Técnicas - Qué es un CCD?

Muy pocos astrónomos profesionales siguen usando emulsiones fotográficas para captar imágenes del cielo. La película ha sido sustituida por los chips electrónicos. Y esta revolución digital se esta extendiendo también a la astronomía amateur.
Incursionar en la astrofotografia digital puede ser tan simple como colocar una cámara de video en el ocular de un telescopio. Se apunta el telescopio hacia la Luna, se inserta un ocular de aumento bajo y se sujeta la cámara de video encima del ocular o, mejor todavía, se coloca la cámara en otro trípode de modo que quede dirigida hacia el ocular. Se enfoca al infinito el objetivo de la cámara de video y se coloca en posición de teleobjetivo para ver aumentadas pequeñas partes de la Luna. Utilizando la cámara de video de la misma forma se pueden captar imágenes de los planetas.

IMÁGENES DIGITALES

La mayoría de las cámaras de video de uso doméstico no tienen la suficiente sensibilidad para captar imágenes de nebulosas y galaxias. Para objetos tan lejanos se recurre a cámaras CCD especiales. 
CCD significa «dispositivo de carga acoplada», un tipo de chip fotosensible semejante a los que se utilizan en las cámaras de video domésticas.
En lugar de imágenes en movimiento, las cámaras CCD registran exposiciones largas, durante las cuales la luz incide sobre una serie de píxeles dispuestos en forma de cuadrícula sobre el chip. Al final de la exposición, cada píxel lee el voltaje que corresponde a la cantidad de luz que ha recibido. Estas cifras se digitalizan (es decir, que se convierten en números binarios: ceros y unos) y se envían a la computadora, que muestran la imagen en la pantalla.

EXPLICACIÓN TÉCNICA

Básicamente convierte un fotón que ingresa en el dispositivo en un electrón que queda almacenado en la matriz de píxeles hasta que son requeridos por la computadora para convertirse en imágenes. Se puede dividir este proceso en 4 pasos:

1. Generación de la carga (Proceso físico llamado efecto fotoeléctrico en el cual los fotones chocan contra un material y liberan electrones)  
   
2. Recolección de la carga (Los fotoelectrones son juntados por las celdas más cercanas para definir los píxeles)  
   
3. Transferencia de la carga (La carga es transferida, manipulando el voltaje en forma sistemática hacia los registros de salida. Estos paquetes son transportados a un amplificador  
   
4. Detección de la carga (Los paquetes son convertidos en voltaje de salida. Cada píxel es decodificado y reconstruido en el monitor de la computadora)  
   

ENFRIAMIENTO

La CCD produce mayor cantidad de electrones durante su proceso interno que la fuente de fotones que ingresan en el dispositivo, provocando que la señal se pierda en el ruido que genera el aparato.
Internamente la CCD genera ruido térmico y ruido a causa de la operación de sus componentes electrónicos. El objetivo es eliminar estas fuentes de ruido y esto se logra enfriando los componentes. Unos pocos segundos de temperatura ambiente (digamos 25ºC) son suficientes para llenar los píxeles de ruido térmico. Es imprescindible enfriar la CCD para obtener mejor calidad en las imágenes, sobre todo cuando se requiere un tiempo largo de exposición. Las cámaras llegan a enfriarse a temperaturas bajo 0ºC permitiendo más sensibilidad en la captación de fotones.
Enfriar un CCD por medio de líquidos a muy baja temperatura, es más eficiente que a través de un sistema eléctrico, pero es un sistema reservado para medios equipados con alta tecnología, debido al equipo necesario para almacenar y utilizar tales líquidos.
Así pues, el proceso más comúnmente usado, es el del refrigeramiento termoeléctrico, también conocido como células de Peltier. Estos dispositivos, trabajan como una “bomba de calor”. Estas células, se deben accionar con corriente continua. La mejora de la eficiencia puede ser realizada utilizándose células en cascada con la posible incorporación de un sistema diferente (por ejemplo agua o glicol). La última célula enfría al CCD, la anpenúltima enfría a la última, y por último el circuito de líquido enfría a ésta.
   

EXPOSICIÓN OSCURA

Por más que se enfríen los componentes electrónicos del CCD, siempre queda ruido por eliminar. Gracias a la facilidad que tenemos de manejar la información en una computadora, nos permite utilizar técnicas alternativas para eliminar el ruido restante. Una de ellas es el “dark frame”. Simplemente consiste en tomar una exposición oscura igual a la exposición que se desea, misma cantidad de tiempo a misma temperatura. En este cuadro oscuro aparecerá el ruido generado en ciertos píxeles. Cuando el cuadro oscuro es substraído del cuadro final o “light frame” el ruido es eliminado. Resultado, una mejor imagen.

CARACTERÍSTICAS DE LA CCD QUE AFECTAN A LA IMAGEN

Tamaño del píxel:

Cada chip CCD tiene como propiedad el tamaño del píxel. El rango generalmente oscila entre 7 a 25 micrones. Los píxeles pequeños otorgan más resolución mientras los grandes al tener más capacidad tienen mayor sensibilidad. También influye la configuración del telescopio, mayor distancia focal aumenta la resolución de píxeles grandes, menor distancia focal aumenta la velocidad de captación de píxeles chicos. El objetivo consiste en encontrar una configuración adecuada entre su telescopio y su CCD.

