Cámaras CCD: características

En astrofísica se obtienen imágenes espectaculares del Universo gracias a las cámaras CCD, en esta entrada hablaremos un poco sobre ellas para que sepáis las enormes posibilidades de estos sensores para obtener imágenes espectaculares de los objetos del firmamento.

Un sensor CCD es simplemente un dispositivo para detectar la luz. Las siglas “CCD” significan “Charge Coupled Device” (dispositivo de carga acoplada) y consta de un circuito integrado que tiene una cara fotosensible.

El sensor de la CCD sería el equivalente a la película de una cámara tradicional. La cara fotosensible es rectangular y está dividida en una cuadrícula de condensadores rectangulares (elementos de imagen o píxeles), cada una midiendo aproximadamente 10-30 micras. Normalmente, los chips CCD modernos contienen entre 2000 y 4000 píxeles, por lo que cada lado de un chip CCD mide aproximadamente entre 1-3 centímetros. Los píxeles son tan pequeños que normalmente la imagen de una estrella abarca varios píxeles adyacentes. Cuanto mayor sea el número de píxeles de un CCD, más detallada será la imagen.

ccd

Cuando un fotón llega a un píxel genera una pequeña carga eléctrica que se almacena para una posterior lectura de datos. La cantidad de carga acumulada aumenta conforme aumenta el número de fotones que inciden en la superficie del sensor CCD: cuanto mayor sea la iluminación, mayor será la carga. Se puede calcular de forma aproximada la cantidad de luz que ha captado cada píxel, mirando la cantidad de carga que tiene almacenada. La carga acumulada en cada píxel se convierte en un número. Este número se registra en unidades arbitrarias que se llaman ADU (unidades analógico-digitales) o simplemente “número de cuentas”.

¿Cómo genera una imagen?

-Un sensor CCD tiene que llevar a cabo cuatro tareas para poder generar una imagen: generar carga, acumular carga, transferir carga y detectar carga.

  1. Generar carga

La carga se genera a través del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es el proceso de emisión de electrones de una superficie de un metal como respuesta a la luz directa. Los electrones dentro del metal  absorben la energía de la luz directa dando a los electrones suficiente energía para salir de la superficie del  metal. Los electrones emitidos se denominan fotoelectrones.

  1. Acumular carga

Los fotoelectrones generados a través del efecto fotoeléctrico van rápidamente al píxel o sitio de colección  más cercano. Los sitios de colección se distinguen por un grupo de electrodos llamados puertas. Esta puertas  proporcionan a cada píxel la capacidad de guardar los electrones en un pozo potencial hasta el final de la  exposición.

  1. Transferir carga

La transferencia de carga ocurre, una vez que termina la exposición, al cambiar el voltaje de las puertas. Al cambiar el voltaje de las puertas, se puede modificar la profundidad de los pozos potenciales. Esta acción permite la transferencia de los fotoelectrones por los registros hasta el circuito de lectura.

  1. Detectar carga

Los paquetes de cargas individuales se convierten en un voltaje de salida. Este voltaje de salida se convierte en un valor digital (DN) conocido como cuentas o ADU (unidades analógico-digitales).

-Términos como ganancia, eficiencia cuántica, ruido de lectura o linealidad se asocian al  uso de los CCD.

Ganancia:  La ganancia no es más que la constante de proporcionalidad que permite convertir el voltaje en cuentas y se expresa en unidades de e-/ADU

Ruido de lectura: Ruido de lectura (read noise) es el número de electrones introducidos por cada píxel a la señal final de la lectura del dispositivo.

Eficiencia cuántica: La eficiencia cuántica (EC) es el número de fotoelectrones generados en un píxel por cada fotón de luz que choca contra la superficie, es decir es el porcentaje de luz que se puede detectar en un CCD.

eficienciaComo puede verse en la gráfica una cámara CCD detecta mucha más luz y en más longitudes de onda que el ojo humano y un cámara de fotos tradicional.

Linealidad: significa que, si un píxel recibe dos veces más fotones que otro píxel, tendrá el doble de carga que el primero. Cada píxel puede almacenar un número máximo de electrones, esto se denomina capacidad de pozo lleno (Full Well Capacity) y depende del tipo de CCD. Los electrones de un píxel saturado irán a las células de al lado, y si estos también están saturados, irán a los siguientes.

-Una vez obtenidas las imágenes se deben de corregir de los artificios (defectos de imagen) que puedan tener, esta es una parte bastante más complicada y que explicaré en una próxima entrada. Pero como adelanto de algunas de las cosas a hacer cuando obtenemos una imagen es:

  • Reducción y calibración de imágenes CCD, corrección de Bias y flats.
  • Fotometría
  • Extracción de magnitudes instrumentales
  • Cálculo de las magnitudes en el exterior de la atmósfera, determinación del coeficiente de extinción.
  • Conversión de las magnitudes obtenidas al sistema estándar

Pero todo esto lo veremos en detalle en una próxima entrada 🙂

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