Cómo funciona... el sensor CCD

El sensor CCD se ha convertido en uno de nuestros compañeros tecnológicos inseparables. Es posible que muchos ni siquiera sepáis lo que es, ni para qué funciona, pero casi con total seguridad lo usáis o lo habéis usado en algún dispositivo electrónico. ¿No os imagináis dónde? Sin ir más lejos en vuestros teléfonos móviles con cámara o en una cámara digital. Cualquier aparato electrónico que capte fotografía o vídeo utiliza casi con total seguridad un sensor CCD. Ahora bien, ¿cómo funciona un sensor CCD?

El funcionamiento básico no es demasiado complicado de comprender y se basa en el efecto fotoeléctrico. Este efecto fue descrito de forma teórica por Einstein en el año 1905 (recibiendo posteriormente el premio Nobel en 1921) y nos viene a decir que cuando un fotón (luz) incide sobre una superficie, si tiene la suficiente energía, va a conseguir arrancar algunos electrones del material. Con esto se puede generar una corriente eléctrica aprovechable para lo que se necesite.

Sabiendo esto, podemos ya empezar a tratar el sensor. Como ya dijimos en el párrafo anterior, el sensor CCD funciona básicamente por el efecto fotoeléctrico. Por tanto, al hacer incidir la luz sobre él se arrancan electrones que acaban en un condensador. A mayor intensidad de la luz más electrones se arrancan y por tanto mayor es la carga almacenada. Dependiendo de esta carga se va a tener un diferente voltaje que será lo que determine finalmente el color. Esto ocurre para cada célula del sensor, o lo que se conoce generalmente como píxel. Si juntamos toda estas células o píxeles es cuando tenemos la imagen capturada, que luego podremos ver en el ordenador o en cualquier otro dispositivo.

Cuando se dice que una cámara digital tiene un número de píxeles quiere decir que el sensor CCD tiene ese número de celdas y por tanto, a mayor número de celdas mayor resolución va a tener la imagen. Las celdas del sensor CCD están dispuestas en forma rectangular, de ahí que las fotos digitales tengan esta forma.

Para finalizar, os quiero proponer un pequeño ejercicio. Seguro que habéis escuchado más de una vez que una cámara digital tiene 5 Mpx (5 millones de píxeles), o incluso más. Ahora bien, ¿alguna vez os habéis parado a calcular el número de píxeles (resolución) que tiene vuestra pantalla del ordenador? Lo podéis hacer muy fácilmente multiplicando el ancho de píxeles por el alto, es decir: 1280x800, 1440x900, o la resolución que tengáis. El resultado es sorprendente, ¿verdad?

Saludos ;)

Fuente de las imágenes: Wikipedia (1) y (2)

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Preguntas de cada día nº1

Si nada se pega al teflón, ¿Cómo se adhiere él a las sartenes?

Primero hay que explicar que es el teflón. El teflón, es el nombre comercial registrado por DuPont para referirse al politetrafluoretileno.

Lo que se oculta debajo de ese producto que parece repeler todos los restos de comidas se encuentra alrededor de sus moléculas. El flúor que las envuelve repele casi cualquier material y evita que estos se adhieran al teflón. No en vano, tiene el coeficiente de rozamiento más bajo de los materiales que conocemos. Otra característica fundamental es su impermeabilidad.

Su historia es bien curiosa: Roy J. Plunkett(derecha en la imagen) y su ayudante Jack Rebok (izquierda en la imagen) realizaban experimentos para la empresa DuPont allá por el año 1938. En uno de ellos, querían conseguir mayores cantidades de tetraflouretileno (TFE). Este material, después de un sencillo tratamiento, era vaporizado y pasaba a través de unos tubos y medidores de flujo, para posteriormente acabar en una cámara donde se le aplicaban otros productos químicos para que reaccionase. Como en muchos otros inventos de la historia, el hallazgo fue fortuito. Detectaron un error en el sistema y no se explicaban el motivo. Al desmontar algunas válvulas se dieron cuenta de que había una sustancia blanca en forma de polvo. El TFE se había polimerizado. Probaron con muchísimos ácidos y disolventes, pero no consiguieron que afectase a ese polímero. Luego, la historia ya la conocemos. La DuPont se interesó y pasó a formar parte de su gama de polímeros.

¿Pero como se fija el teflón a las sartenes entonces? ¿No debería repeler igualmente a estas? Existen dos técnicas para cubrir de teflón las superficies de ollas y sartenes.

El método de la sintetización, que es parecido a la fundición. Se trata de elevar la temperatura del teflón hasta más o menos 400ºC y una vez hecho esto, se imprime con fuerza en la superficie que nos interesa. No obstante, hay que decir que cuando este se enfría, puede saltar con el tiempo y separarse de la sartén.

