Irydeo Observatory

Sensors

  1. Introducción y conceptos
  2. Entonces... ¿CCDs vs CMOS?
  3. Principales sensores CMOS actuales
  4. ¿Y cómo se usan las nuevas CMOS?
  5. Saquemos la bola de cristal
  6. Conclusión

1. Introducción

Creo que todos conocemos el terremoto que se ha producido relativo a las tecnologías que usamos para capturar imágenes astronómicas, tanto con objetivos artísticos como científicos. En nuestro área de trabajo, los sensores con tecnología de carga acoplada o CCD (Charge-Coupled Device) han dominado de forma aplastante durante varios lustros, por sus excelentes cualidades.

La alternativa a los CCDs han sido y son los CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), que en los últimos años han evolucionado a niveles que han marcado un antes y un después, generando una batalla tecnológica que, salvando las diferencias, recuerda a aquella que vivimos en los 80, entre los reproductores de vídeo y que, como es normal, ha provocado cierta confusión, con posiciones encontradas y, en ocasiones, muy apasionadas, de una u otra alternativa.

Mi objetivo con este pequeño artículo es dar una visión neutral, huyendo en lo posible de esas inevitables pasiones y dar un repaso al mercado actual, intentando sacar nuestra bola de cristal para ver hacia dónde podemos ir en los próximos años, que prometen ser apasionantes.

Comenzaremos dando un repaso a conceptos básicos, que, poco a poco, nos llevarán a conocer ambas tecnologías (sin llegar a profundizar demasiado, para no perdernos) y poder sacar nuestras propias conclusiones.

Un almacén de fotones

Lo que todos queremos es capturar esos pequeños fotones generados por nebulosas, estrellas, asteroides, cometas, galaxias, quásares... con un brillo extremadamente débil, lo que, por un lado complica mucho nuestro trabajo, pero, admitámoslo, es lo que más juego da a nuestra afición.

Y para capturar esos fotones, desde el desembarco del mundo digital, lo que buscamos tener es cámaras, lo más sensibles posibles, para minimizar pérdidas y maximizar la señal.

El corazón de esas cámaras no es ni más ni menos que una matriz de pequeños pozos o píxels microscópicos, cuando la cámara está en marcha, los pozos se polarizan con una corriente eléctrica, a medida que van llegando los fotones, por el efecto fotoeléctrico se liberan electrones. Qué fácil parece todo ¿verdad?.

Eficiencia cuántica

En una situación ideal, por cada fotón se debería generar un electrón, por desgracia eso no es posible... siempre hay pérdidas, y ese porcentaje de generación de fotones es lo que se denomina eficiencia cuántica, que varía según la frecuencia de la luz recibida, siendo 100% el caso ideal y 0% un sensor ciego.

PE

Antiguamente no era raro ver sensores, no precisamente económicos, con un máximo de 40% ó 50% de eficiencia cuántica, hoy es bastante normal tener sensores con un 90% de eficiencia a precios que son una fracción de aquellos.

El tamaño importa

No hagas caso a los tópicos, el tamaño, aquí sí que importa... ¿y eso? ten en cuenta que esos electrones que se están generando hay que guardarlos, se van acumulando en los pocitos que hemos comentado antes. La capacidad de almacenamiento depende de varios factores, el más inmediato, sí, lo has acertado, es el tamaño de los pozos, si estos pocitos son grandes, su capacidad de almacenamiento será mayor.

No obstante, a igual tamaño, no todos los sensores tienen la misma capacidad de almacenamiento en los pocitos, y eso depende de otros factores; y es que hay generación de electrones por el propio ruido que el sensor produce, el más común es el térmico, que tienen un impacto en esa capacidad de almacenamiento.

PEC

Nos hemos de quedar con un concepto que se menciona mucho: full-well capacity que no es ni más ni menos que el número de electrones que es capaz de almacenar cada uno de estos pocitos antes de llegar a su saturación. A más, mejor, pues podrás ser capaz de capturar objetos en zonas más ténues, mayor variedad de tonos y no saturar otras zonas con más luz, entendámonos, reflejar mejor la realidad que estamos capturando.

¿Por delante o por detrás?

Estamos hablando de una característica de diseño de los sensores, que tiene un gran impacto en el rendimiento. Hemos de tener en cuenta que, en algún momento, esos electrones almacenados se convertirán en una corriente eléctrica, más tarde veremos qué hacer con ella.

