¿Por qué las cámaras digitales necesitan un tiempo de exposición prolongado en condiciones de poca luz? A veces, las exposiciones son de 15 a 30 segundos o más. ¿El sensor electrónico no alcanza un estado estable por debajo de 1 segundo más o menos? Puedo entender largas exposiciones en películas, donde los efectos de luz son acumulativos. ¿Pero en un sensor electrónico? ¿Hacen procesamiento de señales digitales detrás de escena para construir una imagen?
El elemento de conversión de luz en la mayoría de los sensores de imagen es en realidad un diodo polarizado inversamente diseñado cuidadosamente para retener la carga hasta que se reinicie. Un fotón entra en la mayor parte del fotodiodo e interactúa con la red de silicio creando un par electrón/agujero. El campo eléctrico dentro del diodo al ser polarizado inversamente barre la portadora minoritaria mientras que la portadora mayoritaria se mantiene dentro del fotodiodo. A medida que se interceptan más fotones, se recogen más portadores. Con una tasa de generación más baja (es decir, con una tasa de llegada de fotones más baja), se debe acumular durante un período más largo para tener el mismo nivel de señal.
En otras palabras, los fotodiodos son sensores integradores.
Los sensores de las cámaras digitales alcanzan un estado estable y la rapidez depende del ruido del sistema, tanto eléctrico como térmico. El estado estable es un sensor saturado, o todo blanco en términos fotográficos. Esto sucede si el obturador está abierto o cerrado. El sensor debe leerse o actualizarse justo antes de cada foto. Para los sensores CMOS, el ruido puede abrumar la señal en un segundo, al menos para los sensores anteriores y de bajo costo. Los CCD se han desarrollado para trabajos de fotografía y astronomía durante mucho más tiempo y, en comparación, en la actualidad tienen un ruido muy bajo. Puedo recordar una cámara CCD diseñada en UC Santa Cruz para el Observatorio Lick usando un CCD Kodak alrededor de 1988.
Los chips CCD también alcanzarán un estado estacionario o "pozos de electrones completos". Enfriar el sensor reduce significativamente el ruido y permite exposiciones de 20 o 30 minutos o incluso más de 1 hora en algunos casos. Muchos CCD tienen pozos de carga que están llenos a 48K o 65K de electrones y están limitados a datos en el rango de 12 a 16 bits, incluso si puede contar electrones. Los astrofotógrafos agregarán varias imágenes juntas para obtener un mayor rango dinámico.
El enfriamiento a -55C no es poco común para la astronomía y la espectroscopia. Usan enfriadores Peltier que se han vuelto económicos debido al uso en PC para enfriar los chips de la CPU. El agua helada circula a través del radiador del enfriador o un radiador de aire con aletas y se necesitan dispositivos Peltier apilados (y, a menudo, un pequeño ventilador) para obtener una diferencia de más de 20 o 30 grados entre el chip CCD y el aire ambiente. Visite los sitios web de Astronomy Magazine y Sky and Telescope para ver equipos de muestra y fotografías.
Una Nikon D90 tiene una configuración de 20 segundos y, si se desactiva la reducción de ruido, mostrará una cantidad asombrosa de estrellas y detalles del cielo nocturno. El mismo chip podría usarse para exposiciones de 20 minutos si se enfría.
Nick Alexeev
Rdo