Sin embargo, otra opción es la del “bombardeo”. Se modifica químicamente el lado del teflón que queremos pegar a la sartén, bombardeándolo con iones en un campo eléctrico y en el vacío, con lo cual, conseguiremos arrancar o quitar muchos átomos de flúor de la parte que queremos enganchar en la sartén u olla, luego esa parte se puede enganchar ya que lo que hacia que el teflón repeliese materiales era –como hemos dicho antes- el flúor alrededor de las moléculas. Una vez eliminados o arrancados esos átomos, podemos modificar esa cara añadiéndole cualquier otro material que favorezca la adición, como por ejemplo, el oxígeno.

Como veis, esta segunda opción es la que da mejores resultados, lo que explica el motivo por el cual es el método más utilizado para adherir el teflón a otro tipo de materiales.

Aunque es muy conocido por el recubrimiento que acabamos de explicar, lo cierto es que el teflón se usa en muchas otras cosas: aislamiento de cables de comunicación de datos, en ropas y tapicerías (para repeler agua y manchas), en revestimientos de aviones, cohetes, naves espaciales, en prótesis, en componentes electrónicos, pinturas, etc.

Fuentes:

Teflon

DuPont - Teflon PTFE Granular

Politetrafluoretileno

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Cómo funciona... la televisión

Volvemos a la sección Cómo funciona... para hablar del funcionamiento de la televisión. La caja boba, como la denominan algunos, lleva con nosotros alrededor de 50 años, pero sus primeros pasos se dieron hace más de 100. Desde esos primeros pasos con el disco de Nipkow hasta nuestros días con las sofisticadas pantallas OLED ha habido un largo recorrido, y obviamente no vamos a hablar de todas las aportaciones que la ciencia ha hecho para mejorar la televisión, pero sí que vamos a tratar dos modelos: la televisión CRT y la televisión de plasma.

La televisión CRT (siglas en inglés de Tubo de Rayos Catódicos) es la primera que muchos de los lectores identificarán con la televisión "de toda la vida". Esta caja gigantesca con una pantalla de cristal gruesa y que, de vez en cuando, si se iba la señal se arreglaba dándole unos golpes en el lateral. Esta misma tecnología se aplicaba también para los monitores de ordenador (siguen existiendo pero cada vez menos) así que esta explicación es extensible a monitores.

Dentro de este tipo de televisión hay un aparato llamado tubo de rayos catódicos (abreviaremos como CRT) cuyo funcionamiento vamos a tratar de explicar sencillamente. El CRT está compuesto por diferentes partes tal y como podemos ver en la figura superior. A la izquierda tenemos un cañón de electrones (cátodo) que está lanzándolos continuamente contra la pantalla, a la derecha. A mitad de la figura se pueden ver unas bobinas que funcionan a modo de imán para enfocar y dirigir el electrón hacia el punto de la pantalla que nos interesa. Para conseguir esto también se cuenta con varios ánodos. La pantalla es una capa de fósforo que se ilumina al recibir el impacto del electrón.

Visto así quizá sea un poco complicado hacerse una idea así que vamos a montarnos en un electrón y hacer todo el proceso. Todo comienza cuando parte del cañón de electrones. Al poco de comenzar su viaje ya es focalizado y dirigido hacia la pantalla gracias a las bobinas y los ánodos. Este primer electrón se irá directo a la esquina superior izquierda en donde hay un pequeño píxel. El píxel está compuesto de tres zonas diferentes: rojo, azul y verde. Dependiendo de la intensidad que se le aplique a cada una de estas tres zonas veremos en la pantalla un píxel de un color u otro.

Ahora bien, esto es tan sólo un píxel, nos queda rellenar los millones que tiene la pantalla. El siguiente electrón seguirá el mismo camino que este salvo por una pequeña modificación que le llevará a la posición del píxel contiguo; rellenándose de esta forma la primera hilera horizontal de píxeles. Realizando este mismo proceso para el resto de hileras se obtiene finalmente la imagen. Todo este proceso se realiza a una mayor velocidad que la que el ojo puede apreciar y por lo tanto parece que estamos viendo una imagen completamente animada cuando realmente lo que aparece es un conjunto de píxeles que se refrescan varias veces por segundo, lo que se conoce como frames por segundo (fps).