Habrá que cablear para dirigirla a los circuitos ¿no?... pues tradicionalmente todo ese cableado estaba justo por delante del elemento fotoeléctico (sensores FSI) y de los píxels, como es fácilmente entendible, si tienes algo delante, te hará sombra y llegará menos luz, tendrás menos eficiencia cuántica y la cámara será más ciega.

En los últimos años, por fin se han puesto al alcance de todos (antes necesitabas una hipoteca para comprarlos) los sensores iluminados por detrás (BSI), en los que todo el cableado está por debajo de los píxels, no hay nada que moleste, de modo que las eficiencias cuánticas son mucho mayores, cercanas incluso al 100%. En la imagen inferior, proporcionada por Sony, vemos las capas tradicionales de un sensor que ilustran lo que acabamos de explicar:

BSIvsFSI

  • Las microlentes, que "dirigen" los fotones hacia el elemento fotoeléctrico / píxels, en caso de ser necesario (hoy en día, la mayor parte de los sensores las incluyen).

    BSIvsFSI

  • Si posees una cámara a color, habrá un filtro de Bayer que hace que cada fotorreceptor sea sensible a un espectro de onda visibe.
  • Por último, los transistores y el microcableado junto con los pixels.

Ruido

El ruido siempre se producirá y las principales fuentes, dentro del sensor son:

  • El ruido de corriente oscura, se genera en los pozos por el calor, irá restando algo de capacidad de almacenamiento de electrones, pero con un impacto relativo.

  • El ruido de lectura, se genera en la conversión analógica/digital, y es que el propio amplificador introduce ruido.

Amplificación analógica

Hasta el momento, y de manera intencionada, no hemos mencionado diferencias entre las dos tecnologías de sensores con las que nos encontramos: CCDs y CMOS, no nos ha hecho falta ya que todos los conceptos analizados son, a grandes rasgos, prácticamente idénticos.

En este momento, nos encontramos con una cantidad de electrones en cada píxel, que van a producir una carga eléctrica, evidentemente muy débil. Hay que amplificarla, y eso es lo que comúnmente denominamos ganancia, concepto ya existente en las cámaras CCD, pero que, sin embargo, solía venir fijado de fábrica, por lo que para el usuario, pasaba desapercibida.

En las cámaras basadas en CMOS es ajustable, es más, lo hemos de conocer perfectamente y dominar para sacar el máximo de estas cámaras. Distintas ganancias tendrán un impacto directo, sobre todo en el ruido de lectura y full-well. Lo veremos más tarde.

Entiendo que podría ser algo complejo al principio. ¿Qué valor le fijo a la cámara? ¿Por qué motivo no viene ya fijado? Pues es que realmente no hay un mejor valor, todo depende de lo que quieras capturar.

Objetos muy débiles y que te obliguen a realizar tomas muy cortas (como es el caso de la mayoría de NEOs), normalmente necesitarán de ganancias altas que conllevan también un menor ruido de lectura y full-well.

Sin embargo, para zonas con fuertes contrastes, donde lo primordial es no salirse del rango lineal, se requerirán ganancias más bajas, lo que también implica un mayor full-well a consta de subir también el ruido de lectura. A la larga, esto es una importante ventaja, ya que la cámara se adaptará a las necesidades puntuales que tengas. Es por eso que considero crítico en este tipo de cámaras el hacer un análisis previo, en el calor de casa, de su comportamiento.

Un ejemplo, es el comportamiento de mi cámara, en uno de sus modos:

QHY42Gain

La ganancia se expresa en e-/ADU, a más alta, menor número de electrones serán necesarios para incrementar el número de cuentas digitales (tranquilo, ahora pasamos al mundo digital).

Para realizar este análisis hay múltiples herramientas, si deseas realizarlo con PixInsight, puedes seguir este tutorial.

Digitalización de la señal

Tras amplificar la señal analógica, llega el momento mágico de leer esas cargas de electrones amplificadas y transformarlas a esas combinaciones binarias, esas cuentas digitales - ADUs que antes mencionaba (compuestas por los denominados bits, números que pueden tomar únicamente dos valores: 0 ó 1) que tanto nos están acompañando en nuestro día a día.

Aquí es importante tener en cuenta dos factores:

  • El ruido de lectura, de esas señales analógicas, generado por el propio amplificador/digitalizador introduciendo e-. Es un parámetro vital en la cámara, ya que tiene un severo impacto en la cantidad de matices se captarán.

