– | la rotulada como S2 contendría el valor de brillo de cada |
– | la rotulada como S3 puede contener otra información |
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 |
– | el valor de posición del eje y, la |
– | 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 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 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 -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.
CONTROVERSIA SOBRE EL
CCD
Pero no todo en el CCD son ventajas; entre los inconvenientes
que encuentran los detractores
de esta novedosa técnica caben destacar los siguientes:
| resolución escasa: ello viene originado por
|
| imágenes con medianos niveles de grises: una
|
| campo visual muy reducido: con una focal de 1.000 |
| corriente de oscuridad: ello quiere decir que |
Entre las indudables ventajas de esta novedosa tecnología
destacan:
| magnitud límite escandalosa: con la "barata" |
| adición de imágenes: si obtenemos una |
| tratamiento de la imagen: como la salida de la |
| sensibilidad dispar a los colores: como ya |
| guía automática de telescopios: esta |
| mediciones astrométricas: algunos modelos, Esta característica tan potente nos permite seguir y Si el instrumento sobrepasa los 200 mm de abertura, la |
| resultados de miedo: podemos estudiar las Con exposiciones de 60 s y la ST-4 se alcanza la 16ª Exposiciones de pocos segundos revelan la presencia de | |||
En aquellos trabajos en los que sea necesario el uso del color
(imágenes planetarias, estudios colorimétricos de sus
satélites, captura de nebulosas gaseosas y planetarias,
variables rojas o azules, cometas, estrellas enanas rojas o
pardas, estudios sobre asteroides y sus diferentes clases,
estudios estelares colorimétricos …) se puede conseguir
éste por medio de la técnica de la
tricromía: basta obtener una imagen del objeto a
través de tres filtros -rojo, verde y azul-; la adición
de las tres tomas en una única fotografía, por medio
del empleo del programa adecuado, crea una imagen en color que
puede ser incluso bastante próximo al real. Como es de
suponer hace falta controlar adecuadamente el tiempo de
exposición con cada uno de los filtros, ya que al no tener
la misma capacidad de transmisión ni actuar de mismo modo
sobre el chip la imagen puede quedar demasiado "roja" o "azul",
falseando el aspecto real: no olvidemos nunca la respuesta dispar
a cada longitud de onda; un buen ejemplo de todo esto es la
diferente sensibilidad a los colores que presenta el chip
ICX055AL, de la cámara StarlightXpress MX516, sobre estas
líneas: se ve que el pico de respuesta máxima está
centrado en la zona verde del espectro (530 nm). Con varios
tanteos y anotando una escala de calibración con estos
resultados el asunto queda zanjado.
Curva de sensibilidad espectral de las cámaras de la
marca Starlight Xpress
(gentileza de Michael Hattey, SX Ltd.)
Si nuestra necesidad es imperiosa y el bolsillo lo permite, se
debe adquirir una CCD que cuente ya con una adecuada rueda de
filtros de color: creo que es mejor adquirir las imágenes
con este tipo
de montaje óptico que "chapucear" con vidrios de color
teñidos, aunque si uno no tiene la suficiente capacidad
económica, pero cuenta con mucha inventiva, podrá
conseguir los resultados artísticos que desea… Otra
solución es adquirir filtros del tipo Kodak Wratten con los
cuales incluso podemos emular los filtros fotométricos
Johnson: por ejemplo el Wratten 56 (verde) equivale
aproximadamente al V, el Wratten 25 (rojo) equivale al
R o el Wratten 80A (azul) que equivale al B: sin
embargo en los trabajos fotométricos serios, de calidad,
recomiendo encarecidamente el uso de filtros fotométricos
del tipo Johnson o similares, aunque sólo podamos comprar el
V…
Finalmente un consejo para el bolsillo: los estudios
astronómicos serios no precisan de bellas imágenes
coloreadas, sino de imágenes de alta calidad; no pensemos
que presentar una imagen de Saturno, con bellos pero borrosos
cinturones coloreados, es más científico o valioso que
una imagen en blanco y gris, sobre todo si ésta presenta
más detalles nítidos que la de color. El color
está bien para imágenes estéticas, si nos gusta
también dedicarnos al arte, pero no es preciso ni
esencial para obtener resultados científicos salvo en campos
muy concretos.
Observatorio Astronómico de Cáceres (CCD
Photometry Department)
Asociación de Variabilistas de España
Gruppo di Ricerca Astrofotometrico Variabilisti –Italia–
Asesores Astronómicos Cacereños
21 de Marzo de 2004.
Autor:
Francisco A. Violat Bordonau 
Asesores Astronómicos
Cacereños
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