Los detectores analizados tienen una característica en común; integran en el espacio y en el tiempo la cantidad de luz que incide en ellos. Por ejemplo, si un haz luminoso de flujo radiante dado incide en una pequeña área de la superficie de fotodiodo 6.8 (a) entonces producirá la misma respuesta que el haz de igual flujo que cubre toda el área del diodo 6.8 (B).

Figura 6.8: Acoplamiento de luz en el detector.

Figura 6.8: Acoplamiento de luz en el detector.

Sin embargo, al saturar con luz el detector, producirá una respuesta proporcional al flujo radiante por unidad de área del detector. Al mover el detector a través del campo luminoso se produce una respuesta que varia con la irradiación de punto a punto de punto incidente.

 

Detectores por formación de imagen: En las aplicaciones de la optoelectrónica es imprescindible preservar cualquier carácter espacial que pudiera tener la onda de luz. Los de detectores con la que se logra lo anterior se denominan detectores por formación de imagen, de tales detectores, quizás el más conocido, de mayor uso y más devaluado sea el de la emulsión fotográfica común, donde cada grupo de granos de aluros de Planta que integran la emulsión responderá por separado a la integración de la luz incidente. La característica mas importante de esta película fotográfica es esta permanencia de registro, otras características son sus altas capacidades de resolución sobre un amplio intervalo espectral, así como su bajo costo, en contra de lo anterior es necesario ponderar su bajo intervalo dinámico, no linealidad y el requisito del procesamiento húmedo.

Tubos de cámara: Desde los principios de la exploración electrónica se han diseñado muchos tubos de cámaras como sensores de imagen , algunos mas adecuados que otros para una aplicación particular, tal como su uso en el estudio transmisión  exteriores , etc., pero de ellos los mas ampliamente usados en nuestros años son el iconoscopio , el orthicon de imagen y el vidicon, básicamente la televisión usa sensores de imagen como los anteriores, para convertir imágenes fotónicas, las cuales han sido enfocadas por lentes hacia una superficie  fotosensible, dicha superficie puede ser de tipo fotoemisivas, fotovoltaicas o fotoconductivas. (Las superficies fotoemisivas desprenden electrones, las fotovoltaicas muestran diferencias de potencial, y las fotoconductivas varían su resistencia) Estas  imágenes electrónicas se reconvierten a imágenes luminosas visibles que un observador mira en forma directa o remota. Mientras que las imágenes transmitidas están en la región visible, las imágenes de entrada pueden estar formadas en cualquier  banda espectral del ultravioleta lejano al infrarrojo. En sentido más amplio, estos sensores de imagen deben ser llamados convertidores de imagen. Uno de los primeros tubos para cámaras con un blanco de ganancia de almacenamiento fue el ORTHICON de imagen, mas sus tubos para transmisión en estudio bajo condiciones de iluminación, entre sus características se mencionan:

  • Utiliza superficies fotoconductiva
  • Sensibilidad moderadamente alta
  • Mecanismo de ganancia de prealmacenamiento de imagen electrónica
  • Muy baja perdida de preamplificación
  • Elimina perdidas de escena a bajos niveles de iluminación.

El ISOCON de imagen fue otro tubo basado en el IO.

  • Alta ganancia de prealmacenamiento.
  • Elimina las perdidas de escena a bajos niveles de iluminación.
  • Mejor sensibilidad.
  • Enfocan la imagen dando como resultado imágenes de alta fidelidad geométrica y uniformidad.

El VIDICON: Es simple, con ganancia de prealmacenamiento de imagen, la mayoría de los VIDICON emplea superficie, fotoconductiva o fotovoltaica consistiendo de una materia tal como trisulfuro de antimonio, oxido de Plomo o Silicón. La eficiencia cuántica de tales materiales pueden ser muy altos pero no mayores que la unidad cuando se usan en aplicaciones de imagen. El VIDICON fue de baja sensitividad debido a pérdidas generadas en el proceso de lectura y retardo de movimiento, por lo tanto sus aplicaciones se han restringido para niveles de luz de día. En la figura 6.9 se indican las partes principales de un tubo  VIDICON para cámaras cuyo funcionamiento es el siguiente:

 

Figura 6.9 Construcción de un tubo vidicon

Figura 6.9 Construcción de un tubo vidicon

La envolvente del tubo de cámara de vidicon esta cerrada en un extremo por una ventana óptica plana, transparente, hecha de vidrio, que esta recubierta en su superficie inferior con una película igualmente transparente de material conductor, esta película forma la placa de señal, que esta conectada eléctricamente a un electrodo de tipo anular que la circunda y que se proyecta de manera ligera alrededor del exterior del tubo. La superficie interna de esta placa de señal (la que ve hacia el cañón) esta recubierta de una película delgada de material fotoconductor (trisulfuro de antimonio) que forma el blanco sensible a la luz sobre el cual se va a crear la imagen de carga.