  • El número de bits con los que contamos como resultado de esta transformación, siendo una propiedad inherente al dispositivo que se encarga de esta tarea: el conversor analógico-digital (ADC).

Si contáramos con un bit de salida, sólo tendríamos dos posibles valores:

  • 0: negro, no hay señal.
  • 1: totalmente blanco, saturado.

¿Escaso no crees? Efectivamente, estamos perdiendo todos los matices, necesitamos más bits para poder reflejar más tonalidades en el brillo.

Los primeros sensores digitales solían usar 8 bits, es decir, podemos tener 256 tonalidades (2^8), desde el 00000000 (0, totalmente negro) hasta el 11111111 (256, totalmente blanco), ya es algo más, pero también suele ser justo para medidas de precisión.

Es aquí donde encontramos grandes diferencias de diseño entre los sensores CCD y los CMOS, origen de muchas confusiones. Veamos este gráfico para ilustrarlo:

CCDvsCMOS

En los CCDs las cargas eléctricas se mueven de pixel a píxel, pasando luego en serie por la amplificación analógica y posterior digitalización. En los CMOS, en cada píxel, se realiza conversión eléctrica y amplificación de la señal, leyendo a continuación las columnas, para ser digitalizadas en los ADC, por lo que tendremos miles de conversores.

Como resultado, nos encontramos con efectos interesantes:

  • Las CCDs son más lentas que las CMOS, ya que estas últimas paralelizan todo el proceso. Se nota muchísimo en el tiempo de descarga, siendo de muchos segundos o minutos en CCDs y de fracciones de segundo en los CMOS.

  • Las CCDs, al tener un único amplificador/ADC deberían tender a ser más uniformes en el proceso, aplicando exactamente el mismo patrón ganancia/conversión a cada píxel,imaginaros que cada amplificador/ADC se comportara de forma diferente, nos encontraríamos con un sensor en el que cada píxel tendría una respuesta distinta, un desastre para medidas fotométricas. Pero por suerte, en mi experiencia, eso está más que controlado, de hecho, la variación de valores frente a una linealidad perfecta que tenía en mi última CCD era mayor que en la CMOS que tengo ahora (2% vs 0.3%).

  • Las CCD pueden hacer combinaciones con los píxels antes de digitalizar la señal, juntando las cargas analógicas de los adyacentes, creando súper píxels (en matrices 2x2, 3x3, 4x4...), sí, hablamos del binning. Esto es muy interesante para poder mejorar la sensibilidad (al tener un píxel más grande, tendrás más electrones) y no incrementará el anteriormente mencionado ruido de lectura (todo el proceso es anterior esa lectura). Sin embargo, en los CMOS eso no es posible, la señal ya sale procesada de cada píxel, ahí hemos perdido. Que no te engañen, el binning en las CMOS actuales no existe, simplemente juntas señales ya leídas de cada píxel, sumando los ruidos de lectura. En los CMOS, el binning no mejorará la sensibilidad.

El rango dinámico

Pero volvamos al número de bits del ADC. La mayoría de CCDs actuales trabajan con una longitud de 16 bits, es decir 65535 posibles valores, sin embargo, muchos CMOS tienen 12 bits (otros ya entregan 16). ¿Qué está pasando? ¿Hemos dado un paso atrás? ¿Se han vuelto locos los fabricantes? ¿Se busca reducir costes?...

No entremos en pánico, ¿son esos 12 bits suficientes? Veamos, la siguiente reflexión puede generar algún que otro susto, si eres sensible, estás avisado...

Hablábamos al principio del full-well, también hemos introducido el ruido de lectura; pues esta parejita está íntimamente relacionada, y resulta que genera un nuevo concepto amigo... el rango dinámico, que definimos como la diferencia de luminosidad entre la zona más brillante y la zona más oscura de la escena, de forma que la imagen resultante mantenga en esas zonas (tanto las más brillantes como las más oscuras) detalles, texturas y escalas de colores o grises reconocibles de la escena original. En cristiano, el rango real de tonalidades que podemos tener por píxel, y se mide en f-stops o dB:

Algo de matemáticas:

  • f-stops = log2(full well / read noise)

  • dB = 20 * log10(full well / read noise)

Veamos el rango dinámico de algunos sensores CCD:

