Sensor de imagen
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Un sensor de imagen CCD en una placa de circuito flexible
Un chip DRAM de 1 kilobit de American Microsystems, Inc., (AMI) (chip central con ventana de vidrio) utilizado como sensor de imagen por Cromemco Cyclops

Un sensor de imagen o generador de imágenes es un sensor que detecta y transmite información que se utiliza para crear una imagen . Lo hace convirtiendo la atenuación variable de las ondas de luz (a medida que pasan a través de los objetos o se reflejan en ellos ) en señales , pequeñas ráfagas de corriente que transmiten la información. Las ondas pueden ser luz u otra radiación electromagnética . Los sensores de imagen se utilizan en dispositivos electrónicos de imágenes tanto analógicas como digitales.tipos, que incluyen cámaras digitales , módulos de cámara , teléfonos con cámara , dispositivos de ratón óptico , [1] [2] [3] equipos de imágenes médicas, equipos de visión nocturna como dispositivos de imágenes térmicas , radar , sonar y otros. A medida que cambia la tecnología , las imágenes electrónicas y digitales tienden a reemplazar las imágenes químicas y analógicas.

Los dos tipos principales de sensores de imagen electrónicos son el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos ( sensor CMOS ). Tanto los sensores CCD como los CMOS se basan en tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS), con CCD basados ​​en condensadores MOS y sensores CMOS basados ​​en amplificadores MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) . Los sensores analógicos para radiación invisible tienden a involucrar tubos de vacío de varios tipos, mientras que los sensores digitales incluyen detectores de panel plano . Los sensores de imagen con unidades de procesamiento integradas para visión artificial se conocen como sensores de imagen inteligentes oSensores de imagen inteligentes . [4] [5]

Sensores CCD frente a CMOS

Una micrografía de la esquina de la matriz de fotosensores de una cámara digital con cámara web.
Sensor de imagen (arriba a la izquierda) en la placa base de una Nikon Coolpix L2 6 MP

Los dos tipos principales de sensores de imagen digital son el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos (sensor CMOS), fabricados en tecnologías complementarias MOS (CMOS) o MOS de tipo N ( NMOS o Live MOS ). Ambos sensores CCD y CMOS se basan en tecnología MOS , [6] con condensadores MOS siendo los bloques de construcción de un CCD, [7] y MOSFET amplificadores que son los bloques de construcción de un sensor CMOS. [8] [9]

Las cámaras integradas en productos de consumo pequeño generalmente usan sensores CMOS, que generalmente son más baratos y tienen un menor consumo de energía en dispositivos que funcionan con baterías que los CCD. [10] Los sensores CCD se utilizan para cámaras de video de alta calidad de transmisión, y los sensores CMOS dominan la fotografía fija y los bienes de consumo donde el costo general es una preocupación importante. Ambos tipos de sensores realizan la misma tarea de capturar la luz y convertirla en señales eléctricas.

Cada celda de un sensor de imagen CCD es un dispositivo analógico. Cuando la luz incide en el chip, se mantiene como una pequeña carga eléctrica en cada fotosensor . Las cargas en la línea de píxeles más cercana a los (uno o más) amplificadores de salida se amplifican y emiten, luego cada línea de píxeles desplaza sus cargas una línea más cerca de los amplificadores, llenando la línea vacía más cercana a los amplificadores. Este proceso se repite luego hasta que todas las líneas de píxeles hayan tenido su carga amplificada y emitida. [11]

Un sensor de imagen CMOS tiene un amplificador para cada píxel en comparación con los pocos amplificadores de un CCD. Esto da como resultado menos área para la captura de fotones que un CCD, pero este problema se ha superado mediante el uso de microlentes en frente de cada fotodiodo, que enfocan la luz en el fotodiodo que de otro modo habría golpeado el amplificador y no habría sido detectado. [11] Algunos sensores de imágenes CMOS también utilizan iluminación trasera para aumentar la cantidad de fotones que golpean el fotodiodo. [12] Los sensores CMOS pueden implementarse potencialmente con menos componentes, usar menos energía y / o proporcionar una lectura más rápida que los sensores CCD. [13] También son menos vulnerables a las descargas de electricidad estática.