La malla del blanco fotoconductivo tiene dos funciones: La primera es proteger al blanco fotoconductivo del bombardeo por iones negativos producidos en el cañón electrónico, la segunda función es cuando no hay luz en la escena incidiendo en el blanco fotoconductivo, vea la figura 6.10, en estas condiciones se explora con un haz electrónico, el blanco fotoconductivo que es acelerado en el ánodo de pared (200-300 v) y que al llegar a la malla  se desaceleran por encontrarse con un voltaje positivo mucho menor (+35v) sobre el blanco y llevarla a cero. En estas condiciones la placa de señal y el blanco fotoconductivo se comportan como un aislante.

Figura 3.10: Exploración del blanco fotoconductivo sin luz incidente

Figura 3.10: Exploración del blanco fotoconductivo sin luz incidente

Cuando la luz de la escena que se va a televisar se enfoca sobre la ventana optica del tubo e incide en el blanco mas próximo a la escena. Este efecto de la luz incidente disminuye la resistencia del recubrimiento fotoconductivo del blanco en cantidades correspondientes a la cantidad tonal de la escena, como se indica en la figura 6.11.

Esto quiere decir que la resistencia disminuye de acuerdo con la intensidad de la luz incidente, formándose patrones de cargas positivas sobre el lado de exploración del blanco. Las áreas mas positivas corresponden a las áreas mas brillantes de la escena que se filma. La imagen de carga que aparece sobre el blanco se explora entonces por el haz electrónico de baja velocidad, de la manera usual; y los electrones del haz neutralizan las cargas positivas que tocan, siempre que esto sucede, los potenciales positivos variables de la imagen de carga se elevan rápidamente a potenciales de tierra.

Figura 6.11: Neutralización de cargas por el haz

Figura 6.11: Neutralización de cargas por el haz

Los electrones que no se necesitan para neutralizacion se regresan hacia el cátodo y no juegan ningún papel en la acción, cuando los electrones del haz encuentran grandes áreas densas  de carga sobre el lado de exploración del blanco, se requerirán mas de estos electrones para neutralización, de lo que se requerirá en el otro caso. Sin embargo cualquiera que sea su número, estos electrones neutralizadores fluyen en una poderosa corriente hacia el blanco, y a través de la placa de señal  y del  electrodo anular que lo rodea y de ahí pasa por el resistor de carga de señal, estableciéndose una corriente cuya dirección se indica en la figura 6.12.

Figura 6.12 Corriente de electrones no útiles en la neutralización

Figura 6.12: Corriente de electrones no útiles en la neutralización

El vidcon fue simple, muy pequeño y barato, lo que le permitio tener una amplia aceptacion por mucho tiempo. Una desventaja del tubo VIDICON es su lentitud de respuesta a cambios repentinos en la iluminacion. Esto se debe en parte al tiempo que se requiere para una imagen de carga sobre el blanco para volver a su estado de aislamiento completo despues de que la luz que ha reducido su resistividad se ha removido.

Dispositivos de imagen de estado Sólido: Existen varias propuestas de dispositivos de estado sólido para la conversión de luz incidente en imágenes manipulables electrónicamente, los más importantes de estos tipos son:

  1. Arreglo de Fotodiodos.
  2. Dispositivos de inyección de carga. (CIDs)
  3. Dispositivo de acoplamiento de transferencia de carga (CCDs)

El futuro de la detección por formación de imágenes en tiempo real radica en la formación actual de estos formadores de imagen de estado sólido que están comenzando a dominar el mercado industrial. Las cámaras basadas en tales formadores ofrecen alta resolución, alta sensibilidad, tamaño pequeño, bajo consumo de energía y fácil vinculación para el control por computadora y manejo de datos.  Tales cámaras están siendo favorecidas rápidamente en cuanto al procesamiento de imágenes, visión a través de maquinas, supervisión y control industrial.