Cámara Sensor ADC (bits) Full-well (e-) Read noise (e-) Rango (f-stops)
Moravian G4 9000 Kodak KAF 9000 16 110000 11 13.28
SBIG ST8-XME Kodak KAF-1603ME 16 100000 15 12.70
SBIG STL-11000 Kodak KAI-11002 16 60000 13 12.17
Atik 16200 Kodak KAF-16200 16 40000 9 12.11
QHY22 / Atik 460 Sony ICX694 16 18000 5 11.81
SBIG STF-8300M Kodak KAF-8300 16 25500 9.3 11.42
Atik 490 Sony ICX 815 16 12500 5 11.28

Y ahora, analicemos algunos CMOS (ojo, al ser la ganancia ajustable, he selecionado los rendimientos a las ganancias más comunes):

Cámara Sensor ADC (bits) Full-well (e-) Read noise (e-) Rango (f-stops)
QYH268M Sony IMX571 16 25000 1.5 14.02
ASI6200 Sony IMX455 16 25000 1.5 14.02
QHY694 Sony IMX694 12 9000 2.12 12.03
ASI1600 Panasonic MN34230 12 6500 1.7 11.90
QHY183M Sony IMX183 12 4500 1.7 11.30

Pues resulta que no hay tanta diferencia ¿verdad? Los 12 bits son suficientes si hay poco ruido de lectura. En mi experiencia, si seguimos ciertos patrones que luego comentaremos, 12 bits no han de ser un problema en absoluto, al final, vemos que los rangos dinámicos de los sensores, sean CCD o CMOS son parecidos, incluso empezando a destacar claramente la nueva generación de CMOS desarrollada por Sony.

Modos de lectura

Hemos hablado de las ganancias, son ajustables y eso inicialmente puede ser lioso, pero ya las tenemos controladas. Otro nuevo concepto que algunas cámaras (sobre todo las más complejas y potentes) incluyen es el denominado modos de lectura.

¿Y esto qué es?

Pues el fabricante del sensor puede fijar distintos parámetros internos de alto o bajo nivel en la lectura de los datos, lo que podría tener un impacto importante en los resultados. No hay modos de lectura estandarizados, cada sensor puede tener los suyos y el fabricante de la cámara soportarlos en sus driver o no. El no hacerlo implica mayor simplicidad al usuario, por contra, perdemos funcionalidades para casos avanzados, por lo que, en mi opinión, si el sensor ofrece esas funcionalidades, los drivers deberían implementarlas.

Vamos a poner algunos ejemplos para entenderlo mejor:

  • El sensor GSense 400 posee un conversor analógico-digital (ADC) dual, lo que permite leer dos veces los valores de cada píxel utilizando diferentes ganancias. Esto quiere decir que cada captura podrá generar dos imágenes, cada una digitalizada de forma diferente, si las combinamos, ganaremos en rango dinámico sin necesidad de perder linealidad. Las cámaras que se basan en este sensor implementan varios modos de lectura, que consisten en leer una o dos veces cada píxel y en este segundo caso, realizar diversos tipos de combinaciones de salida.

  • El GSense 2020 y los Sony IMX571/IMX455 son capaces de realizar 2-CMS (correlated multiple sampling), realizando una lectura de la señal en múltiples pasadas y luego promediando, lo que permite bajar el ruido de lectura. Podríamos tener un modo que lo hiciera y otro que no lo activara.

De nuevo, es necesario experimentar con ellos y ver qué tal se ajustan a nuestras necesidades para seleccionar el mejor en cada momento, tendremos una gran libertad para exprimir lo mejor de nuestra cámara.

2. Entonces... ¿CCDs vs CMOS?

Creo que a estas alturas tenemos ya los conceptos lo suficientemente claros como para seleccionar unos u otros, es ya una decisión personal, realmente hemos de entender que tienen similitudes y diferencias, por lo que hemos de adaptar nuestro uso a ellas para exprimirlas y evitar problemas.

Podemos encontrar múltiples comparativas por la red, muchas de ellas tienen el riesgo de quedar obsoletas rápidamente, ya que la tecnología avanza a marchas forzadas, no obstante, me gustaría realizar una comparativa que, a inicios de 2021 puede darnos una idea de la situación actual.