Otro diseño, una arquitectura híbrida CCD / CMOS (que se vende con el nombre " sCMOS ") consiste en circuitos integrados de lectura CMOS (ROIC) que se adhieren a un sustrato de imágenes CCD, una tecnología que se desarrolló para matrices de mirada infrarroja y se ha adaptado a la tecnología de detectores basada en silicio. [14] Otro enfoque es utilizar las dimensiones muy finas disponibles en la tecnología CMOS moderna para implementar una estructura similar a CCD completamente en tecnología CMOS: tales estructuras se pueden lograr separando puertas de polisilicio individuales por un espacio muy pequeño; aunque sigue siendo un producto de la investigación, los sensores híbridos pueden aprovechar los beneficios de los generadores de imágenes CCD y CMOS. [15]

Rendimiento

Véase también: EMVA1288

Hay muchos parámetros que se pueden utilizar para evaluar el rendimiento de un sensor de imagen, incluido el rango dinámico , la relación señal / ruido y la sensibilidad con poca luz. Para sensores de tipos comparables, la relación señal-ruido y el rango dinámico mejoran a medida que aumenta el tamaño .

Control del tiempo de exposición

El tiempo de exposición de los sensores de imagen generalmente se controla mediante un obturador mecánico convencional , como en las cámaras de película, o mediante un obturador electrónico . El obturador electrónico puede ser "global", en cuyo caso la acumulación de fotoelectrones de toda el área del sensor de imagen comienza y se detiene simultáneamente, o "rodando", en cuyo caso el intervalo de exposición de cada fila inmediatamente precede a la lectura de esa fila, en un proceso que "rueda" a lo largo del marco de la imagen (normalmente de arriba a abajo en formato apaisado). El encofrado electrónico global es menos común, ya que requiere circuitos de "almacenamiento" para mantener la carga desde el final del intervalo de exposición hasta que llega el proceso de lectura, generalmente unos milisegundos más tarde. [dieciséis]

Separación de colores

Patrón de Bayer en el sensor
Esquema de filtrado vertical de Foveon para detección de color

Existen varios tipos principales de sensores de imagen en color, que se diferencian por el tipo de mecanismo de separación de colores:

  • Sensor de filtro Bayer , de bajo costo y más común, que utiliza una matriz de filtros de color que pasa luz roja, verde y azul a sensores de píxeles seleccionados. Cada elemento sensor individual se vuelve sensible al rojo, verde o azul por medio de un gel de color hecho de tintes químicos estampados sobre los elementos. La matriz de filtro más común, el patrón de Bayer , usa dos píxeles verdes para cada rojo y azul. Esto da como resultado una menor resolución para los colores rojo y azul. Las muestras de color que faltan pueden interpolarse utilizando unalgoritmo de demostración o ignorarse por completo mediante la compresión con pérdida . Para mejorar la información de color, técnicas como el muestreo de co-sitio de color utilizan unamecanismo piezoeléctrico para cambiar el sensor de color en pasos de píxeles.
  • Sensor Foveon X3 , que utiliza una serie de sensores de píxeles en capas, que separa la luz a través de la propiedad de absorción inherente del silicio dependiente de la longitud de onda, de modo que cada ubicación detecta los tres canales de color. Este método es similar al funcionamiento de la película en color para fotografía.
  • 3CCD , utilizando tres sensores de imagen discretos, con la separación de color realizada por un prisma dicroico . Los elementos dicroicos proporcionan una separación de color más nítida, mejorando así la calidad del color. Debido a que cada sensor es igualmente sensible dentro de su banda de paso y a resolución completa, los sensores 3-CCD producen una mejor calidad de color y un mejor rendimiento con poca luz. Los sensores 3-CCD producen unaseñal 4: 4: 4 completa , que se prefiere en la transmisión de televisión , la edición de video y los efectos visuales de croma .

Sensores especiales

Vista infrarroja de la nebulosa de Orión tomada por HAWK-I de ESO , un generador de imágenes criogénico de campo amplio [17]

Los sensores especiales se utilizan en diversas aplicaciones como termografía , creación de imágenes multiespectrales , laringoscopios de video , cámaras gamma , matrices de sensores para rayos X y otras matrices altamente sensibles para astronomía . [ cita requerida ]

Mientras que, en general, las cámaras digitales utilizan un sensor plano, Sony creó un prototipo de sensor curvo en 2014 para reducir / eliminar la curvatura del campo Petzval que se produce con un sensor plano. El uso de un sensor curvo permite un diámetro cada vez más pequeño de la lente con elementos reducidos y componentes con mayor apertura y caída de luz reducida en el borde de la foto. [18]

Historia

Ver también: Imágenes digitales

Los primeros sensores analógicos de luz visible eran tubos de cámaras de vídeo . Se remontan a la década de 1930 y se desarrollaron varios tipos hasta la década de 1980. A principios de la década de 1990, habían sido reemplazados por modernos sensores de imagen CCD de estado sólido . [19]