 Arreglo de fotodiododos: Un método para la formación de imágenes de estado solidó es fabricar muchos fotodiodos delgados juntos en una  disposición lineal o bidimensional. La luz captada por el objetivo de una cámara digital, se proyecta sobre un detector o sensor sólido de imagen, constituido por cientos de miles de receptores fotosensibles (fotodiodos). La luz incidente produce en cada fotodiodo una débil señal eléctrica que es amplificada y convertida en información digital (ADC) como cadenas de dígitos binarios que se representan finalmente como cuadraditos de color individualizados llamados píxeles. Si embargo, las dificultades de fabricación y las bajas densidades de encapsulamiento han conducido al desarrollo de otros dispositivos que cumplen la misma función.

CID (Dispositivos de inyección de carga): En este tipo de sensor cada pixel tiene dos electrodos cubriendo substrato de silicona. Un electrodo es conectado a una línea común para las filas y el otro electrodo es conectado a la línea común de las columnas. Si los dos electrodos se mantienen con carga positiva, entonces los electrones van a acumular durante la exposición de la silicona a la luz, su tiempo de integración. Cuando un electrodo es llevado a carga negativa, entonces todos los electrones acumulados en la silicona por debajo de ello se migran al electrodo todavía positivo. Este movimiento de electrones provoca un pulso de corriente en los circuitos conectados al segundo electrodo. Los electrones pueden redistribuirse por debajo de los dos electrodos sin perder su carga, por lo que este proceso es una lectura no destructiva. Cuando los dos electrodos son llevados negativos los electrones son vaciados o inyectados al substrato, nuevamente produciendo un pulso de corriente en los circuitos anexos, y así preparando el sensor para una nueva integración.

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El CID es mucho menos sensible que el CCD, pero tiene otras ventajas importantes. Los CID’s son menos susceptibles a floración y daños por radiación de lo que son los CCD’s. Una ventaja particular es poder evaluar el grado de exposición de la imagen mientras se está realizando su integración. Un pixel dañado de un CID no va a afectar toda una línea tal como puede en un CCD.

CCD  (Dispositivo de acoplamiento de transferencia de carga): Como su nombre lo indica el CCD conduce su información mediante la transferencia eficiente de paquetes de carga eléctrica a  través del  dispositivo. Las ventajas ofrecidas por la tecnología CCD son el incremento en la densidad de encapsulamiento con respecto a la del arreglo del fotodiodo, la libertad en cuanto al retrazo y a la fluorescencia y la sensibilidad a bajos niveles de luz. Tal vez mas significativa sea la libertad de distorsión geométrica de la imagen, que es una seria limitación  de las cámaras VIDICON. Gran parte del futuro de la formación de imágenes de estado sólido depende de este dispositivo y, por consiguiente, se analizará con más detalle.

Un dispositivo de carga acoplada (CCD) recibe su nombre por la manera en que las cargas son leídas en sus píxeles después de una exposición, las cargas en la primera fila se transfieren a un lugar en el sensor llamado registro de lectura. De allí, las señales se alimentan a un amplificador y luego a un conversor analógico-digital. Una vez que la fila se ha leído, sus cargas en la fila de registro de lectura se borran, la fila entera entra, y todas las filas por encima se mueven abajo una fila. Las cargas en cada fila son “acopladas” a aquéllas en la fila de arriba para que cuando una baje, la próxima se mueva abajo para llenar su viejo espacio. De esta manera, cada fila puede ser una fila de lectura por vez. El CCD cambia una fila entera por vez al registro de lectura. El registro de lectura luego envía sólo un píxel por vez al amplificador de salida observe la figura 6.13.

Figura 6.13: Lectura en un de un dispositivo de transferencia de carga

Figura 6.13: Lectura en un de un dispositivo de transferencia de carga

El CCD debe acometer cuatro tareas para generar una imagen:

  1. Generar cargas
  2. Recolectar cargas
  3. Transferir cargas
  4. Detectar cargas

La primera tarea se basa en el efecto fotoeléctrico: los fotones al chocar con los diodos liberan electrones. En la segunda tarea, los fotoelectrones son recogidos en el punto de recogida o píxel más cercano. Los puntos de recogida están definidos por un conjunto de electrodos, llamados puertas. La tercera operación, transferencia de cargas, se logra manipulando el voltaje en las puertas de manera sistemática de forma que la señal de electrones se mueva verticalmente de un píxel al siguiente como si fuera una cinta transportadora. Al final de cada columna hay un registro horizontal de píxeles. Este registro recoge una línea cada vez y entonces transporta los paquetes de carga en serie a un chip amplificador. El paso final, detectar cargas, se realiza cuando los paquetes individuales de carga son convertidos en señales de voltaje de salida. El voltaje de cada píxel puede ser amplificado fuera del chip, codificado digitalmente y almacenado en un ordenador para ser reconstruido y visualizado.