Sensores CMOS Sensores CCD Ganador
Precio Menor Mayor CMOS
Eficiencia cuántica 75% a 95% <90% CMOS
Ruido lectura 1e- a 3e- >5e- CMOS
Rango dinámico ~12 a ~14 ~12 a ~13 CMOS
Binning Digital Analógico CCD
Glow No presente en las últimas generaciones No presente CCD
Velocidad USB3/Fibra USB2 CMOS
  • El tema de los precios es siempre relativo, corriendo el riesgo de comparar peras con manzanas... si buscamos en el mercado sensores CCD con unas características como, por ejemplo, las del IMX571, tendríamos que ir a sensores CCD retroiluminados de E2V, con unos precios que pueden llegar a multiplicarse casi por 10. Y otro ejemplo son las cámaras CMOS de 60Mp retoiluminadas, con cerca de un 90% de eficiencia cuántica, que están disponibles actualmente, por precios muchas órdenes de magnitud inferiores a posibles equivalentes en CCD.

  • Otros factores que presento en la tabla anterior, como el ruido de lectura y la velocidad de descarga, no tienen mayor discusión, las CMOS tienen bastante menos ruido y son más rápidas. Más igualadas están en cuanto a su rango dinámico, aunque los nuevos CMOS de Sony ya empiezan a ofrecer valores claramente mejores a los de las CCDs.

  • Donde las CCDs aún son superiores es en la capacidad de hacer binning analógico, tal y como ya hemos comentado, así como en su ausencia de amp-glow, aunque hay que decir que en este punto, las CMOS están mejorando a marchas forzadas, y los últimos sensores de Sony ya no lo presentan.

3. Principales sensores CMOS actuales

Voy a centrarme en los principales sensores CMOS monocromo que pueden ser adquiridos actualmente, ya que la mayoría de marcas ha detenido la fabricación de CCDs, que aún pueden ser adquiridos en cámaras por el stock disponible.

Sensores Sony

Sony decidió desde hace ya algunos años poner fecha de defunción a la fabricación de sus sensores CCD, apostando claramente por los CMOS.

Su catálogo actual de CMOS es amplísimo, pero vamos a centrarnos en los más aptos para astrofotografía para evitar volvernos locos:

Sensor MP Diagonal ADC (bits) QE Pixel
IMX411 BSI 150 69mm 16 ~90% 3.76
IMX461 BSI 102 55mm 16 ~90% 3.76
IMX455 BSI 61 44mm 16 ~90% 3.76
IMX571 BSI 26 28mm 16 ~90% 3.76
IMX492 BSI 47 22mm 12 87% 2.3
IMX183 BSI 20 15.8mm 12 84% 2.4

En su gama más alta nos encontramos con su familia de sensores Starbis, los que nos interesan son los IMX411, IMX461, IMX455 y IMX571. Todos parten de la misma tecnología, por lo que comparten características que van desde la curva de eficiencia cuántica (aunque Sony no ha publicado la curva de valores absolutos, hay fabricantes que la han estimado) hasta la ausencia de amp-glow, y los valores de ruido de lectura, térmico, tamaño de pixel, su full-well... y nos olvidemos, un ADC de 16 bits, sí, 16, nada de 12 ó 14, necesario por su gran rango dinámico. Su ruido de lectura en la ganancia óptima, está en torno a 1.5e-, con prácticamente 14 f-stops de rango dinámico, siendo la principal diferencia entre ellos el número de pixels y tamaño del sensor.

El sensor más popular de entre estos es el IMX455, que ofrece un formato full-frame, con unas características que eran impensables hace años, lo podemos encontrar en cámaras como la QHY 600, ASI 6200, Apx60.

Muy recientemente (inicios de 2021) Sony ha lanzado el IMX571, el más asequible de la familia, que con un formato APS-C también promete alcanzar cotas de popularidad muy altas, se incluye en cámaras como la QHY268M y la ASI 2600.

En la gama media, a finales de 2020, ha sido lanzado al mercado el IMX492, con unas características interesantes y con muchísima confusión en torno a las cámaras que lo incluyen.

El IMX492 es un sensor con ADCs de 12 bits y un tamaño de píxel de 2.3u, lo que lo hace muy adecuado para focales muy cortas. Las marcas lo publicitan como sensor de 14 bits... bien, no es cierto del todo, el sensor es capaz de hacer binning (por software) interno, generando una salida en 14 bits y 11Mp, pero los ADCs siguen siendo de 12 bits, y en bin 1x1 la salida siempre es de 12 bits. A su favor, un bajo ruido de lectura (1.6e- a ganancia unitaria) y un rango dinámico en torno a los 12 stops. Lo podemos encontrar en cámaras como la QHY 294Pro y la ASI 294.

