jueves, 13 de diciembre de 2012

CEA XX: Funcionamiento de las cámaras CCD



Funcionamiento de las cámaras CCD


Julio Castellano (Observatorio MPC 939)



El ponente va ha realizar la presentación en base a intentar que no se pierda precisión en la medidas.La base del funcionamiento está en el efecto fotoeléctrico, según el cual los metales, en concreto en el caso de las CCDs, será el silicio, los electrones están libres y pueden ser desprendidos por fotones incidentes.

La formación y transporte de la imagen se basa en una estructura de filas y columnas (cada celda se denomina píxel). Las columnas están separadas por una barrera de potencial, para que no salten los electrones de una columna a otra, mientras que la lectura se hace por filas. Los fotones llegan a la superficie expuesta, y pueden (no siempre así ocurre, se explica más adelante el concepto de eficiencia cuántica) golpear los electrones, lo cuales, pueden ser capturados por electrodos con potencial positivo. A continuación arranca el proceso de lectura, mediante un proceso de inversiones de polaridad en unos electrodos, que causan el arrastre de los electrones a lo largo de la fila. Al final de cada fila se recogen los electrones. De este modo se forma una matriz con números, donde su valor representa el número de fotones incidentes (cuentas) en cada píxel.



La eficiencia cuántica, representa el porcentaje de luz que es capaz el chip de recoger. Por ejemplo, una eficiencia del 50% quiere decir que únicamente es capaz de recoger el 50% de la luz que recibe el sensor, promediado sobre un ancho de bando determinado y en el que opera la cámara. Poniendo filtros está cantidad se reduce notablemente.

La linealidad es otro aspecto importante. El comportamiento es lineal si la cantidad de cuentas es proporcional al tiempo de exposición. Normalmente hay una recta donde se conserva la linealidad, pero que se acaba perdiendo debido a, por un lado, los píxeles tienen una capacidad máxima, y por otro, debido a que comienzan problemas de repulsión electrostática. El uso de la CCD para medidas deberemos limitarlo siempre al rango de linealidad (también llamado rango dinámico).

Cuando un píxel se satura, puede desbordar los electrones a otras celdas, quedando un efecto poco estético en la imagen, conocido como blooming. Para solucionarlo, se suele incorporar un mecanismo llamado antiblooming, aunque tiene una desventaja: la pérdida de sensibilidad de la cámara, ya que el antiblooming se soluciona poniendo una capa por encima del chip. Por ello, la linealidad presenta una pendiente menor, y con ello, el rango de magnitudes sobre el que podemos hacer fotometría es menor. Hoy por hoy, están apareciendo nuevas cámaras que conservan prácticamente la misma linealidad con o sin antiblooming, aunque su coste aún es elevado.

La ganancia es el número de electrones que genera una cuenta por píxel. Por lo tanto, a más ganancia, menos cuentas en el resultado final. El ruido se define como:

     R(s)=(señal)^(1/2)

De modo que si S=100, R(s)=10, si S=1000, R(s)=32,… El fondo del firmamento también contribuye al ruido, por lo que es ideal que el fondo del firmamento sea lo más oscuro. Cuando más brillante es el fondo del cielo, mayor será el ruido, y al realizar mediciones fotométricas, la precisión será bastante menor que en fondos oscuros.

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