Capacidad de carga del píxel “Full Well Capacity”

La cantidad de electrones que el píxel puede cargar hasta llenarse. Hay que tener en cuenta que los objetos muy tenues que necesitan exposiciones largas no llegan a completar esta capacidad. Solo las estrellas más luminosas pueden llegar a colmar la capacidad.

Ruido térmico “Dark current”

Debido a efectos térmicos, se genera este ruido por el flujo de electrones del semiconductor. Este ruido térmico se elimina enfriando el CCD. Hay que tener en cuenta que por más que se enfríe, el ruido generado por la polución lumínica del sitio de observación puede ser mayor al ruido generado por la CCD enfriada. Para ello hay que utilizar filtros LPR (Light Polution Filters).

Ruido de lectura “Read Noise”

Una vez enfriada la CCD, este ruido de fondo generado por los circuitos y amplificadores de la CCD generalmente es menor al ruido obtenido por el fondo de la imagen expuesta.

Transferencia del cuadro

Cuando la imagen se forma, lo hace en un area del CCD llamado “area de imagen” una vez que se cumple el tiempo de exposición debe pasar a otra area de almacenamiento. La transferencia de un area a otra es la transferencia de cuadro. No hay un obturador mecánico en el proceso, la transferencia se realiza en forma electrónica y muy velozmente.

Protección a la sobre-exposición “Antiblooming protection”

Cuando la capacidad de almacenamiento de los píxeles se satura, en una CCD común se comienza a invadir a los píxeles vecinos, generando una mancha blanca, generalmente en sentido vertical. Se denomina “blooming” a este efecto. Sin embargo hay CCD que cuentan con una protección a tal efecto. El precio que hay que pagar, es menor sensibilidad, y quizás una respuesta no lineal a los valores que obtiene el chip. Esto último es una limitante en el momento de tomar medidas fotométricas exactas. Hay cámaras que tienen el manejo de esta protección en forma variable, quiere decir, que puedo elegir cuánta protección quiero.

Convertidor Analógico/Digital y Digitalización

Existen CCD´s de 8bits, 12bits, 16bits, etc. En general con un convertidor A/D con más precisión, se espera una mejor respuesta, pero en realidad, el CCD es el limitante y no el convertidor A/D. Se define esta relación entre la CCD y el convertidor A/D como rango dinámico de la CCD. Es el rango entre la captación del objeto más brillante (sin saturar la imagen) y el objeto más tenue. En este proceso de conversión se genera un ruido de cuantización.

Junta de píxeles. “Binning”

Es el proceso de combinar varios píxeles en uno de mayor tamaño. Reduce el tiempo de digitalización y de transferencia de información, preservando el aspecto de la imagen.

Respuesta espectral

Es la respuesta a distintas longitudes de onda de espectro de luz. Esta característica de la cámara está ligada al proceso básico de fabricación de la misma. El chip responde distinto a distintas longitudes de onda. Para obtener fotografías en colores es fundamental de la CCD tenga una buena relación de captación de las distintas longitudes de onda.

ELECCIÓN DE UNA CCD

La principal diferencia entre las distintas cámaras es el tamaño de los chips. Las más baratas llevan chips de 196 x 165 píxeles, mientras que las más caras tienen chips de 1.000 x 1.000 píxeles o más.
Cada año, los chips aumentan de capacidad y bajan de precio. La ventaja de un chip más grande es su capacidad para registrar una superficie del cielo más grande. Esto es fundamental, porque incluso los chips más grandes son más pequeños que un fotograma de una película de 35 mm, y con distancias focales de 2.000 mm o más, se ven áreas de cielo de apenas unos cuantos minutos de arco, menores que el disco lunar. Sin embargo, las cámaras CCD son extraordinarias para registrar planetas, galaxias, y nebulosas y cúmulos más pequeños.
Es importante utilizar la cámara CCD con un telescopio que tenga la distancia focal adecuada. Muchas de las cámaras actuales tienen píxeles diminutos, de apenas 9 micrones (0,009 mm) de diámetro. Conectadas a un telescopio con una distancia focal de 1.000 mm por lo menos, estas cámaras de alta resolución captan imágenes tan nítidas como lo permita la atmósfera. En cambio, cuando se usan con telescopios de distancia focal mas corta, los píxeles serán más grandes que las imágenes de las estrellas, y entonces aparecen extrañas estrellas cuadradas.
La mayoría de las cámaras CCD son en blanco y negro. Para producir imágenes en color hay que tomar tres exposiciones, una a través de un filtro rojo, otra con el verde y otra con el azul, que después se fusionan en la computadora mediante un procesador de imágenes.
Para obtener imágenes limpias y sin ruido hay que tomar dos exposiciones de calibración: una es la exposición oscura “dark frame”, una imagen con el mismo tiempo de exposición que la exposición principal pero tomada con la tapa del objetivo puesta, que registra el ruido de fondo inherente a todas las cámaras, y una exposición plana, una exposición corta de una pantalla en blanco o una luz fuerte para registrar fallos como píxeles muertos y manchas de polvo. Entonces se utiliza un programa para procesar la imagen que elimine electrónicamente estos defectos de la imagen principal.
Las CCD no son adecuadas para aquellas personas que escapan a la tecnología, pero si es aficionado a la informática, le fascinarán las imágenes CCD.

CCD vs FILM

Vínculos a páginas de CCD