Por último, hemos de mencionar el IMX183, se trata de un sensor muy popular en los últimos años, de los primeros CMOS BSI asequibles a todo el mundo. Con un tamaño de pixel de 2.4u y ADCs de 12 bits, este sensor ha mostrado un rendimiento muy interesante en astrofotografía convencional a un precio impensable en cámaras monocromo de esta densidad de píxels hace años. Ahora ya está siendo desplazado por el anteriormente comentado IMX 492, de una generación más nueva. Lo podemos encontrar en cámaras como la QHY 183 y la ASI 183.

Sensores Panasonic

He de mencionar el muy popular Panasonic MN34230, que podemos encontrar en cámaras como la QHY 163 o la ASI 1600. Este sensor está ya descontinuado por Panasonic y no parece que la compañía vaya a reemplazarlo.

Tipo Ruido Lectura (e-) Rango (stops) ADC (bits) QE Pixel
FSI 1.7e- 11.90 12 60% 3.8u

Sensores GPixel

Se trata de una compañía con sede central en China, fundada en 2012 y centrada en el desarrollo de CMOS de gama científica. Posee desarrollos muy interesantes (y algunos, muy bestias, como el sensor 6060, con casi 9cm de diagonal).

Sensor MP Diagonal ADC (bits) QE Pixel
GSense 6060 BSI 37 86mm 14 (dual) 95% 10
GSense 4040 BSI 16 52mm 12 (dual) 90% 9
GSense 400 BSI 4 32mm 12 (dual) 95% 11
GSense 2020 BSI 4 19mm 12 (dual) 95% 6.5

Personalmente, conozco el GSense400, que es el que equipa mi cámara, una QHY42Pro. He de decir que es un sensor con personalidad propia, una bestia algo compleja de domar (requiere ser metódico) y pensado para trabajos científicos, que una vez controlado, da muchísimas alegrías. Su principal cualidad es la sensibilidad, con sólo 5 fotones es capaz de producir una SNR mayor a 3:

Tipo Ruido Lectura (e-) Rango (stops) ADC (bits) QE Pixel
BSI 1.7e- 11.9 (STD g/0) 12 (dual) 95% 11u

El resto de sensores de GPixel los podemos encontrar en fabricantes como Moravian, con su nuevo modelo C4 16000, basado en el GSense 4040, la gama Kepler de FLI o los modelos científicos de QHYCCD (QHY42Pro, QHY2020, QHY4040 y QHY6060)

Para más información, recomiendo la reseña que he creado sobre la QHY42Pro.

Otros fabricantes

¿Y qué decir de los antaño clásicos fabricantes de CCDs, como la extinta Kodak? Bueno, una turbulenta historias de compras y ventas tras la bancarrota de la compañía frenaron en parte su evolución. Hoy es parte de OnSemi, que tiene un catálogo de CMOS en el mercado y aún sigue fabricando algunos CCDs clásicos. No digo que no lo tengan, pero a día de hoy no parece que destaque en el mercado astronómico ninguro de sus sensores CMOS.

Y parece que algunos más se pueden unir a la fiesta, ya que Canon ya ofrece sus sensores a integradores ¿veremos cámaras astronómicas con sensores Canon?...

4. ¿Y cómo se usan las nuevas CMOS?

Tanto en CMOS como en CCD, simplificando, hay dos factores determinantes: la eficiencia cuántica y el ruido de lectura.

Recuerdo cuando leí The New CCD Astronomy de Ron Wodaski, una recomendación se me quedó grabada: En CCDs, haz exposiciones lo más largas posibles, a más, mejor, no hay había punto medio.

Los CMOS han cambiado el juego (y ojo, los requisitos de precisión en seguimiento). Para comenzar, recomiendo conocer a la perfección la cámara que tienes entre manos, sus ruidos, rangos, ganancias y cómo influyen directamente en los rangos dinámicos... no tengas prisa en realizar tu primera luz tómate tu tiempo, profundiza en tu cámara y aprende de sus limitaciones (que siempre las tendrá, no existe la perfección).