La base de los sensores de imagen de estado sólido modernos es la tecnología MOS, [20] [21] que se origina a partir de la invención del MOSFET por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [22] Una investigación posterior sobre la tecnología MOS condujo al desarrollo de sensores de imagen de semiconductores de estado sólido , incluido el dispositivo de carga acoplada (CCD) y más tarde el sensor de píxeles activos ( sensor CMOS ). [20] [21]

El sensor de píxeles pasivos (PPS) fue el precursor del sensor de píxeles activos (APS). [9] Un PPS consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . [23] Es un tipo de matriz de fotodiodos , con píxeles que contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . G. Weckler propuso una matriz de fotodiodos en 1968. [8] Esta fue la base para el PPS. [9]Estas primeras matrices de fotodiodos eran complejas y poco prácticas, y requerían que se fabricaran transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en chip . El ruido de las matrices de fotodiodos también fue una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura de fotodiodos resultó en un mayor nivel de ruido. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco se puede utilizar con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . [8]

Dispositivo de carga acoplada

Artículo principal: dispositivo de carga acoplada

El dispositivo de carga acoplada (CCD) fue inventado por Willard S. Boyle y George E. Smith en Bell Labs en 1969. [24] Mientras investigaban la tecnología MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podría almacenarse en un pequeño condensador MOS . Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. [20] El CCD es un circuito semiconductor que luego se utilizó en las primeras cámaras de video digitales para la transmisión de televisión . [25]

Los primeros sensores CCD sufrían de retraso del obturador . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijo (PPD). [9] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. [9] [26] Era una estructura fotodetectora con bajo retardo, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . [9] En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego en las cámaras digitales fijas.. Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS. [9]

Sensor de píxeles activos

Artículo principal: sensor de píxeles activos

El sensor de píxeles activos NMOS (APS) fue inventado por Olympus en Japón a mediados de la década de 1980. Esto fue posible gracias a los avances en la fabricación de dispositivos semiconductores MOS , con la escala MOSFET alcanzando niveles de micrones más pequeños y luego submicrónicos . [8] [27] El primer NMOS APS fue fabricado por el equipo de Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. [28] El sensor CMOS de píxeles activos (sensor CMOS) fue desarrollado más tarde por el equipo de Eric Fossum en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en 1993. [9] En 2007, las ventas de sensores CMOS habían superado a los sensores CCD. [29] Para la década de 2010, los sensores CMOS desplazaron en gran medida a los sensores CCD en todas las aplicaciones nuevas.

Otros sensores de imagen

El nuevo iPad incluye sensor lidar

La primera cámara digital comercial , la Cromemco Cyclops en 1975, utilizó un sensor de imagen MOS de 32 × 32. Era un chip de memoria RAM dinámico MOS ( DRAM ) modificado . [30]

Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de mouse óptico . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizó un chip sensor de circuito integrado NMOS de 5  µm . [31] [32] Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse introducido en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. [33]

En febrero de 2018, los investigadores de Dartmouth College anunciaron una nueva tecnología de detección de imágenes que los investigadores llaman QIS, para Quanta Image Sensor. En lugar de píxeles, los chips QIS tienen lo que los investigadores llaman "jots". Cada jota puede detectar una sola partícula de luz, llamada fotón . [34]

Ver también

  • Lista de sensores utilizados en cámaras digitales
  • Sensor de imagen de contacto (CIS)
  • Sensor electro-óptico
  • Tubo de cámara de video
  • Detector de semiconductores
  • Factor de llenado
  • SLR digital de fotograma completo
  • Resolución de imagen
  • Formato del sensor de imagen , tamaños y formas de sensores de imagen comunes
  • Matriz de filtros de color , mosaico de pequeños filtros de color sobre sensores de imagen en color
  • Sensitometría , el estudio científico de materiales sensibles a la luz
  • Historia de la televisión , el desarrollo de la tecnología de imágenes electrónicas desde la década de 1880
  • Lista de cámaras de video de lentes intercambiables con sensor grande
  • Sensor de imagen binaria sobremuestreado
  • Visión por computador
  • Escáner de escoba
  • Escáner de escoba batidora

Referencias

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enlaces externos

  • Resumen de rendimiento del sensor de la cámara digital por Roger Clark
  • Clark, Roger. "¿Importa el tamaño de píxel?" . clarkvision.com . (con cubos gráficos y analogías con el agua de lluvia)
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