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Astronomía CCD

Hasta hace unos años, las técnicas al alcance de los estudiosos del cielo no profesionales se limitaban a la observación visual y, para los mas mañosos y dedicados, la fotografía. Desde los años setenta, los aficionados con mas formación, tiempo y dinero, pudieron introducirse en el campo de la fotometria fotoeléctrica . Los años noventa revolucionaron la astronomía amateur con la irrupción de las famosas cámaras CCD, un tipo de detector de grandes prestaciones. Sin exagerar su utilidad, hay que reconocer que el empleo riguroso de estos dispositivos, de precio parecido a de un ordenador personal, permite alcanzar resultados relevantes en fotometria, astrometria y otras disciplinas.

Las siglas CCD provienen del ingles charge-coupled-device, nombre que se traduce como dispositivos de carga acoplada. Este dispositivo consiste en una superficie solida sensible a la luz, dotada de unos circuitos que permiten leer y almacenar electronicamente las imágenes proyectadas sobre ella. El conjunto formado por el detector, los circuitos, su carcasa y otros complementos diversos (como sistema de refrigeración, etc) constituye la cámara CCD propiamente dicha.

El Efecto fotoeléctrico

El funcionamiento de los CCD se basa en el fenómeno físico del efecto fotoeléctrico. La descripción del efecto fotoeléctrico constituyo una de las contribuciones principales de Albert Einstein a la teoría cuántica, y fue este trabajo ( y no la teoría de la relatividad) el que le valió la concesión del premio Nobel en 1992. Ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber cuantos de luz, o fotones, y liberar un electrón. Este principio permite la construcción de los paneles solares foto-voltaicos, en los que los electrones generados al incidir la luz, son recogidos y convertidos en corriente eléctrica.

El mismo material que suele emplearse en los paneles solares, el silicio, es la materia prima para la fabricación de los detectores CCD. Un CCD típico consiste en una placa rectangular de silicio de unos 125,250 o hasta 500 micrómetros de grosor y de varios milímetros de lado, sobre la cual se implanta una serie de estructuras que permiten capturar y analizar los electrones generados en el silicio gracias al efecto fotoelectrico.

La imagen latente

Sobre la place de silicio se estampan unos circuitos microscópicos organizados en varias capas. Estos añadidos a la superficie del silicio constituyen una tupida red de electrodos. Cada trio de electrodos actuá como una trampa electrostática que acumula a su alrededor los electrones generados en la masa de silicio. El electrodo central de cada trió se carga con un voltaje ligeramente positivo, mientras que los dos laterales se mantienen con potencial nulo.

Así, los electrones, cuya carga es negativa, se van acumulando alrededor del electrodo central del trió mas cercano, a medida que la luz incide en el detector.

Los tríos de electrodos se disponen alineados en columnas. Un cierto numero de columnas ubicadas unas junto a otras recubre la totalidad del CCD, separadas por barreras estáticas trazadas sobre ele silicio con una sustancia a la que los físicos llaman “material dopado del tipo p”, un material que genera un potencial negativo permanente al entrar en contacto con el silicio, lo que repele a los electrones y evita que puedan emigrar de una columna a la contigua. Las lineas de electrodos consideradas perpendicularmente a las columnas se llaman filas.

Cada trió de electrodos es una pieza elemental del detector y corresponde a una punto de la imagen digital final: un pixel. El tamaño físico del pixel viene determinado, pues, por el espaciado entre tríos de electrodos en una dirección, y por la distancia entre las columnas de material dopado en la otra. Las dos dimensiones pueden ser distintas, aunque resulta muy conveniente que sean iguales (que los pixeles sean cuadrados), pues esto simplifica el tratamiento posterior de los datos obtenidos. Las dimensiones lineales típicas de los pixeles en las cámaras de aficionado actuales son de entre 4 a 25 µm.