Dispositivo Básico de Transferencia de Carga (CCD): La celda básica es un mejoramiento al modelo MOS que se comporta como un capacitor. El dispositivo esta formado por difusión de impurezas (del grupo III o V) en el Silicio puro (del grupo IV) esto crea un dispositivo semiconductor sobre el cual un aislador (típicamente Óxido de Silicio) se coloca, como se indica en la figura 6.14. Bajo estas condiciones los electrones (portadores minoritarios)  se depositan debajo del aislador, puesto que en este puesto se encuentra el electrodo con polaridad positiva, creando paquetes o posos de carga.

Figura 6.14: Elemento básico de un sensor CCD

Figura 6.14: Elemento básico de un sensor CCD

Cuando a este dispositivo se le hace incidir luz se crean paquetes o pozos de carga que dependerán de la intensidad luminosa. Como podemos observar cuando incide luz en material fotosensible se generan pares de electrones. Merece la pena señalar que la carga acumulada puede almacenarse durante varias horas sin desintegración apreciable. La eficiencia del proceso de transferencia de carga tiene un valor extraordinario de 99.999 %.

Para que esta imagen electrónica formada se mueva, se requiere de una adecuada polarización  secuencial de los electrodos de las celdas unitarias que conforman el área sensible. Como se mencionó, la lectura se lleva a cabo mediante la transferencia de paquetes de carga adyacentes, entonces es posible conectar cada detector del área sensible con un reloj de pulso por separado y sincronizado para lograr la transferencia, sin embargo en la practica, los electrodos se agrupan en conjuntos de 3 o 4, a dichos conjuntos se les conoce como fase (figura 6.15) de igual forma, casa fase se conecta a un voltaje sincronizado por separado. Un sistema de sincronización trifásico permite que la carga sea movida por completo a través del dispositivo como se muestra en la figura  6.15, para la transferencia en línea, son posibles velocidades de reloj hasta 10 MHz.

La sencilla disposición de formación de imágenes en línea , según se acaba de presentar, no es idónea para los detectores por área, debido al tiempo requerido para transferir la carga a través del dispositivo. Para los detectores por área los píxeles individuales están dispuestos en una matriz de M x N elementos. Los paquetes de carga son conmutados a una serie de almacenes y lecturas secuenciales mientras se graba una segunda imagen. Los formadores por área deben ser capaces de transferir datos a velocidades compatibles con los sistemas convencionales.

Figura 6.15: Arreglo de un sistema de sincronización trifásico

Figura 6.15: Arreglo de un sistema de sincronización trifásico

Existen dos formas principales en las que es posible organizar información en una pastilla CCD.

  1. CCD de transferencia de cuadros.
  2. CCD de transferencia de interlineas.

CCD de transferencia de cuadros. En la transferencia de cuadros, el arreglo se divide en columnas verticales entre las cuales hay detecciones de canal. Los electrodos están colocados en el arreglo perpendicular a las columnas. El arreglo es dividido en dos secciones, una región de almacenamiento protegida contra la luz y una región ópticamente sensible, como se ve en la figura 6.16.

Figura 6.16: Arreglo de CCD de transferencia de cuadros a dos  fases con entrelace

Figura 6.16: Arreglo de CCD de transferencia de cuadros a dos  fases con entrelace

El principio básico de operación es que toda el área sensible es expuesta a la luz y luego la carga desarrollada es transferida al área de almacenamiento para su lectura. Al final del periodo de integración toda la imagen foto convertida se transfiere muy rápidamente hacia el área de almacenamiento, la cual es idéntica al área de imagen pero protegida de la luz. Durante el siguiente periodo de integración, la imagen es leída por el registro horizontal secuencialmente hacia la señal de video. Esto es necesario para las altas velocidades de lectura requeridas en los sistemas de T.V y solo entonces debido al tiempo necesario para la lectura y no para la transferencia de datos.

