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POR FIN LO SABRÁS TODO SOBRE LOS SENSORES DE IMÁGENES (IV)

22 Oct 2014

Por fin lo sabrás todo sobre los sensores de imágenes (IV)

Dentro de los sensores de vídeo hemos visto la definición de los más significativos, el CCD y el CMOS pero a continuación haremos un análisis un poco más amplio de ellos.

1.El CCD. Definición.

El término CCD procede del anglicismo Coupled Charge Device, o dispositivo de carga acoplada y básicamente, su funcionamiento se basa en un circuito integrado el cual dispone de una superficie con elementos sensibles a luz denominados píxeles. Éstos píxeles convierten los fotones de la luz incidente en cargas que son leídas por la electrónica del circuito integrado convirtiendo la imagen en una copia digital de la misma.

conversion-imagen_web                                                                 Imagen@tilanotv.es

1.1. Tipos de CCDs.

Si analizamos los CCDs con respecto a la forma en que se disponen los píxeles, éstos pueden ser lineales o de superficie.

En el primer caso, los píxeles se ordenan linealmente en el sensor y es éste el que se desplaza para captar la imagen, como en el caso de los escáneres.

En el caso de los CCDs de superficie, o matriciales, son los que se suelen utilizar en las cámaras de fotografía digital y de vídeo, capturando la imagen completa en un solo barrido.

Los diferentes tipos que se analizarán a partir de ahora se corresponden con los CCDs matriciales o de array.

1.1.1. El ICCD.

El ICCD es un tipo de CCD cuya construcción está hecha para captar señales de muy baja luminosidad (por ejemplo astronomía, visión nocturna). Debido a esta función, es necesario que la imagen que le llegue venga con la luminosidad correcta, por ello, este dispositivo tiene antes del CCD lo que se denomina un intensificador (de ahí viene la letra I que precede a CCD).

Este intensificador esta compuesto por tres partes que van en este orden:

  • Un fotocátodo. Esta parte (precedida de una lente convencional) es la encargada de que la luz que incide sobre ella (fotones) cree fotoelectrones que son acelerados (aunque con una trayectoria lineal distorsionada ) sobre la MCP regulados y acelerados por una tensión eléctrica que se aplica entre el fotocátodo y la MCP.
  • Una placa de micro-canales (MCP). La MCP es una placa con millones de agujeros microscópicos (microcanales) por los cuales pasan los electrones acelerándose y multiplicándose.
  • Una pantalla de fósforo. La pantalla de fósforo recibe los   electrones acelerados procedentes de la MCP convirtiendo dichos electrones multiplicados a fotones que se guían hasta el CCD por medio de una lente o una fibra óptica. La pantalla es de fósforo verde ya que el ojo humano es más sensible a este color.

 ICCD_web

                                                                   Imagen@tilanotv.es 

1) Objetivo
2) Los fotones
3) Fotocátodo
4) Microchannel Plate
5) Los electrones
6) Fuente de alimentación
7) El fósforo de la pantalla
8) Ocular

1.1.2. El EMCCD.

Es un tipo de CCD que lleva un registro de ganancia entre el registro de desplazamiento y el amplificador de salida. Este registro de ganancia se divide en varios multiplicadores de electrones que lo llevan a cabo por el método de ionización de impacto que hace que pocos electrones al principio de la primera etapa se conviertan en miles. Esto tiene como contrapartida que al igual que se multiplican los electrones se aumenta también el ruido.

La mayoría de los EMCCDs utilizan una estructura de CCD FT (Frame Transfer) que como sabemos tanto el área de captación como la de almacenamiento son iguales y ambas están separadas por una máscara opaca que normalmente es de aluminio. El área de captación se expone a la luz, se captura una imagen y cambia automáticamente al área de almacenamiento y después de procede a su lectura. Mientras se lee, la capa de captación recibe otra imagen y se adquiere la siguiente, así que la máscara de aluminio esta actuando como un obturador electrónico.

1.1.3. EL sCCD

El sCCD o SuperCCD es un CCD con un diseño realizado por Fujifilm el cual fabrica los píxeles del sensor en forma octogonal en lugar de cuadrados. Esto hace que con el mismo número de píxeles se aumente la resolución tanto vertical, horizontal como diagonalmente.

SuperCCD-CCD_web                                                                      Imagen@tilanotv.es 

Esto se lleva a cabo de esta forma para igualarse lo máximo posible a la visión humana, ya que ésta tiene veinte veces más células sensibles a la oscuridad que a la luz y además la sensibilidad es mayor en los ejes horizontal, vertical y diagonal.