Para usar la cámara CCD, el detector se coloca en el plano focal de un objetivo, tal y como se haría con una película fotográfica. A continuación se abre el obturador y se permite que la luz incida sobre la superficie de silicio durante cierto tiempo. Los fotones se convierten en electrones que se van acumulando alrededor de los minúsculos electrodos.

Cuando la exposición ha acabado, la imagen esta latente, convertida en electrones, en el interior del CCD. El siguiente paso necesario es su lectura y almacenamiento.

Lectura de la imagen latente

La lectura de la imagen latente se efectuá en un proceso muy ingenioso llamado transferencia de carga. El mecanismo se basa en jugar con los voltajes aplicados a los tres electrodos que forman cada pixel. En la situación de partida, inmediatamente del fin de la exposición, el electrodo central de cada pixel tiene carga positiva y carga nula los dos laterales. Los electrones almacenados en torno al electrodo central. En la segunda fase del proceso, el electrodo derecho de cada pixel incrementa paulatinamente su potencial hasta igualar al electrodo central, con lo que los electrones tienen libertad para moverse entre el electrodo central y el de la derecha. En la tercera y ultima fase, se reduce poco a poco el potencial del electrodo central hasta anularlo. Mientras se realiza esa operación, los electrones que antes tenían cierta libertad para elegir un electrodo u otro, se ven forzados a acumularse alrededor del electrodo derecho. El resultado global de las tres fases descritas es que la carga se ha desplazado un electrodo a la derecha. A continuación se repite el proceso, pero jugando no con los electrodos central y derecho de cada pixel, sino con los electrodos derecho e izquierdo.

El electrodo izquierdo de cada pixel incrementa su potencial hasta igualar el voltaje del electrodo derecho. Así, los electrones acumulados alrededor del electrodo derecho de un pixel pueden moverse libremente entre este lugar y el electrodo izquierdo del pixel contiguo. Acto seguido, se reduce el potencial de los electrodos derechos hasta anularlo.

De este modo, los electrones que al final de la exposición de la imagen yacían en el electrodo central de cada pixel, ahora se hallan en el electrodo izquierdo del pixel contiguo.

En un ultimo paso, se procede a aumentar de nuevo los voltajes de los electrodos centrales y a anular los de los electrodos izquierdos. Los electrones migran a los electrodos centrales, y el resultado es que toda la carga de las columnas del CCD se habrán desplazado un pixel entero hacia la derecha.

El mecanismo de transferencia de carga, puesto en marcha en todas las columnas a la vez, desplaza la imagen entera una fila por cada tres ciclos elementales. Pero ¿que ocurre con la ultima fila del detector? Efectivamente , los últimos electrodos de cada columna no tienen compañeros a quienes transferir su contenido. En este lateral del detector hay siempre una hilera adicional de electrodos que no recibe luz y que se emplea en el proceso de lectura de las imágenes. Se llama canal de lectura, y se encarga de recoger los electrones de la ultima fila en cada ciclo de transferencia de carga. Cuando el canal de lectura contiene los electrones procedentes de la ultima fila, recibe la orden de moverlos pixel a pixel, mediante el mismo proceso de transferencia de carga, y de ir vertiendo al dispositivo de medida externo, formado por un amplificador y otros aparatos electrónicos.

Esta operación de traspaso de electrones del detector al canal de lectura y del canal de lectura al amplificador de salida se repite tantas veces como sea necesario, hasta que todos los pixeles de la imagen hayan sido evaluados. Entonces la imagen esta codificada numéricamente en la memoria del ordenador que controla la cámara CC, y puede ser representada en el monitor o grabada en un disco.

A veces ocurre que un electrodo de un pixel es defectuoso y no obedece las ordenes de cambio de potencial enviadas por la electrónica de la cámara.

Un pixel afectado por semejante defecto se denomina pixel muerto. Un pixel muerto tal vez no acumule electrones o, caso de acumularlos, puede no ser capaz de transferirlos a los pixeles vecinos en el proceso de lectura. En consecuencia, este pixel y todos los que le preceden son inaccesibles a la lectura y no producen datos útiles. Un CCD con un pixel muerto presenta el rasgo inconfundible de contar con una columna siempre negra desde el pixel en cuestión hasta el borde opuesto a la ubicación del canal de lectura.

