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Nos encontramos...!
| ASTRONOMÍA CON CCD Francisco A. Violat Bordonau |
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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: |
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| ¿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  digitales).
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: |
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| 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: |
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| 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. |
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 El
C.C.D. |
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| Para capturar una imagen por medios electrónicos tenemos dos posibilidades: | ||
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| 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  condensadores:
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. La
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 deconducción. 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  -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. |
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| * Smear: línea de saturación que se produce en los tubos de televisión, similar al blooming de las CCD. | ||
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