Série Reino das Galáxias: O fabuloso CCD - da Astronomia para as populares câmeras digitais

Por Domingos Sávio de Lima Soares*

Publicado no site do autor 
24 de outubro de 2007
Semanalmente republicaremos no fóton a Série o Reino das Galáxias.

Sensor de imagem CCD

Todos nós ficamos maravilhados com a praticidade, eficiência e qualidade das fotografias obtidas com as câmeras digitais. Estas câmeras equipam até mesmo muitos modelos de telefones celulares. Poucos sabem que esta maravilha tecnológica é uma filha legítima da Astronomia moderna! O personagem principal das fotos digitais atende pelas iniciais "CCD", que vêm da expressão em inglês "Charge-coupled device", ou, "Dispositivo de cargas acopladas".

Fujifilm EXR sensor /Fuji/Divulgação

A evolução proporcionada pelos CCDs iniciou-se em 1970, a princípio totalmente desvinculada da Astronomia. Pesquisadores dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, apresentaram um relatório técnico em que eles descreviam um novo tipo de dispositivo de memória para computadores. Logo ficou evidente que o pequeno chip de silício semicondutor -- o CCD -- possuía também outras qualidades, entre elas, a de responder a estímulos de luz visível. Ou seja, ele poderia ser utilizado como o elemento fundamental para a produção de imagens. Desta maneira, o CCD foi logo incorporado ao acervo dos dispositivos utilizados por um ramo da ciência especialmente interessado em imagens, a Astronomia. Não havia interesse de aplicação comercial imediata.

Enquanto as mais sensíveis emulsões fotográficas aproveitam apenas de 2 a 3% da luz que sobre elas incide, os CCDs registram quase toda a luz incidente. Os astrônomos poderiam observar objetos celestes centenas, ou mesmo milhares, de vezes mais fracos, com os mesmos telescópios disponíveis, apenas trocando a câmera fotográfica antiga por uma câmera digital CCD! Além disto, os CCDs são sensíveis a uma ampla faixa de comprimentos de onda da luz visível. Em outras palavras, são igualmente sensíveis a quase todas as cores do espectro da luz visível. Eles poderiam, portanto, substituir com grande vantagem os filmes fotográficos em uso.

O CCD é um chip, ou seja, uma pequena pastilha achatada, constituído de um conjunto de elementos microscópicos de material semicondutor, o silício, cada um deles capazes de converter a luz incidente em uma carga elétrica proporcional à intensidade da luz. Este elemento de imagem é denominado "píxel", termo que é uma corruptela da expressão em inglês "picture element", que significa "elemento de imagem".

CCD de 800x800 pixel (0,64 Megapixel). Crédito: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:CCD.jpg

Exemplificando: um CCD típico de 4 milhões de píxeis (4 Megapixel) mede cerca de 4 cm por 4 cm. O chip é uma pastilha que contém os 4 Megapixel distribuídos numa rede ordenada. É como se fosse uma plaquinha "riscada" horizontalmente com 2000 linhas e verticalmente com 2000 colunas. E tudo no espaço de 4x4 centímetros! Devemos lembrar que cada píxel é um elemento independente de detecçao de luz, e que eles são interligados um a um para a composição da imagem que se deseja. As tecnologias envolvidas são as de processamento eletrônico de dados e de construção de estruturas eletrônicas microscópicas. Cada píxel mede 20 micra, ou, 2 centésimos de milímetro! O processamento eletrônico é necessário para a "leitura" das cargas elétricas de cada píxel e a composição da imagem correspondente. O fenômeno físico envolvido no processo de formação da imagem -- a geração das cargas elétricas -- é o "efeito fotoelétrico".

Já no final dos anos 1980 e início dos anos 1990, os astrônomos brasileiros já utilizavam detectores CCDs em seus trabalhos de observação. O Laboratório Nacional de Astrofísica (LNA), que é um instituto de pesquisa do governo federal, possuía câmeras CCDs instaladas em seus telescópios no Observatório do Pico dos Dias, localizado em Brazópolis, próximo a Itajubá, onde se situa a sede do LNA. Os CCDs, então, eram muito menores do que os atuais, com cerca de 0,2 Megapixel, mas possibilitaram a realização de importantes pesquisas astronômicas.

A história do CCD é mais um exemplo de como a pesquisa em ciência básica gera produtos tecnológicos de grande utilidade para a sociedade em geral. As nações desenvolvidas investem bastante em pesquisa científica básica, pois os resultados deste tipo de pesquisa muitas vezes resultam em benefícios que vão muito além dos objetivos científicos que inicialmente a motivaram.

Par de galáxias ligadas gravitacionalmente. Elas estão a cerca de 250 milhões de anos-luz de nós. Esta imagem foi obtida em março de 1991, no Observatório do Pico dos Dias (OPD) por mim e por meu colega, da Universidade de São Paulo, Ronaldo E. de Souza. Utilizamos um detector CCD de 0,2 Megapixel. As cores da imagem são artificiais. O nome de catálogo da galáxia de cima é ESO-LV5100090. Ela é uma lenticular, tipo morfológico S0. A galáxia de baixo, ESO-LV51000100, é uma galáxia espiral de tipo Sa. Este par foi estudado por Paulo Márcio Villaça Veiga em sua dissertação de mestrado realizada no Departamento de Física da UFMG e defendida em 1996. Crédito: Domingos Sávio de Lima Soares e Paulo Márcio Villaça Veiga.

*Domingos Sávio de Lima Soares é físico, astrônomo e professor do departamento de física da UFMG.