Dentro de este tipo de sensores, Fuji ha ido evolucinando y en el año 2003 desarrolló dos variantes, el SuperCCD HR (High Resolution) y el SuperCCD SR (Super Dinamic Rage).

 tipos-de-pixeles_web

                                                            Imagen@tilanotv.es

1.1.4. El CCD HAD.

El CCD HAD es una innovación que llevó a cabo SONY introduciendo una doble capa P, o sea, una región altamente dopada con impurezas tipo P que crean una capa de acumulación de huecos conectados a la barrera de separación. De hecho, de aquí viene el nombre de HAD de Diodo de Acumulación de Huecos (Hole Acummulated Diode).

 CCD-Normal-CCD-HAD_web

                                                                Imagen@tilanotv.es

Al disminuir la barrera de separación y eliminarse parte del canal de drenaje lateral, hace que se aumente el número de píxeles y en consecuencia su resolución, la cual ahora es mayor de un 30% al aumentar el área activa con respecto al 22% de los sensores anteriores.

Captura de pantalla 2014-10-19 a la(s) 00.17.15

Captura de pantalla 2014-10-19 a la(s) 00.22.01

Imagen@tilanotv.es

El sensor CCD HAD se fabrica con arquitectura de transferencia de líneas y con transferencia de línea campo, a lo que se añade que realice un drenaje casi perfecto.

Analizando las características de este nuevo CCD, se pueden observar una serie de mejoras con respecto a los anteriores CCDs, como:

  1. Al aumentarse la zona de captura de los píxeles quitando zona de drenaje y disminuyendo el ruido de oscuridad (que fija el límite en el rango dinámico en la zona baja), produce que se aumente el margen dinámico (hasta un 600% más).
  2. Por el mismo motivo, como disminuye la zona de drenaje y en consecuencia la zona que no captura fotones, la corriente de oscuridad o ruido de oscuridad también disminuye.

Aunque como contrapartida, hay que decir que esta zona de drenaje hacía que se corrigiese el smear vertical, por lo que al disminuirse puede haber más posibilidad de que aparezca este defecto.

  1. El CCD HAD, mejora la respuesta espectral en los tonos azules, así que si la respuesta del fotodiodo varía con la longitud de onda, o sea, que si la longitud de onda es más baja se generan menos electrones y se es más alta se generan más (estamos teniendo en cuenta que es para una misma cantidad de luz) al aumentarse los tonos azules, mejorará también la respuesta espectral.
  2. Cuando tenemos que la transferencia de la carga del fotodiodo al canal del CCD no es completa, se produce un efecto llamado lag, o sea, se produce un arrastre de la imagen debido a que la anterior imagen persiste todavía porque al drenaje no es completo por la carga residual que queda. Pues bien, en el caso del CCD HAD esto prácticamente no ocurre.
  3. Cada píxel dispone de un obturador electrónico. Esto se debe a que cada píxel tiene un canal de drenaje, así que si se actúa sobre él éste hace la función de obturador electrónico al reducirse la barrera de potencial en el pozo y descartando las cargas recogidas.

Después de hacer un rastreo por la web y analizar y traducir bastantes documentos, estos son los diferentes tipos de CCDs que he podido encontrar, pero si conoces algún tipo más, puedes comentarlo a continuación para poder ampliar esta información.

Fuentes consultadas:

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_transfer_function

http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF7.html

http://www.gatan.com/files/PDF/knowhow/kv8_ccd_pixels_question.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_CMOS

http://www.optics4birding.com/starlight-technology.aspx

http://www.andor.com/learning-academy/electron-multiplying-ccd-cameras-the-technology-behind-emccds

http://photorumors.com/2009/09/13/new-sony-full-frame-sensor-ccd-superhad-ii-with-34-8mp/

http://www.hkvstar.com/technology-news/comparison-between-ex-view-had-and-super-had-ccd-cameras.html

http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vol52/pdf/featuring52.pdf

http://www.lavision.de/en/products/cameras/iccd_cameras.php

http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device#Intensified_charge-coupled_device

http://en.wikipedia.org/wiki/Photocathode

http://en.wikipedia.org/wiki/Microchannel_plate_detector

http://www.hkvstar.com/technology-news/comparison-between-ex-view-had-and-super-had-ccd-cameras.html

http://www.mintron.com/htm/q&a/htm/super%20had%20ccd%20camera.htm

http://www.digitalbolex.com/global-shutter/

http://depts.washington.edu/keck/pg22.pdf

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