Linealidad y saturacion

Una de las características mas notables de los CCD es su carácter de detector lineal. Esto quiere decir que la intensidad registrada en cada pixel en forma de electrones es proporcional a la luz incidente. En otras palabras, si en una imagen un pixel contiene x electrones y en otra imagen el mismo pixel contiene 2x electrones, seguro que la segunda vez la intensidad de la luz incidente sobre el pixel fue justo el doble.

Curva linealidad CCD KAF-1603-ME

Esta propiedad, que podría parecer perogrullesca, no lo es en absoluto. De hecho, son pocos los detectores estrictamente lineales en astronomía. En fotografiá, por ejemplo, si se duplica la intensidad de la luz, la densidad de la mancha oscura en el negativo no se duplica. La relación no el lineal. Esto complica mucho las medidas fotométricas con fotografiá química. Con los CCD, en cambio, todo es mas fácil.

Sin embargo, el comportamiento lineal de un CCD tiene sus limites. El mas obvio es el umbral de saturacion. Cuando incide mucha luz sobre el detector, la cantidad de electrones generados puede ser tan grande que los electrodos no sean físicamente capaces de retenerlos. Desde ese momento, mas luz no añade mas electrones detectados: el detector se ha saturado. La saturacion, de hecho, no suele ocurrir en todo el detector a la vez, si no en los pixeles mas iluminados. Cuando un pixel se satura, los electrones que no pueden ser retenidos por sus electrodos emigran a lo largo de la columna hacia los electrodos centrales de pixeles contiguos. Por eso es frecuente en las imágenes astronómicas digitales ver estrellas brillantes que vierten luz en franjas perfectamente rectas y largas.

El parámetro que mide el limite de acumulación de carga por los electrodos se llama “capacidad del pixel” (ful-well capacity), y debe constar entre las especificaciones dadas por el fabricante. Sus valores típicos son de unos cientos de miles de electrones.

Normalmente, la linealidad deja de ser perfecta antes de que alcance la capacidad del pixel, porque los electrones ya acumulados actúan a modo de pantalla electrostática que reduce la carga positiva efectiva del electrodo.

Ganancia y rango dinámico

La imagen digital consiste en una tabla de números que indican la intensidad registrada en cada pixel. Pero los números almacenados no significan la cantidad de electrones hallados en cada electrodo.

La cantidad de electrones en un electrodo puede llegar a ser de decenas o centenares de miles, y reservar espacio para un numero tan grande por cada pixel haría que los archivos informáticos resultantes fueran demasiado grandes. Lo que se hace es dividir la cantidad de electrones entre un cierto numero, llamado “ganancia” de la cámara. Así, lo que se registra en el archivo no es la cantidad de electrones, sino el numero de cuentas obtenido al hacer la división. También conocido como ADU a las cuentas (del ingles analog-to-digital units)

La ganancia, por tanto, se mide en electrones por cuenta, unidad que representaremos con el símbolo e¯/C. Algunos parámetros de la cámara, como el ruido de lectura o la corriente de oscuridad, pueden expresarse indistintamente en cuentas o en electrones. Para pasar de electrones a cuentas, dividase entre la ganancia. Para pasar de cuentas a electrones, multiplíquese por la ganancia. Hay que advertir que algunos autores especifican la ganancia no en electrones por cuenta, sino en cuentas por electrón. Conviene tener en cuenta, también, que algunos autores llaman sensibilidad a la ganancia.

Dar las especificaciones de una cámara en cuentas es mucho mas practico para el usuario, puesto que nunca se trabaja con numero de electrones directamente, sino con numero de cuentas. Sin embargo, un nivel de cuentas carece de significado físico si no se acompaña de la ganancia de la cámara. Para realizar comparaciones de unos detectores con otros, es preferible traducir los parámetros a electrones multiplicando por la ganancia ( o dividiendo entre ella si se define no en electrones por cuenta, sino en cuentas por electrón.).