CCD de transferencia de interlineas: Un CCD de transferencia de interlineas típico es un arreglo donde cada una de las columnas verticales consisten de un arreglo en línea a dos fases de celdas de imagen y entre columnas están las salidas analógicas o registros de transporte de carga, los cuales están protegidos de la luz figura 6.17. Ya que el área protegida de la luz es aproximadamente igual al área sensible a la luz, el área de la fotosuperficie  efectiva es aproximadamente la mitad del área tomada o filmada. Suponiendo un tiempo de cuadro de 1/30 s, se ha encontrado que el tiempo de integración para ambos campos 1 y 2 es de 1/30 s. En el primer campo, los fotoelectrones son recolectados en 1/30 s y rápidamente transferidos hacia el registro de transporte protegido de la luz. Esta se imagen se transporta luego, una línea a la vez, hacia el registro de transporte de carga horizontal. La parte de la imagen en el registro de transporte vertical es completamente leída hacia el registro horizontal en un tiempo de cuadro de 1/60 s. Después de que el primer campo es leído, el segundo campo, el cual ha estado integrando la imagen en 1/30 s, se transfiere hacia el registro de transporte vertical y leída en 1/60 s. Como resultado, el tiempo de integración para ambos campos es igual a un tiempo de cuadro de 1/30 s. Ya que solamente la mitad de la imagen de escena se convierte en carga electrónica, es común en muchas  aplicaciones usar dos arreglos con la imagen de escena desfasado por un espejo medio plateado a 45 grados para que el segundo arreglo llene el espacio del primer arreglo.

Figura 6.17: CCD de arreglo por interlinea

Figura 6.17: CCD de arreglo por interlinea

Sensores de imagen CMOS: Los sensores de imagen se manufacturan en la industrial en forma de fundición de obleas o fabs en hornos cerrados que contienen un producto químico y gaseoso, la elevada temperatura hace que los átomos de gas se difundan y penetren en la oblea de silicio , cambiando las características eléctricas del mismo , donde luego usando técnicas de fotograbado y mediante exposición a los rayos ultravioleta se graban los circuitos diminutos y dispositivos sobre chips de silicio . El problema más grande con los CCDs es que no hay suficiente economía de escala. Los mismos se crean fundiciones usando procesos caros y especializados que sólo pueden usarse para hacer otros CCDs. Entretanto, más y mayores fundiciones en otras industrias están usando un proceso diferente llamado Metal-Oxido-Semiconductor con transistores complementarios (CMOS) para hacer millones de chips para los procesadores de computadoras y memorias. El CMOS es por mucho el proceso más común y de más alto rendimiento productivo en el proceso de fabricación de chips en el mundo. Los últimos procesadores de CMOS, como el Pentium II, contienen casi 10 millones de elementos activos. Usando este mismo proceso y el mismo equipo para fabricar los sensores de imagen CMOS se reduce dramáticamente los costos , porque se extienden los costos fijos de la planta sobre un número mucho más grande de dispositivos. Como resultado de estas economías de escala, el costo de fabricar una oblea de CMOS es un tercio del el costo de fabricar una oblea similar que usa un proceso de CCD especializado. Se bajan aun mas los costos porque los sensores de imagen CMOS pueden tener circuitos de proceso creados en el mismo chip. Cuando se usan CCDs, estos circuitos de proceso deben estar en chips separados.

Mientras que en el CCD toda la información es transmitida a través de las mismas celdas vecinas hacia sus bordes, donde la información es recolectada, el CMOS tiene capacidad de transmisión en cada una de las celdas. Esto evita el afecto de “blooming” o de contaminación entre pixeles vecinos cuando hay situaciones de sobre exposición y, además, permite mejores opciones de interpolación de la imagen.

El interés en el CMOS por parte de la industria radica en que, a diferencia de la fabricación de CCDs, que debe hacerse en plantas especializadas a partir de materias primas no comunes, los CMOS pueden ser fabricados en las líneas de producción normales de semiconductores a partir de materias primas muy baratas y de uso generalizado.

Teniendo en cuenta entonces que la tecnología de fabricación del CMOS es la misma que la de los microprocesadores, tendrá que haber una baja de precios en cuanto la tecnología CMOS se adapte de manera eficiente a las cámaras digitales. Por las características de su fabricación, los CMOS son también más fáciles de interconectar a nuevos sistemas que los CCD. Porque en realidad podemos considerar al CMOS como un microprocesador. Esto quiere decir que los CMOS son una alternativa flexible para los fabricantes, y les permitirán nuevos desarrollos. Las versiones iniciales de sensores de imagen CMOS estaban plagadas con problemas ruido, y eran usadas principalmente en cámaras económicas. Sin embargo, están haciéndose grandes adelantos y los sensores de imagen CMOS están alcanzando una calidad comparable a los CCDs . LuisOptoelectrónica

Los detectores analizados tienen una característica en común; integran en el espacio y en el tiempo la cantidad de luz que incide en ellos. Por ejemplo, si un haz luminoso de flujo radiante dado incide en una pequeña área de la superficie de fotodiodo 6.8 (a) entonces producirá la...