Resumen del comunicado presentado en el I Encuentro Interagrupaciones de Astronomía en Castejón de Sos.
 
 

PREFACIO

El uso de la tecnología de sensores CCD está cada vez mas extendida entre los aficionados a la Astronomía. Día a día parecen en el mercado cámaras CCD con mejores prestaciones y a precios mas asequibles. Se puede decir que en la actualidad ha desbancado por completo a las técnicas fotográficas en la obtención de datos con rigor científico, y poco a poco ocupa también el espacio dedicado a la obtención de imágenes con motivos estéticos.

    Sin embargo, la técnica necesaria para el uso de una cámara CCD es algo mas compleja que en fotografía y existe la dificultad añadida de la escasez de bibliografía al respecto. La mayoría de las publicaciones están en ingles a excepción de dos o tres libros en castellano.

    Por todo ello, se da con frecuencia que los aficionados se lancen a la experimentación con este tipo de cámaras sin comprender los principios básicos de su funcionamiento. No obstante los fundamentos físicos y electrónicos sobre los que se sostiene son sencillos y fáciles de comprender y sirven de base para entender correctamente las distintas técnicas inherentes al uso de estas cámaras.

El presente artículo pretende explicar de una forma sencilla y apoyado principalmente en gráficos el funcionamiento básico de una cámara CCD. Está basado en un modelo de cámara muy popular a nivel mundial. La CookBook 245. Se trata de una cámara de fabricación casera realizada a partir del trabajo publicado en 1992 por Richard Berry.. La tecnología de esta cámara es similar a cualquiera de las existentes en el mercado y por tanto las explicaciones dadas en este artículo son aplicables a todas ellas.

EL EFECTO FOTOELECTRICO

Los sensores CCD utilizan una característica de ciertos materiales de reaccionar ante la luz conocida como efecto fotoeléctrico. La explicación íntima de este fenómeno le valió a Albert Einstein el premio Nobel de Física de 1992 por su contribución a la teoría Cuántica.

Consiste en la liberación de un electrón de la estructura del material a cambio de absorber un fotón. Esta propiedad está presente en algunos metales y semiconductores, entre ellos el Silicio. El Silicio en estado muy puro y cristalizado es el material que emplean los sensores CCD.

Si un cristal de Silicio, que inicialmente se supone en estado eléctrico neutro, es expuesto a una fuente de luz libera electrones de su estructura. Puesto que los electrones son partículas de carga negativa, el Silicio al perder electrones adquiere un estado eléctrico positivo. Es decir , se ioniza.

Los electrones son partículas invisibles a nuestros ojos. Para detectarlos se puede construir un circuito como el de la figura.

    Sobre el cristal de Silicio se sitúa una placa de material conductor, por ejemplo Cobre, conectado al polo positivo de una pila. Entre medio un amperímetro nos indicará el paso de electrones hacia dicho polo.Inicialmente se trata de un circuito abierto y por tanto el amperímetro intercalado en el, no indica ningún flujo de corriente. Una vez que comienza a incidir luz sobre el Silicio se liberan electrones que al ser partículas negativas son atraídas por la placa positiva y absorbidas por ella. Los electrones fluyen hacia el positivo de la pila creando una corriente que es indicada en el amperímetro. Esta corriente es proporcional al numero de electrones liberados por el Silicio y por lo tanto a la cantidad de luz recibida por el. Así pues, este circuito representa un rudimentario fotómetro.

UTILIZACION DEL EFECTO FOTOELECTRICO PARA OBTENER IMAGEN

Dado que tenemos un material fotosensible, podríamos intentar utilizarlo para obtener imágenes astronómicas de forma similar a como se hace con una película fotográfica. Para a ello utilizamos un telescopio apuntado al objeto que vamos captar. En el ejemplo utilizaremos la galaxia M51.

Colocando el cristal de Silicio en el foco del telescopio, este proyecta la imagen de la galaxia sobre su superficie. El cristal entonces emite electrones de forma proporcional a la luz recibida en cada zona. Esto da como resultado que inicialmente se forme una replica de la imagen, pero constituida por electrones. Llamaremos a esto imagen latente.

    Sin embargo, la imagen latente se destruye a medida que se forma debido a que los electrones que la constituyen siguen moviéndose. Es necesario por tanto conseguir un dispositivo que retenga los electrones en sus posiciones de origen.

EL SENSOR CCD

Para lograr inmovilizar los electrones una vez se han formado se construye una estructura llamada sensor CCD.

    Se parte de una porción de Silicio muy puro al cual, durante el proceso de cristalización se introducen impurezas formando unas bandas según la figura.

     A esto se le llama DOPAR el cristal. Las impurezas alteran la estructura del cristal y sus propiedades eléctricas creando un semiconductor tipo P. Este tiene la propiedad de generar un campo electrostático permanente de valor negativo, es decir que repele electrones. Las bandas actúan como un aislante para los electrones impidiendo que estos puedan cruzarlas. Estas bandas se denominan Canales de Paro.