Y si me permites un consejo general, en las CMOS, si tienes poco ruido de lectura (2e- o menos), puedes no preocuparte demasiado por el tiempo de exposición: simplemente haz tomas cuidando no saturar y luego apila, estarás sumando señal por encima del ruido y aumentando brutalmente el rango dinámico. Y te gusta el trabajo a la antigua usanza busca la ganancia que te dé la mejor combinación rango dinámico / full well y a tirar tomas laaaaaargas.

De nuevo, permíteme dirigirte a mis experiencias con una CMOS, son un poco extremas, pero creo te pueden dar ayudar si te decides a optar por esta tecnología.

5. Saquemos la bola de cristal

Trabajar en un centro de investigación y desarrollo me suele hacer blanco de preguntas del tipo... ¿cómo serán los móviles en 10 años? ¿es verdad que me leerán el cerebro y cocinarán por mi? suelo responder que tenemos una idea un tanto equivocada de cómo, de verdad, se hace el I+D en pleno siglo XXI.

En ocasiones no hay un plan tan predefinido como se piensa, a veces, los descubrimientos y grandes innovaciones son más resultado de un trabajo prueba/error que de un plan metódico... y todo este rollo para decirte que, como puedes intuir, no sabemos qué nos depara el futuro y desde que terminó aquel bonito programa de TV, he dejado de creer en las bolas de cristal.

Pero vamos a intentarlo... los avances que podremos tener podrían venir por dos áreas, el hardware propiamente dicho (el sensor per se) y ojo, el software, y hay interesantes trabajos que nos pueden ayudar a saber qué nos podríamos encontrar, veamos.

El Hardware

La tecnología seguirá avanzando y, tal y como vemos en cada nueva generación de sensores CMOS, lo que en la anterior era un problema, se mejora en la siguiente. En las últimas iteraciones ya no tenemos amp-glow, los ADC son de 16 bits e incluso se fijan por columnas, los rangos dinámicos son cada vez mayores (superando incluso a las mejores CCDs)... no es una locura aventurar que seguiremos mejorando en lo relativo a los ruidos, tantos térmicos como, sobre todo, de lectura, encontrando sensores por debajo de 1e- más pronto que tarde y acercándonos cada vez más al 100% de eficiencia cuántica.

Esto hará que la aproximación de exposiciones largas, a más mejor, pase a mejor vida y simplemente sumemos tomas cortas (¿has pensado en el impacto que eso tendrá en las monturas?...).

Pero más allá de mejorar lo que ya hay, nos encontramos con avances a remarcar: Sony ha presentado en 2020 su nueva gama de sensores SWIR barriendo de un plumazo otro de los tópicos sobre los CMOS: que no son sensibles en el infrarrojo. Miremos su curva de eficiencia cuántica:

SWIR

Este tipo de sensores ya están siendo probados por algunos fabricantes de cámaras astronómicas como QHYCCD y podrán abrir una nueva e inexplorada puerta al astrónomo aficionado, en la que la contaminación lumínica nos afectará mucho menos. Eso sí, habrá que adaptar los telescopios con recubrimientos basados en plata, oro u otras alternativas al aluminio.

El software

Y no nos olvidemos de que cada vez el software es más y más importante... la inteligencia artificial (IA) ha llegado para quedarse, muchos dispositivos que llevas en el bolsillo ya incluyen NPU (Neural Procesing Unit), procesadores específicamente diseñados para el procesamiento de redes neuronales, uno de los pilares de la IA. Y estas redes se pueden entrenar para muchos objetivos. ¿Te imaginas un sensor que incluya una NPU con redes neuronales especializadas en corregir la dispersión atmosférica...?

De momento hay camino por recorrer, pero nada que impida hacerlo, si te interesa el tema, te dejo algunas pinceladas de IA aplicada a la astronomía:

6. Conclusiones

La vida cambia, por mucho cariño que tengamos por una tecnología, tarde o temprano evolucionará o incluso desaparecerá por otra, en teoría, mejor.

Y es el caso de las cámaras astronómicas basadas en sensores CMOS; nos guste más o menos, los CCDs clásicos van a terminar desapareciendo (quedando en áreas muy concretas, como los E2V) y nos adaptaremos, recordándolos, quizás, con la misma añoranza que hoy recordamos aquellos tiempos analógicos.

Todo es cuestión de adaptarse y conseguir sacar lo máximo de ellos, como decía al inicio, vienen tiempos apasionantes y nos lo vamos a seguir pasando en grande ¿no crees?.