Los programas de uso de las cámaras suelen almacenar las cuentas como números enteros, y cada modelo de cámara tiene un intervalo de intensidades limitado. Las cámaras mas sencillas generan niveles de cuentas entre 0 y 256. las cámaras profesionales suelen registrar intensidades entre 0 y 65536 cuentas. El intervalo de valores concreto de cada cámara se conoce como su “rango dinámico”.

Desde luego, para alcanzar la mayor precisión fotométrica interesa un rango dinámico grande, pero esto incrementa mucho el espacio ocupado por los archivos de imágenes.

La electrónica de cada cámara CCD asigna un cierto espacio de memoria determinado para almacenar los valores de intensidad medidos en cada pixel. Los espacios de memoria se miden en bits, o sea, en unidades lógicas mínimas que pueden adoptar los valores 0 o 1. Si una cámara es de 8 bits, esto quiere decir que se reserva 8 bits para registrar el valor de intensidad de cada pixel, y por tanto es capaz de distinguir 8(=256) niveles de intensidad. Así el rango dinámico de una cámara puede medirse o bien mediante el numero de niveles de intensidad que distingue, o mediante el numero de bits que reserva para cada pixel. Si n es el numero de bits de una cámara, su rango dinámico es 2 n. Existen en el mercado de aficionados cámaras de 8 hasta 16 bits, cuyos rangos dinámicos varían, pues, de 256 hasta 65536.

Conocida la capacidad del pixel en electrones y el rango dinámico de la cámara, vale la pena comprobar si la ganancia de la cámara aprovecha bien su potencial. Algunas cámaras CCD permiten elegir la ganancia a gusto del usuario. Cada observador puede optar por un valor pequeño (para detectar detalles nebulares sutiles) o elevado (para medir correctamente astros de brillos diversos), pero sin sobrepasar nunca el limite dado por:

Ganancia máxima ( e/C)= capacidad del pixel (electrones) /  rango dinámico (cuentas)

Mas allá de este limite la saturacion ocurriría a niveles de cuentas inferiores al rango dinámico. En la practica, conviene incluso ser algo mas conservadores, pues como queda dicho la respuesta de la cámara deja de ser lineal antes de llegar a la saturacion total de los electrodos.

Para la mayoría de aplicaciones, interesa que el nivel máximo de cuentas corresponda a un numero de electrones algo inferior a la capacidad del pixel. Por ejemplo, con una cámara con capacidad de pixel de 400.000 electrones y con un rango dinámico de 65536 cuentas, una ganancia no superior, por ejemplo de 8, haría corresponder el máximo de cuentas (65536) con 525300 electrones, bastante mas allá de la capacidad del pixel, con lo que se inutilizarían los niveles de cuentas desde 44000 (correspondiente al limite esperable de linealidad ,alrededor de 350.000 electrones) hasta el máximo

Cuando no se trata de obtener fotometria de calidad de estrellas de brillos variados, sino de registrar detalles sutiles de estructuras débiles en nebulosas o galaxias, puede interesar una ganancia que acumule una gran cantidad de niveles de cuentas en un rango de intensidades pequeño, o sea, una ganancia pequeña. En la cámara por ejemplo anterior, una ganancia de 3 e¯/C requeriría disponer de 120.000 niveles de cuentas para cubrir todo el intervalo entre cero y la capacidad del pixel, lo que imposibilita la medida de los objetos brillantes detectados. Sin embargo, esta ganancia permite una gran resolución de niveles de brillo en zonas donde la iluminación es muy baja.