Tras conocer el funcionamiento de una pantalla CRT pasemos a las pantallas de plasma. Estas pantallas ya son más modernas, aunque el funcionamiento básico no es muy diferente al de los CRT. Como podemos ver en el esquema inferior se trata de una matriz de pequeños bloques o celdas de color entre dos paredes de vidrio. Cada combinación de 3 colores, que son rojo, azul y verde como en las CRT, forman también un píxel de la imagen. Ahora no tenemos un tubo de rayos catódicos si no que el mecanismo para producir los fotones (luz) es ligeramente distinta.

En el interior de las celdas de colores se encuentra confinado un gas noble como puede ser el xenón, el neón, o el helio, que se ioniza para producir luz. La manera de ionizarlo es aplicarle una diferencia de potencial utilizando los electrodos que hay delante y detrás de cada bloque. De esta forma en el gas puede aparecer una corriente eléctrica que al llegar al fósforo de las celdas produce un fotón del color determinado. De esta forma, aplicando una diferencia de potencial al conjunto de tres celdas que conforman el píxel se pueden generar millones de colores con relativa facilidad. Al fin y al cabo, este método bien se puede asemejar a cómo funciona una lámpara fluorescente, pero eso lo dejamos para otro día.

Existen multitud de pantallas diferentes con funcionamientos más o menos sofisticados, pero creo que con estas dos, que quizá sean las más conocidas, es suficiente. Por tanto nada más hasta la próxima entrega de Cómo funciona....

Saludos ;)

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Cómo funciona... un CD

El CD, Compact Disc, Disco Compacto, o cómo lo queramos llamar, fue el gran salto para almacenar información digital después de los disquetes (a los que otro día dedicaremos un Cómo funciona... si queréis). Actualmente ya están cayendo en el deshuso pues los DVD tienen mayor capacidad de almacenamiento y velocidad de trasmisión de datos, pero eso no quita que sigan siendo nuestros mayores aliados a la hora de grabar nuestros datos o de escuchar música. Ahora bien, ¿cómo funciona un CD?

El funcionamiento de un CD lleva detrás mucha más física de la que uno se podría imaginar en un principio. Para empezar debemos saber cómo es físicamente el CD. En el disco de 1,2 mm de grosor hay cuatro capas diferentes con funciones muy específicas:

• Capa de policarbonato de plástico, donde está grabada la información en el CD (A).
  
• Capa reflectante de aluminio, y más raramente de oro o plata, donde el láser (E) se refleja (luego explicaremos esto con más detalle) (B).
• Capa de laca para proteger y mantener limpia y brillante la capa de aluminio (C).
  
• Opcionalmente, una etiqueta en la parte superior donde se puede escribir y/o tiene serigrafiada la carátula del disco (D).

Una vez que sabemos cómo es el interior de un CD podemos pasar a su funcionamiento cuando lo introducimos en un lector de CDs.

La información del CD se encuentra, como ya dijimos antes, en la parte interna de la capa de policarbonato y para leer esta información necesitamos el láser del lector de CDs. En el lector no sólo está el láser (es infrarrojo así que no es visible) si no que también tiene un sensor (fotodiodo) que recibe la luz del láser reflejada en la capa de aluminio. Antes, esta luz del láser tiene que atravesar la capa de policarbonato y sufre diferentes cambios dependiendo de cómo sea cada punto de esta capa. Y es que la capa de policarbonato no es completamente lisa si no que tiene pequeñas hendiduras (pits en inglés) que provocan alteraciones en la luz láser.

Comentar que aquí la cosa es un poco ambigua pues las hendiduras son tales desde el lado de la etiqueta (desde arriba), ya que desde el punto de vista del láser (desde abajo) son salientes. Aquí estaremos mirando el CD siempre del lado de la etiqueta, es decir, "desde arriba".

Las hendiduras tienen una profundidad de unos 100 nm con respecto a las llanuras (zonas de no hendidura), y tienen una anchura de unos 500 nm. Están ordenados en una espiral que recorre todo el CD y que si la midiéramos tendría más de 5,7 km de longitud. El lector de CD la recorre a una velocidad de unos 1,2 m/s así que tenemos la duración de uno 80 minutos que tiene cada CD. O lo que es lo mismo, 700 MB.

Por tanto, lo que este láser hace es ir "iluminando" cada punto del CD e ir comprobando si hay una hendidura o una llanura. El láser sabe en qué zona estamos ya que cuando no hay cambios, es decir hay una secuencia de llanura o de hendidura, el láser se refleja y llega bien al sensor. Mientras que cuando se produce una variación, es decir pasamos de hendidura a llanura o de llanura a hendidura, cambia el ángulo de reflexión y la luz láser no llega al sensor. Así pues ya tenemos la representación binaria que entiende el ordenador: a la zona de no variación se le asigna el valor 0 y cuando se pruduce un cambio se le asigna el valor 1. La secuencia de 0 y 1 es la que le permite saber al ordenador qué información hay almacenada en el CD para poder reproducirla en la pantalla, guardarla o lo que sea.

