Introducción a la tecnología del sensor de imagen

La premisa básica de la imagen electrónica es que la energía de la luz se convierte en electricidad de una manera que preserva la información visual, lo que nos permite reconstruir las propiedades ópticas de una escena. Esta interacción predecible entre fotones y electrones inicia el proceso de captura de imágenes digitales. Después de que la energía entregada por los fotones incidentes se convierte en energía eléctrica, el sistema debe tener alguna forma de cuantificar esta energía y almacenarla como una secuencia (o matriz) de valores.

En la mayoría de los sensores de imagen, la conversión de luz a electricidad se realiza mediante un fotodiodo, que es una unión PN cuya estructura favorece la generación de pares electrón-agujero en respuesta a la luz incidente.

Los fotodiodos suelen estar hechos de silicio, pero otros materiales semiconductores como el arseniuro de indio, el antimonuro de indio, el telururo de cadmio de mercurio, etc. también se utilizan para diversos fines especiales.

Un avance importante en la tecnología de sensores de imagen fue la creación de un fotodiodo de tipo anclado. En la imagen de arriba, un fotodiodo, como un diodo normal, consiste en una región de tipo P y una región de tipo N.

Los fotodiodos de tipo anclado tienen una región adicional hecha de semiconductor de tipo P altamente dopado (P para abreviar); como se muestra, es más delgado que las otras dos regiones.

Esta figura muestra la estructura de un fotodiodo anclado integrado en un sensor de imagen

Introducidos en la década de 1980, los fotodiodos anclados resolvieron el problema (llamado "histéresis") asociado con la transferencia retardada de carga generada por la luz. Los fotodiodos de estilo anclado también ofrecen una mayor eficiencia cuántica, un rendimiento de ruido mejorado y una corriente oscura más baja (volveremos a estos conceptos más adelante en esta serie).

Hoy en día, el elemento fotosensible en casi todos los sensores de imagen CCD y CMOS es un fotodiodo anclado.

Las dos principales tecnologías de imágenes son CCD (dispositivo acoplado a carga) y CMOS.

También hay otros tipos de sensores, como sensores NMOS para espectroscopia, fotómetros en miniatura que proporcionan sensibilidad a las imágenes térmicas infrarrojas y aplicaciones especiales pueden utilizar matrices de fotodiodos conectadas a circuitos amplificadores personalizados.

No obstante, nos centraremos en CCD y CMOS. Estas dos categorías generales de sensores cubren una amplia gama de aplicaciones y funciones.

Parece que la gente se siente atraída por el juicio de valor de "¿Cuál es mejor?" Preguntas como el montaje en superficie o el agujero Pasante? ¿BJT o FET? ¿Canon o Nikon? ¿Windows o Mac (o Linux)? Estas preguntas rara vez tienen respuestas significativas, e incluso comparar características individuales puede ser difícil.

Entonces, ¿cuál es mejor, CMOS o CCD? La comparación tradicional es la siguiente: CCD tiene menor ruido, mejor uniformidad de píxel a píxel y tiene una reputación de calidad de imagen superior. Los sensores CMOS ofrecen niveles más altos de integración, lo que reduce la complejidad para los diseñadores de circuitos, y un menor consumo de energía.

No digo que esta evaluación sea inexacta, pero su utilidad es limitada. Mucho depende de sus necesidades de sensores y de sus requisitos y prioridades.

Además, la tecnología está cambiando rápidamente, y la gran cantidad de dinero invertido en la investigación y el desarrollo de imágenes digitales puede cambiar gradualmente el patrón de CCD y CMOS.

En segundo lugar, los sensores de imagen no producen imágenes. Es una parte integral de un sistema de imágenes digitales (una parte muy importante, por supuesto), y la calidad de imagen percibida producida por el sistema depende no solo del sensor, pero muchos más factores. No hay duda de que los CCD superan a los sensores CMOS para algunas propiedades optoelectrónicas. Pero asociar un CCD con un general más altoLa calidad de imagen parece un poco irrazonable.

Un sistema basado en sensores CCD requiere una gran inversión de diseño. Los CCD requieren una variedad de voltajes de control y potencia de nivel no lógico (incluidos voltajes negativos), y la sincronización que se debe aplicar al sensor puede ser muy compleja. Los "datos" de imagen producidos por el sensor son una forma de onda analógica que necesita ser finamente amplificada y muestreada y, por supuesto, cualquier circuito de procesamiento de señal o conversión de datos tiene el potencial de introducir ruido.

El bajo rendimiento de ruido comienza con un CCD, pero no termina ahí; debemos esforzarnos por minimizar el ruido en toda la cadena de señales.

Forma de onda de salida CCD

La situación es bastante diferente para los sensores de imagen CMOS. Trabajan más como circuitos integrados estándar, con fuentes de voltaje de nivel lógico, procesamiento de imágenes en chip y datos de salida digital. Es posible que también tenga que lidiar con un poco de ruido de imagen adicional, pero en muchas aplicaciones este es un pequeño precio a pagar por reducir en gran medida la complejidad del diseño, el costo de desarrollo y el estrés.

El procesamiento de imágenes no es una tarea de microcontrolador típica, especialmente cuando se trabaja con sensores de alta velocidad de fotogramas o de alta resolución. La mayoría de las aplicaciones se beneficiarán de la potencia informática de un procesador de señal digital o FPGA.

La compresión también debe considerarse, especialmente si necesita almacenar imágenes en la memoria o transferirlas de forma inalámbrica. Esto se puede realizar mediante software o hardware programable.