Eficiencia cuántica y curva de sensibilidad espectral

Cuando los fotones inciden en la placa de silicio de un detector CCD, solo son detectados si provocan la excitación de al menos un electrón que ademas debe ser captado por un electrodo cercano. El rendimiento con que se ocurre este proceso determina la sensibilidad a la luz de un detector, y es una de las características principales de una cámara CCD. Este parámetro se mide mediante la cantidad llamada “eficacia cuántica”. Un detector que registrara la totalidad de los fotones incidentes tendría una eficacia cuántica del 100%, mientras que un CCD muerto no detectara nada y tendría, pues una eficacia cuántica del 0%.

La eficacia cuántica de un CCD incluye contribuciones de diferentes procesos físicos, como la reflexión en la superficie del silicio (un foton reflejado ha incidido, pero no se detecta), la perdida de electrones por recombinación antes de ser confinados por los electrodos, etc. Las mejores cámaras incorporan ciertos refinamientos para contrarrestar algunos de estos efectos y mejorar así la eficacia cuántica. Por ejemplo, es posible tratar la superficie expuesta a la luz con una película antirreflejante.

La eficacia cuántica de un CCD no es la misma para todos los colores de la radiación incidente. Aunque las cámaras profesionales modernas superan estos valores, los buenos detectores comerciales llegan a eficacias superiores al 60% para la luz roja, pero parecidas o inferiores a la mitad de ese valor en el azul. La sensibilidad de los CCD cae prácticamente a cero en el infrarrojo (ondas largas) y en el ultravioleta (ondas cortas) cercanos. Las cámaras comerciales para aficionados suelen tener serios problemas para detectar la radiación muy azul o violeta (no digamos ya ultravioleta). La curva que describe la eficacia cuántica como función de la longitud de onda de la luz se conoce como la “curva de sensibilidad espectral” del detector.

Las razones de este comportamiento en la eficacia cuántica de los CCD es distinta para los dos extremos del espectro visible. La caída de la sensibilidad hacia las longitudes de onda largas se debe a la física de la interacción entre el silicio y la luz. El silicio sencillamente, se vuelve casi transparente a la luz infrarroja y no interactua con ella, con lo que no se generan electrones y no se produce detección. En el extremo de las longitudes de onda cortas la situación es otra.

El silicio es muy eficaz al convertir la luz azul o ultravioleta en electrones, pero ocurre que los detectores mas sencillos reciben la luz en la cara de la pastilla de silicio en la que están implantadas las hileras de electrodos (front-side iluminated CCD´s). Los electrodos dejan pasar bien la luz de longitudes de onda intermedias, pero son prácticamente opacos a la luz muy azul o ultravioleta.

Las medidas fotométricas en la zona azul del espectro son muy importantes, y por ello los fabricantes han ideado distintos recursos para hacer sus detectores sensibles a las longitudes de onda cortas. Una de las soluciones empleadas es la de los CCD tratados con un recubrimiento fosforescente, una sustancia que absorbe los fotones de longitud de onda corta y los remite en otra longitud de onda mas larga, a la que los electrodos son transparentes.

Estos tratamientos superficiales (coatings) no son perfectos y tienen el inconveniente de que los fotones de longitud de onda elevada remitidos pueden salir despedidos en cualquier dirección, con independencia de la procedencia del foton azul absorbido. Aun así, los resultados conducen a medidas útiles en estas bandas espectrales.

Otra solución, accesible hasta ahora tan solo para los profesionales, es la de emplear dispositivos iluminados “desde atrás”, que reciben la luz sobre la cara del silicio no ocupada por los electrodos. Esta idea implica una dificultad notable, y es que los grosores usuales de las pastillas de silicio son tales que los fotones que penetran en el material desde atrás son absorbidos demasiado pronto y producen los electrones demasiado lejos de los electrodos como para que la detección. sea eficaz. Esta perdida es tanto mas importante cuanto mas interactivo con el silicio sea el foton incidente, y ocurre que las luces azul y ultravioleta son las que antes interactuan con el silicio. La única solución es producir placas de silicio adelgazadas (thinnes back-side iluminated CCD). Es necesario reducir el grosor del silicio hasta 15, 10 o menos micrómetros. Estos incrementa el costo del producto de manera astronómica, a la vez que reduce la sensibilidad en las longitudes de onda largas. Aun así, parece ser esta la solución ideal, y solo queda esperar a que la tecnología progrese lo suficiente como para que el CCD adelgazado e iluminado desde atrás sea accesible a los aficionados.

