17 de octubre de 1969. Willard S. Boyle, director ejecutivo de la Sección de semiconductores de los laboratorios Bell (Nueva Jersey), y George E. Smith, jefe de departamento en dicha sección, se reúnen en la oficina del primero para tratar un asunto de capital importancia. Si no logran encontrar una alternativa que pueda competir con la por entonces prometedora tecnología de "memoria de burbuja" para el almacenamiento de datos, los fondos de su sección de semiconductores se transferirán a otros departamentos de la división de electrónica. Boyle y Smith se ponen manos a la obra y, en poco más de una hora, logran esbozar la estructura básica y los principios de funcionamiento del CCD (charge-coupled device o dispositivo de carga acoplada). Su invento nunca llegaría a ser comercializado como dispositivo de memoria, pero a cambio pasaría a la posteridad en otro terreno que sus creadores enseguida vieron evidente: el CCD marcó el inicio de la era digital en la fotografía.
El ojo electrónico de la cámara
El aparato diseñado por Boyle y Smith fue decisivo para que las cámaras terminaran sustituyendo la tradicional película fotográfica por un ojo electrónico. Un CCD está formado por millones pequeñas celdas sensibles a la luz, organizadas en filas y columnas en una superficie del tamaño aproximado de un sello de correos, cada una de las cuales se corresponderá con un píxel en la fotografía resultante. Su comportamiento se basa, como el de tantos dispositivos electrónicos, en las características del silicio como material semiconductor (en concreto, estas celdas fotosensibles están compuestas por condensadores MOS, o metal-óxido-semiconductor).
Cuando la luz incide en el área determinada por cada píxel, los fotones, como consecuencia del efecto fotoeléctrico, arrancan electrones de la base de silicio, que quedan "atrapados" en la celda. De esta manera, la información óptica se ha convertido en una señal eléctrica. El número de electrones que se recojan va a depender de la intensidad de la luz: cuanta más luz llegue a la celda, más electrones se liberarán. Se lee entonces el contenido en electrones de cada celda y la información se convierte en ceros y unos. Esta representación digital de cada celda es la que permite reconstruir, píxel a píxel, la imagen original.
Sin embargo, el CCD sólo proporciona información de la imagen en blanco y negro, por lo que hay que recurrir al uso de filtros para obtener los distintos colores o para aplicaciones más avanzadas. Porque además de su extendido uso en cámaras fotográficas o de vídeo, esta tecnología se aplica en multitud áreas que tienen un impacto muy directo en la sociedad. Los CCD son también la base de escáneres, lectores de códigos de barras, aparatos médicos, equipos de vigilancia por satélite o instrumentos de investigación en astronomía y astrofísica.
La frustrada memoria que revolucionó la investigación espacial
Es quizás este último campo, el de la investigación espacial, el que más se ha beneficiado de la aparición de las técnicas de fotografía digital. Fijémonos si no en el satélite europeo Gaia, que ha sido enviado al espacio con el ambicioso propósito de realizar el más exhaustivo mapa en tres dimensiones de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Gaia no está equipado una cámara fotográfica al uso. En primer lugar, por el número de sensores CCD que lleva: ciento seis. En segundo lugar, por su tamaño: cada CCD mide 6 centímetros de alto por 4,7 centímetros de ancho, lo que se traduce en un inmenso plano focal de aproximadamente 1x0,5 metros. Y tercero, por su capacidad: los 4500x1966 píxeles de cada CCD hacen que en total la cámara de Gaia tenga una resolución de casi mil millones de píxeles, lo que la convierte en la cámara digital más grande jamás enviada al espacio.
Tampoco es muy habitual la manera en que la luz llega a la cámara, ni cómo es tratada posteriormente la información obtenida. El siguiente vídeo (disponible con subtítulos en castellano) ilustra con claridad cómo funciona la recogida de datos de este complejo observatorio espacial.
