Los premios Nobel
Por: Tomás Unger
Hace unos días fueron anunciados los premios Nobel de Ciencia de este año. Entre ellos hay biólogos y físicos, hoy nos ocuparemos de uno de los últimos. El premio de Física fue dividido en dos, la mitad para el físico chino-inglés Charles Kuen Kao, llamado el padre de la fibra óptica. La otra mitad será compartida por el físico canadiense Willard Sterling Boyle y el físico norteamericano George Elwood Smith, por haber inventado el sensor CCD (dispositivo de carga acoplada) que ha hecho posible la digitalización de imágenes, elemento esencial de la era digital multimedia.
EL PRINCIPIO
Hace 40 años los físicos de los famosos laboratorios Bell* decidieron hacer un teléfono con pantalla de TV. Se trataba de una manera más sencilla y compacta de captar y transmitir una imagen y una memoria para almacenarla. Fue en 1969 que Boyle y Smith, que trabajaban en este proyecto, construyeron un semiconductor que podía captar, transmitir y almacenar datos. Se dieron cuenta de inmediato de que, aplicando el efecto fotoeléctrico (conversión de luz en electricidad), podían captar imágenes. Así nació el CCD.
Hoy millones de cámaras fotográficas y de video son fabricadas con pequeños CCD de gran capacidad. Cada uno de ellos es miles de veces más eficiente que el creado hace 40 años, pero el principio con el que funciona es el mismo: el CCD convierte en corriente la imagen a través de píxeles, diminutas celdas fotoeléctricas sensibles a la luz. El voltaje fluctúa de acuerdo con la intensidad de la luz y es registrado digitalmente. Este flujo de información que describe la variación de la luz es registrado por la corriente cuyas fluctuaciones son almacenadas en una memoria.
Este es el proceso que describe una pantalla de píxeles, cada uno con su registro de intensidad de luz y hasta armar el cuadro. El primer CCD fue fabricado comercialmente en 1974 por la empresa Fairchild y tenía 100 píxeles de ancho por 100 de alto, en total 10 mil (diez kilopíxeles). Unos años después el ingeniero Kazuo Iwama de Sony** logró fabricar un CCD de gran capacidad y en 1986 presentó el primer formato digital. El video no era comprimido y requería un enorme ancho de banda para manejar la información. Iwama, quien hubiera debido participar de este Nobel, murió en 1982, pero en su tumba hay un CCD en reconocimiento a su gran contribución.
Hoy millones de cámaras fotográficas y de video son fabricadas con pequeños CCD de gran capacidad. Cada uno de ellos es miles de veces más eficiente que el creado hace 40 años, pero el principio con el que funciona es el mismo: el CCD convierte en corriente la imagen a través de píxeles, diminutas celdas fotoeléctricas sensibles a la luz. El voltaje fluctúa de acuerdo con la intensidad de la luz y es registrado digitalmente. Este flujo de información que describe la variación de la luz es registrado por la corriente cuyas fluctuaciones son almacenadas en una memoria.
Este es el proceso que describe una pantalla de píxeles, cada uno con su registro de intensidad de luz y hasta armar el cuadro. El primer CCD fue fabricado comercialmente en 1974 por la empresa Fairchild y tenía 100 píxeles de ancho por 100 de alto, en total 10 mil (diez kilopíxeles). Unos años después el ingeniero Kazuo Iwama de Sony** logró fabricar un CCD de gran capacidad y en 1986 presentó el primer formato digital. El video no era comprimido y requería un enorme ancho de banda para manejar la información. Iwama, quien hubiera debido participar de este Nobel, murió en 1982, pero en su tumba hay un CCD en reconocimiento a su gran contribución.
EL COLOR
El CCD se fue perfeccionando y rápidamente encontró una gran variedad de aplicaciones. A diferencia de nuestra retina o la película fotográfica, el CCD puede ser sensible a la luz infrarroja y a la ultravioleta, con lo cual se puede usar en cámaras para visión nocturna o, como hacen ciertos insectos, observar el mundo en ultravioleta. Esta capacidad de registrar en frecuencias más allá de la luz visible ha revolucionado la astronomía y ha permitido una nueva visión del universo. En esta gran variedad de usos la aplicación del CCD es siempre la de captar imágenes, ya sean fijas o en movimiento, grabarlas y almacenarlas, para que luego puedan ser reproducidas.