Otras especificaciones de una cámara

Aparte de las especificaciones comentadas mas arriba, y ademas de las obvias (tamaño del detector, tamaño del pixel, etc), hay varios parámetros muy importantes y que es fundamental conocer para evaluar la calidad y acotar las aplicaciones de una cámara.

Eficiencia cuántica SBIG ST(-xme

En el proceso de lectura de la imagen latente, la amplificación y recuento de los electrones es un paso que, debido a su naturaleza intrínseca, implica un cierto margen de error. Por tanto, los electrones no se convierten en cuentas con precisión absoluta, si no que toda medida extraída de un pixel esta afectada por cierto grado de incertidumbre, llamado, “ruido de lectura”. El ruido de lectura es una propiedad estable de cada cámara, y debe constar (en electrones o en cuentas) entre los datos ofrecidos por el fabricante.

Ruido de lectura: es una contribución muy importante al ruido total de la imágenes. Tiene su origen en los errores aleatorios e inevitables que se producen durante la lectura de la imagen, en el proceso de amplificación y recuento de los electrones captados en cada pixel. La existencia del ruido de lectura de tenerse en cuenta siempre, pues afecta a todos los pasos de obtención y tratamiento de imágenes. digitales. Cada cámara tiene un nivel propio de ruido de lectura, que debe constar entre las especificaciones dadas por el fabricante. En caso de desconocer el valor del ruido de lectura en una cámara, o si desea comprobar si la especificación del fabricante es fiable, es posible determinar este parámetro con bien poco esfuerzo siguiendo el método que se describe a continuación.

Master-Bias,representa el ruido de lectura

Para determinar el valor de ruido de lectura hay que partir de dos imágenes. independientes obtenidas exactamente en las mismas condiciones. Lo mejor para este fin es registrar dos tomas consecutivas sin que incida luz alguna sobre el detector y con tiempo de integración nulo. Estas imágenes. no estarán llenas ceros uniformemente por tres razones, a saber:

  1. El ruido térmico, que sera poco importante gracias al breve tiempo de integración. Podría parecer que con un tiempo de integración nulo el ruido térmico debería estar ausente, pero no es así, porque durante el tiempo de lectura de la imagen se acumulan electrones térmicos. Del mismo modo, en una imagen de integración nula pueden aparecer impactos de rayos cósmicos que inciden en el detector mientras se esta procediendo a su lectura.
  2. El nivel general positivo que cada cámara añade siempre a todas las imágenes, llamado “corriente de polarización” (bias current)
  3. El ruido de lectura, que se manifiesta como una oscilación aleatoria en torno al valor promedio de la imagen.

Si las dos imágenes se han obtenido en condiciones idénticas, las contribuciones 1 y 2 serán iguales (salvo, tal vez, rayos cósmicos), de modo que si se halla la diferencia de las dos se obtendrá una imagen que en promedio valdrá 0, pero que mostrara las oscilaciones debidas al ruido de lectura de las tomas de partida.
El siguiente paso que debe realizarse es analizar la imagen que resulta de la resta mediante un programa de tratamiento de imágenes. Este tipo de programas suele permitir el calculo de la intensidad promedio de una imagen y, simultáneamente, casi siempre ofrece la desviación estándar o dispersión,σ, de los valores alrededor de esa media. Dividiendo la dispersión entre √2 resultara el ruido de lectura de la cámara, medido en cuentas:

r = σ / √2

Conviene repetir el calculo varias veces, a partir de pares distintos de tomas oscuras de tiempo de integración nulo, y quedarse con el promedio de los valores obtenidos.