Para los más románticos, decir que un CD de música es algo así como una de esas antiguas cajitas de música que funcionaban con una ruedita dentada tocada por un cepillo metálico, pero a escala más pequeña con mucha más capacidad y funcionando mediante ceros y unos que un ordenador lee, interpreta y convierte en sonido. Curioso, ¿verdad?

Así que nada más. Básicamente, éste es el funcionamiento de un CD de los muchos que podéis tener por casa. ¿Ya sabías u os imaginabais que funcionaban así? Y sabiendo esto, ¿podríais intuir cómo funciona un disco grabable (CD-R) o uno regrabable (CD-RW)?

Por mi parte nada más. Os dejo que busquéis más información por vuestra cuenta para saciar vuestra curiosidad :P

Saludos ;)

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Cómo funciona... la fibra óptica

Comenzamos hoy con una nueva sección llamada "Cómo funciona...". En ella hablaremos de cómo funcionan diferentes aparatos, dispositivos y similares de una manera básica y divulgativa, pero sin faltar a la rigurosidad que requiere la ciencia. Así pues, para esta primera entrada de esta nueva sección hemos elegido la fibra óptica: un invento que este mismo año 2009 uno de sus creadores, Charles K. Kao, ha recibido el premio Nobel de Física; compartiendo el premio con los creadores del sensor CCD que trataremos otro día. Una vez hechas todas las presentaciones vayamos al grano. ¿Cómo funciona la fibra óptica?

Para entender como funciona debemos tener en mente que la fibra óptica no es más que un "cable de luz". En lugar de circular electricidad por su interior lo que "circula" es luz. Obviamente, esta luz no puede entrar de cualquier manera ni los materiales del cable pueden ser de cualquier cosa. Se requieren varias características para lograr que la luz se trasmita de una forma óptima: sin pérdidas y durante más distancia.

Empezaremos hablando de los materiales. La estructura interna de la fibra óptica es muy sencilla. Consta de un núcleo por donde "circulará" la luz y un revestimiento que lo protege del exterior y sirve también de "pared" para que no escape la luz. Esta forma de atrapar la luz funciona sólamente si los materiales tienen una propiedad física perfectamente definida: el índice de refracción.

Jugando con los índices de refracción se consigue que la luz quede atrapada, en un fenómeno conocido como reflexión interna total. Todo lo que tenemos que hacer es conseguir que el índice de refracción del revestimiento sea inferior al del núcleo. De esta forma, a partir de un cierto ángulo de incidencia de la luz en la frontera de ambos medios materiales, ésta se reflejará completamente quedando atrapada en el núcleo. Esta reflexión es perfecta al 100%, consiguiéndose así que no haya absolutamente nada de pérdida de energía.

Vamos a poner un ejemplo con números para que se entienda mejor. Construiremos nuestra fibra óptica imaginaria con un revestimiento de hielo y un nucleo de agua líquida a 20º. Nos vamos a olvidar de toda la termodinámica que impediría que algo así estuviera en equilibrio, porque lo único que nos interesan son los cálculos numéricos que salen de considerar este sistema una fibra óptica. Los índices de refracción de ambos materiales (hielo y agua líquida) son muy similares, siendo 1,309 el del hielo y 1,333 el del agua líquida. Así pues cumplimos que el del revestimiento sea inferior que el del núcleo. Ahora ya sólo nos falta calcular el ángulo al que todo el rayo de luz sufre reflexión interna total.

Aplicando la ley de Snell a nuestros datos se puede calcular que el ángulo límite o crítico a partir del cuál se produce la reflexión total interna es de 79,1º. Por tanto, cualquier ángulo mayor que este (y menor que 90º) provocará que la luz quede atrapada dentro del agua líquida actuando el hielo como una pared que la protege del exterior. Así pues, lanzando la luz con una inclinación de, por ejemplo, 82º ya tenemos nuestra fibra óptica imaginaria construida y operativa.

Espero que os haya servido esta explicación para conocer el funcionamiento de la fibra óptica, así como para entender un par de conceptos básicos sobre óptica. Si no os ha quedado todo claro el fenómeno de la reflexión total interna seguro que el siguiente vídeo os es de mucha ayuda.

Saludos ;)

Nota: Los índices de refracción considerados son para una longitud de onda en amarillo (589nm), una presión de 1bar y una temperatura de 0 ºC para el hielo y 20 ºC para el agua.

Imágenes extraídas de la Wikipedia: 1, 2 y 3.

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