aquí descrita.
* Smear: línea de saturación que se produce en los tubos de televisión, similar al blooming de las CCD.
 
 
Los trabajos publicados sólo pueden ser reproducidos
con la expresa autorización de sus autores.
Estamos en contacto: betelyuz@yahoo.com
Por cualquier corrección, sugerencia o comentario.
 
Portada Acerca de... Índice Contacto Links