El aparato diseñado por Boyle y Smith fue decisivo para que las cámaras terminaran sustituyendo la tradicional película fotográfica por un ojo electrónico. Un CCD está formado por millones pequeñas celdas sensibles a la luz, organizadas en filas y columnas en una superficie del tamaño aproximado de un sello de correos, cada una de las cuales se corresponderá con un píxel en la fotografía resultante. Su comportamiento se basa, como el de tantos dispositivos electrónicos, en las características del silicio como material semiconductor (en concreto, estas celdas fotosensibles están compuestas por condensadores MOS, o metal-óxido-semiconductor).
Cuando la luz incide en el área determinada por cada píxel, los fotones, como consecuencia del efecto fotoeléctrico, arrancan electrones de la base de silicio, que quedan "atrapados" en la celda. De esta manera, la información óptica se ha convertido en una señal eléctrica. El número de electrones que se recojan va a depender de la intensidad de la luz: cuanta más luz llegue a la celda, más electrones se liberarán. Se lee entonces el contenido en electrones de cada celda y la información se convierte en ceros y unos. Esta representación digital de cada celda es la que permite reconstruir, píxel a píxel, la imagen original.
Sin embargo, el CCD sólo proporciona información de la imagen en blanco y negro, por lo que hay que recurrir al uso de filtros para obtener los distintos colores o para aplicaciones más avanzadas. Porque además de su extendido uso en cámaras fotográficas o de vídeo, esta tecnología se aplica en multitud áreas que tienen un impacto muy directo en la sociedad. Los CCD son también la base de escáneres, lectores de códigos de barras, aparatos médicos, equipos de vigilancia por satélite o instrumentos de investigación en astronomía y astrofísica.
La frustrada memoria que revolucionó la investigación espacial
Es quizás este último campo, el de la investigación espacial, el que más se ha beneficiado de la aparición de las técnicas de fotografía digital. Fijémonos si no en el satélite europeo Gaia, que ha sido enviado al espacio con el ambicioso propósito de realizar el más exhaustivo mapa en tres dimensiones de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Gaia no está equipado una cámara fotográfica al uso. En primer lugar, por el número de sensores CCD que lleva: ciento seis. En segundo lugar, por su tamaño: cada CCD mide 6 centímetros de alto por 4,7 centímetros de ancho, lo que se traduce en un inmenso plano focal de aproximadamente 1x0,5 metros. Y tercero, por su capacidad: los 4500x1966 píxeles de cada CCD hacen que en total la cámara de Gaia tenga una resolución de casi mil millones de píxeles, lo que la convierte en la cámara digital más grande jamás enviada al espacio.
Tampoco es muy habitual la manera en que la luz llega a la cámara, ni cómo es tratada posteriormente la información obtenida. El siguiente vídeo (disponible con subtítulos en castellano) ilustra con claridad cómo funciona la recogida de datos de este complejo observatorio espacial.
En los cinco años que dure su misión, Gaia no sólo descubrirá planetas alrededor de otras estrellas, cometas, asteroides, objetos helados, cuásares, supernovas o enanas marrones, sino que también se espera que proporcione nuevas pruebas rigurosas de las teorías cosmológicas y de la relatividad general. Lo que en un principio iba a ser un dispositivo de almacenamiento de memoria quizás nos permita descubrir los más escondidos secretos de la Vía Láctea.
Para saber más:
- Communications Milestone: Charge-Coupled-Devices. En este vídeo del año 1978 de los laboratorios Bell, los inventores del CCD describen el dispositivo, comentan sus usos y futuras aplicaciones y relatan lo atípico del proceso creativo.
- Boyle, W.S., Smith, G.E. (1970): Charge Coupled Semiconductors Devices, Bell Systems Technical Journal, 49, 587-593. Primer artículo en el que Boyle y Smith presentaron las bases teóricas de su invento.
- The Nobel Prize in Physics 2009. En el año 2009, Boyle y Smith ganaron el premio Nobel de física por la invención del CCD.
- Gaia blog. Blog de la Agencia Espacial Europea en el que se recogen las últimas noticias relacionadas con el satélite Gaia.
- Misión Gaia: El mapa de la Vía Láctea en 3D. Infografía sobre la misión Gaia.