El efecto fotoeléctrico no es la única manera de extraer electrones del silicio. La agitación de extraer electrones del silicio. La agitación térmica también levanta electrones de esta sustancia y es, por tanto, fuente de alteraciones en las medidas. La contribución térmica a los electrones captados con el CCD se llama “corriente de oscuridad” (pues ocurre incluso cuando no incide luz sobre el detector). Depende en gran medida de la temperatura, puede describirse de diversas maneras (por ejemplo, numero de electrones térmicos acumulados por segundo a una temperatura determinada) y debe constar entre las especificaciones dadas por el fabricante.

Corriente de oscuridad: La absorción de fotones no es, por desgracia, la única manera de liberar electrones en los cristales semiconductores de silicio. La propia agitación térmica del material hace que salten electrones sin parar. Así, los electrodos de un CCD capturan electrones aun cuando el detector no reciba el impacto de un solo foton.

Master_Dark, representa la corriente de oscuridad.

La producción de estos electrones térmicos, la llamada “corriente de oscuridad”, “corriente oscura” o “ruido térmico”, crece exponencialmente con la temperatura. Por eso para limitarla es muy importante refrigerar la cámara CCD tanto como sea posible. Los instrumentos de aficionado suelen emplear dispositivos termoeléctricos capaces de rebajar la temperatura en algunas decenas de grados centigrados respecto del ambiente. Las cámaras profesionales suelen refrigerarse a 120º C bajo cero por evaporación de nitrógeno liquido. Esta refrigeración drástica y los refinamientos técnicos que incorporan, hacen que las cámaras profesionales estén casi libres de ruido térmico. No es así en el caso de los CCD comerciales, mas toscos y menos refrigerados. Los dispositivos termoeléctricos añaden el inconveniente de que su efecto es relativo, rebajan la temperatura del detector partiendo de la del ambiente, por lo que cualquier cambio de temperatura ambiente repercute al instante en el detector. La evaporación de nitrógeno, en cambio, proporciona mas estabilidad, pero implica unas dificultades logísticas y técnicas importantes.

El ruido térmico es diferente, en general, en distintas zonas del detector. Ademas se acumula con el tiempo, lo que hace que su efecto sea distinto para tomas de diferente exposición. La calidad del silicio usado en la manufactura del CCD es un factor determinante de la intensidad del ruido térmico. La zona del CCD mas activa en la generación de electrones térmicos es la interface entre el silicio y los electrodos, lo que produce una distribución de corriente de oscuridad por toda la imagen. Otra fuente de electrones térmicos son los defectos en la red cristalina del silicio, que provocan la aparición de cierta estructura en el patrón observado de la corriente de oscuridad, con rasgos a gran escala y también “puntos calientes” localizados en ciertas zonas, a veces en pixeles aislados.

La corriente oscura tiene causas físicas que dependen del entorno y de la naturaleza del dispositivo de carga acoplada, por lo que es posible estimarla y corregirla. Se emplean para ello las llamadas “tomas oscuras” (darks), imágenes obtenidas cuando la cámara no recibe iluminación alguna. En nuestra descripción de la corriente de oscuridad estamos incluyendo una contribución de origen diferente al ruido térmico: la “corriente de polarización”. Se trata de un nivel uniforme de fondo añadido de manera intencionada por la electrónica de la cámara durante el proceso de lectura, para evitar que el ruido de lectura pueda generar cuentas negativas en zonas de baja intensidad luminosa. Es fácil comprobar la existencia y el valor aproximado de la corriente de polarización (bias current) obteniendo imágenes sin que la cámara reciba luz y con tiempo de integración nulo. Aunque en las cámaras profesionales suele darse un tratamiento separado al ruido térmico y a la corriente de polarización, en las de aficionado es mas conveniente englobar ambos conceptos en uno solo.

Para regular los tiempos de exposición de las tomas, la cámara debe contar con algún tipo de dispositivo obturador. Entre las cámaras sencillas son muy frecuentes los obturadores “electrónicos”, que en esencia equivalen a la ausencia de obturador.