Para reemplazar la película fotográfica, cosa que eventualmente ha hecho, al CCD le faltaba la capacidad de captar el color. Para distinguir colores, como lo hace nuestra retina, hay que separar los tres componentes básicos: rojo, verde y azul, y medir la proporción en la que producen el color captado. Con este fin el CCD registra separadamente, ya sea por filtros o prismas, la intensidad de rojo, verde y azul, convirtiéndola en información digital que es almacenada. Siempre se trata del mismo principio, un proceso de información, con una larga fila de datos que describen lo que ha captado la pantalla del CCD punto por punto. Así, en una cámara fotográfica que tiene 4 megapíxeles (4 millones), hay tres datos de intensidad de color por cada píxel y su mezcla produce el color original.
Para reemplazar la película fotográfica, cosa que eventualmente ha hecho, al CCD le faltaba la capacidad de captar el color. Para distinguir colores, como lo hace nuestra retina, hay que separar los tres componentes básicos: rojo, verde y azul, y medir la proporción en la que producen el color captado. Con este fin el CCD registra separadamente, ya sea por filtros o prismas, la intensidad de rojo, verde y azul, convirtiéndola en información digital que es almacenada. Siempre se trata del mismo principio, un proceso de información, con una larga fila de datos que describen lo que ha captado la pantalla del CCD punto por punto. Así, en una cámara fotográfica que tiene 4 megapíxeles (4 millones), hay tres datos de intensidad de color por cada píxel y su mezcla produce el color original.
FOTOGRAFÍA DIGITAL
Una cámara digital comercial típica tiene un CCD pequeño, que no llega a 8 mm x 6 mm, con unos 4 millones de píxeles. Para esto hay que tener en cuenta que un CCD capta aproximadamente el 70% de la luz que recibe, por lo que es mucho más eficiente que la película fotográfica a la cual ha sustituido, que captura solo alrededor de 2% de la luz que incide en ella.
La eficiencia del CCD ha permitido crear una variedad de cámaras, que han encontrado una gran diversidad de usos. Desde las pequeñas cámaras de vigilancia, la webcam que permite videoconferencias, las cámaras de los teléfonos celulares 3G, hasta el telescopio espacial Hubble usan algún tipo de CCD.
En el caso de la astronomía, aun el telescopio más potente o el espacial que está fuera de la atmósfera no pueden captar directamente la débil imagen de galaxias que están a millones de años luz de distancia. Sin embargo, el CCD, con su gran sensibilidad, en una exposición de varias horas ha logrado captar galaxias a más de 10 mil millones de años luz de distancia.
La eficiencia del CCD ha permitido crear una variedad de cámaras, que han encontrado una gran diversidad de usos. Desde las pequeñas cámaras de vigilancia, la webcam que permite videoconferencias, las cámaras de los teléfonos celulares 3G, hasta el telescopio espacial Hubble usan algún tipo de CCD.
En el caso de la astronomía, aun el telescopio más potente o el espacial que está fuera de la atmósfera no pueden captar directamente la débil imagen de galaxias que están a millones de años luz de distancia. Sin embargo, el CCD, con su gran sensibilidad, en una exposición de varias horas ha logrado captar galaxias a más de 10 mil millones de años luz de distancia.
EL ARCHIVO
El Nobel recibido por los físicos Boyle y Smith refleja solo en parte la importancia del invento por el cual su contribución fue premiada. Hoy la imagen es parte de nuestro gigantesco archivo digital. Esto incluye la capacidad de transmitirla, guardarla en discos ópticos (CD), procesarla, comprimirla y manipularla con diversos programas. La transición a la televisión digital es posible gracias al CCD. Además de la proliferación de cámaras, desde las de vigilancia hasta las de más alta resolución usadas en astronomía y las destinadas a reemplazar la película en el cine, todas usan como “retina” un dispositivo de carga acoplada que convierte la luz en una corriente cuyas fluctuaciones se registran como información digital.
A partir de la aparición del CCD, y una de sus versiones que es el escáner, nuestra capacidad de recuperar, conservar y archivar imágenes ha crecido en varios órdenes de magnitud. No sería posible imaginar la era digital de multimedia sin el pequeño dispositivo inventado hace 40 años, que hoy se fabrica por decenas de millones cada año.
A partir de la aparición del CCD, y una de sus versiones que es el escáner, nuestra capacidad de recuperar, conservar y archivar imágenes ha crecido en varios órdenes de magnitud. No sería posible imaginar la era digital de multimedia sin el pequeño dispositivo inventado hace 40 años, que hoy se fabrica por decenas de millones cada año.
Diario El Comercio del 20 de octubre de 2009