Sobre esta estructura se coloca una capa de Oxido de Silicio. El Oxido de Silicio es un material transparente pero eléctricamente aislante. Es decir permite el paso de fotones pero impide el de electrones.

A continuación se coloca una fina trama de conductores en sentido horizontal denominados ELECTRODOS. Los electrodos están agrupados formando tríos. La región que abarca un trió de electrodos y situada entre dos canales de paro se conoce con el nombre de PIXEL.

Todo el conjunto funciona como una trampa electrostática de la forma que veremos a continuación.
 
 

INTEGRACION

El sensor CCD así formado se expone a la luz en el foco del telescopio de la misma manera que anteriormente. Previamente se aplica un potencial positivo a los electrodos centrales de cada pixel. De esta forma los electrones a medida que se liberan se ven atraídos por el electrodo mas cercano a su lugar de origen. No pueden alcanzar dicho electrodo porque se lo impide la capa aislante de Oxido de Silicio. Tampoco pueden recorrer longitudinalmente al electrodo porque se interponen los canales de paro. En estas condiciones los electrones se van acumulando en la proximidad del electrodo formando un paquete o carga de electrones. El número de electrones que integra el paquete es proporcional a la cantidad de luz recibida en la región del pixel.

Esta operación de exponer el sensor y atrapar los electrones formando paquetes o cargas se denomina tiempo de integración. El resultado es una imagen latente, pero constituida por un mosaico de cargas de electrones de distintos tamaños. Para que la imagen tenga una resolución suficiente es necesario que exista un gran numero de estos paquetes, es decir, unos cuantos miles de pixeles.

El sensor que incorpora la cámara CookBook 245 está constituido por una matriz de 756 pixeles de ancho por 242 de alto. El tamaño total del sensor es de 6,42 x 4,77 mm. y cada pixel mide 8,5 x 19,7 micras.

El sensor CCD junto con algunos circuitos electrónicos auxiliares se encuentra encapsulado formando un circuito integrado que se denomina CHIP CCD.

LECTURA DE LA IMAGEN LATENTE.  (TRANSFERENCIA DE CARGA)

Al finalizar la fase de integración tenemos la imagen de la galaxia con sus electrones inmovilizados gracias al potencial positivo de los electrodos centrales del pixel. Sin embargo esta imagen continua sin poder verse al estar constituida por electrones invisibles. Para poder visualizarla utilizaremos un proceso que puede resumirse en los siguientes puntos:

    1) Extraer individualmente cada carga de electrones.

    2) Valorar la cantidad de electrones que integran la carga.

    3) Dibujar un punto en la pantalla de ordenador de intensidad luminosa proporcional al valor de la carga y en la posición equivalente dentro de la matriz de pixeles.

    Para extraer las cargas de electrones del sensor se utiliza un procedimiento denominado Transferencia de Carga en el que entran en juego la totalidad de los electrodos.

    Primeramente se aplica un potencial positivo al electrodo inferior del pixel. Los electrones se ven atraídos ahora, tanto por el electrodo central que continua en positivo, como por el electrodo inferior. Las cargas de electrones se reparten entonces a caballo entre ambos electrodos. A continuación se pone a un valor neutro el electrodo central, con lo que los electrones se sitúan en la posición del electrodo inferior.

1        2           3

4        5         6

    Después se repite lo mismo pero con el electrodo superior e inferior del pixel. Y finalmente con el electrodo superior y central.

Al final de este ciclo nos encontramos con que todos  los paquetes de carga que integran la imagen han descendido un pixel hacia abajo. Si repetimos el ciclo las veces que sean necesarias podremos desplazar la totalidad de la imagen .
 
 

DESPLAZAMIENTO EN SERIE.

Como resultado de todo esto, las filas de cargas son transportadas hasta la ultima línea de pixeles. Esta línea es algo diferente a las demás. Inicialmente está oculta a la luz de forma que no genera electrones. Además dispone de electrodos dispuestos en sentido transversal de forma que pude hacer desplazamientos de los paquetes en sentido horizontal usando el mismo procedimiento explicado anteriormente.

NODO DETECTOR DE CARGA

Este desplazamiento (Desplazamiento Serie) conduce a las cargas de electrones hasta un dispositivo conocido con el nombre de Nodo Detector de Carga. El Nodo actúa básicamente como un condensador, es decir, acumula electrones y aparece en sus extremos un potencial negativo proporcional al número de electrones que integran el paquete. Este potencial aparece representado en el gráfico por medio del voltímetro conectado al nodo detector. Lógicamente este voltímetro no existe en la practica.

CONVERTIDOR ANALOGICO / DIGITAL

De esta manera podemos obtener una valoración de todos las cargas de electrones que componen la imagen. Sin embargo, este valor no es aplicable directamente al programa de ordenador que se encargará de dibujar los puntos de la imagen. Ello es debido a que los ordenadores trabajan con valores digitales en base binaria y el valor entregado por el nodo es un valor analógico. Por ello es necesario  convertirlo previamente a un valor digital mediante un circuito denominado Convertidor Analógico Digital.          Debido a que la tensión entregada por el Nodo Detector es extremadamente débil es necesario magnificarla previamente mediante un circuito amplificador.