Simplemente, la superficie del detector es sometida a un proceso de barrido de carga constante, hasta el momento de iniciar la exposición. Este método de obturación presenta varios inconvenientes. En primer lugar, nunca deja de incidir la luz sobre el detector, con lo que se sigue acumulando señal durante el proceso de lectura de la imagen latente, lo cual deteriora los resultados. La imposibilidad de cerrar el acceso de luz al CCD (si no es tapando el telescopio) dificulta la obtención de tomas oscuras, necesarias para corregir la corriente de oscuridad. Son mas aconsejables, aunque también mas caros, los obturadores mecánicos, que permiten controlar físicamente y de manera segura el acceso de luz al interior de la cámara CCD. En determinados casos, los obturadores mecánicos pueden dar lugar también a dificultades.

Los obturadores electrónicos son, hoy por hoy, los mas extendidos entre las cámaras de aficionado. Por ello no esta demás comentar brevemente su funcionamiento.

Existen dos tipos de obturadores electrónicos: los de transferencia matriz y los de transferencia de linea. En ambos casos, el inicio de la exposición tiene lugar cuando cesa el proceso de barrido constante de la carga del detector, pero se diferencian en el modo de interrumpir la toma al final del tiempo de integración.

1) CCD transferencia matriz: al terminar la exposición, la totalidad de la imagen latente es transferida con la mayor rapidez posible (una fracción de mili-segundo) a una región adyacente del detector que esta protegida con una mascara y, por tanto, no recibe luz: la región de almacenamiento. A continuación, la imagen latente es leída a partir de la región de almacenamiento continua incidiendo luz sobre el detector, lo que deteriora la imagen resultante si se observan astros brillantes como la Luna o planetas. Ademas, el obturador de transferencia matriz implica desperdiciar una cierta superficie del CCD, que ha de protegerse de la luz para ser utilizada como region de almacenamiento.

CCD transferencia de linea: los detectores dotados de obturador electrónico de transferencia de linea también sacrifican parte de su superficie sensible. En este caso, cada hilera de pixeles cuenta con una columna adyacente cubierta con una mascara opaca. Al terminar la exposición, las cargas almacenada son transferidas de manera casi instantánea a las columnas protegidas, y el proceso de lectura se efectuá a partir de ellas sin que la luz que continua incidiendo en el detector suponga ya un problema. El obturador electrónico, de transferencia de linea no causa dificultades al observar astros brillantes, pero, aparte de desperdiciar superficie sensible, tiene el grave inconveniente de incrementar las zonas muertas entre pixeles, lo que deteriora el muestreo de las imágenes estelares y degrada, por tanto, los resultados astrometricos y fotométricos.

A pesar de su mayor costo y sus problemas específicos, el obturador mecánico es la mejor opción, como lo demuestra el hecho de que lo utilicen la totalidad de los CCD profesionales.

Para terminar la relación de características de los detectores CCD, comentaremos el “anti-derrame” (anti-blooming), un rango que incorporan algunas cámaras de aficionado y que evita que los pixeles saturados viertan electrones a los pixeles contiguos dentro de su misma columna. Consiste en ubicar, junto a cada fila sensible del detector, una fila no sensible polarizada a un potencial tal que drena los electrones sobrantes de los pixeles que se van saturando. El anti-derrame proporciona resultados estéticamente mas satisfactorios, pero presenta el inconveniente de limitar el rango de iluminación en el que el detector se comporta de manera lineal y, también, implica sacrificar cierta superficie sensible del CCD y así aumentar el espacio muerto entre pixeles, lo que deteriora el maestreado de las imágenes estelares y, al igual que el obturador electrónico de transferencia de linea, afecta a los resultados científicos. Ninguna cámara profesional cuenta con anti-derrame. Algunas cámaras de aficionado incorporan a la vez obturador electrónico de transferencia de linea y anti-derrame: es necesario ser conscientes de las limitaciones científicas que implica este diseño.

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