    El rango de valores entregado por el Convertidor Analógico Digital depende de sus características de salida. Así un Convertidor de 8 bits produce números comprendidos entre 0 y 255. Uno de 16 bits entrega números entre 0 y 65535. El convertidor que incorpora la CookBook es de 12 bits y por lo tanto su rango de valores está comprendido entre 0 y 4095, o lo que es lo mismo, esta cámara distingue 4096 valores de luminosidad distintos.

Una vez que el programa recibe los valores digitales que indican la luminosidad en cada pixel, dibuja en la posición de pantalla equivalente, puntos de luminosidad proporcional, a la vez que almacena los datos en un archivo para su uso posterior.

Todo este proceso puede parecer largo y laborioso. Sin embargo es dirigido íntegramente por el programa de adquisición de imagen que controla la cámara y ocurre a notable velocidad. La totalidad del sensor CCD es leída y representada en unos pocos segundos.
 
 

RUIDO TERMICO. IMAGEN DE CORRIENTE DE OSCURIDAD.

Por lo que sabemos hasta ahora, las imágenes obtenidas deberían ser claras si se expone el tiempo suficiente el sensor CCD. Sin embargo la realidad es otra. El tiempo necesario para integrar un objeto muy poco luminoso, como puede ser una galaxia, oscila entre 10 y 15 minutos. En ese tiempo la imagen obtenida aparece contaminada por interferencias que se conocen como ruido de imagen.

Si hacemos toda la operación de integración durante 15 minutos pero con la cámara tapada, aparece el mismo ruido en lugar de una imagen negra como cabría esperar. Ello es debido a que el Silicio no solo libera electrones al incidir luz, sino que también lo hace por efecto de la temperatura. La cantidad de electrones liberados a causa del calor, durante los tiempos de integración habituales en Astronomía, es muy alta. No obstante, la información que se obtiene de una cámara CCD esta constituida por números y por lo tanto, pueden fácilmente realizarse operaciones matemáticas con ella. Si a la imagen obtenida de la galaxia se le resta pixel a pixel la imagen de ruido, generada al integrar con la cámara tapada durante el mismo tiempo y en idénticas condiciones de temperatura, lo que se obtiene finalmente es una imagen libre casi totalmente de ruido térmico.

Este procedimiento está incorporado normalmente en todos los programas de adquisición de imagen. A pesar de todo, el hecho de que los pixeles acumulen electrones debidos a la temperatura ambiente hace que estos se saturen mas rápidamente, limitando por tanto el tiempo de exposición y la posibilidad de captar objetos muy débiles. Por ello todas las cámaras CCD dedicadas a la astronomía cuentan con dispositivos refrigeradores para enfriar el sensor y por lo tanto reducir la producción de ruido térmico. En algunas instalaciones profesionales la cámara es enfriada mediante circulación de nitrógeno liquido con lo que se consiguen temperaturas cercanas al 0 absoluto (-273_C) y una eliminación total del ruido. Sin embargo esto no es asequible para un aficionado. Las cámaras mas modestas cuentan con dispositivos electrónicos para lograr temperaturas entre -30 y -70_C. No obstante, a estas temperaturas se consigue disminuir drásticamente los niveles de ruido aunque no su total eliminación.
 
 

MODULO DE EFECTO PELTIER

El componente encargado de esta refrigeración se denomina Modulo de efecto Peltier. Se trata de un curioso dispositivo de estado sólido, carente de partes mecánicas y fluidos habituales en instalaciones frigoríficas. Su funcionamiento se obtiene una vez mas mediante cristales de semiconductor.

    La temperatura de un cuerpo es igual a la energía media de las partículas que lo constituyen. El calor es agitación de partículas. En los metales y semiconductores las partículas que están en agitación son los electrones. Puesto que los electrones son además partículas con carga podemos conducirlos mediante campos eléctricos.

    La unión de dos semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N, genera una barrera de potencial que dificulta o impide el paso de electrones. Si estos electrones son obligados a cruzar la barrera mediante la aplicación de una tensión, los electrones que son capaces de pasar son los mas energéticos , "electrones calientes", con lo que la energía media del semiconductor que los pierde disminuye. El resultado es que un lado de la unión de semiconductores se enfría mientras que el otro se calienta.

ESTRUCTURA DE UNA CAMARA CCD. (COOKBOOK 245)

    El chip CCD se sitúa, sujeto mediante un pedestal metálico, en el lado frío del Peltier. El calor que es extraído del chip y pasa al otro lado del módulo Peltier tiende a acumularse y debe ser eliminado mediante algún sistema. Habitualmente se emplea un radiador constituido por láminas metálicas para disipar el calor en el ambiente. La cámara CookBook, sin embargo, utiliza una circulación de agua en su base para absorber este calor.

Una vez hemos visto los distintos elementos que integran la cámara y su funcionamiento podemos ver un esquema de su ensamblaje.

    Carlos Gallego,  Octubre de 2000.