Sensor de imagen semiconductor

Un sensor de imagen semiconductor convierte una distribución de luz en señales eléctricas mediante arquitecturas desarrolladas desde principios de los años 1960. En la variante CCD, las cargas recogidas en el silicio se transfieren a una salida analógica cuya medida puede digitalizarse después.

Qué es

Un sensor de imagen electrónico convierte una distribución de luz en señales eléctricas. En un CCD, o dispositivo de carga acoplada, las zonas fotosensibles recogen cargas que representan la iluminación recibida durante una exposición. Su posición en la matriz permite reconstruir la distribución espacial.

Las familias MOS y CCD organizan la lectura de distinta manera. En un sensor MOS de píxeles pasivos, un transistor selecciona el fotodiodo y lleva su señal a un circuito común; un píxel activo añade amplificación local. En el CCD, los paquetes de carga se desplazan por el semiconductor hasta la salida.

La luz absorbida en el silicio puede generar portadores de carga. Los campos eléctricos permiten recoger los electrones útiles. El sensor conserva una medida local; el objetivo que forma la imagen y el sistema que la registra cumplen otras funciones.

Las magnitudes que produce el CCD son inicialmente analógicas. Un convertidor analógico-digital transforma su medida en valores numéricos. La captación, la lectura y la digitalización pertenecen a una cadena de funciones. Una señal eléctrica de imagen también puede utilizarse para vídeo analógico.

Cómo funciona

Las tensiones de las puertas desplazan las zonas de almacenamiento eléctrico; el silicio permanece inmóvil.

Unos electrodos aislados del silicio por una capa de óxido crean pozos de potencial. Son regiones donde el campo eléctrico puede retener cargas. No son pequeños recipientes excavados en el cristal.

Durante la exposición se acumulan cargas. En una arquitectura matricial sencilla, el control de los electrodos desplaza después los paquetes por las columnas hasta un registro en serie. Este los presenta sucesivamente a la etapa de salida, donde pueden medirse como tensión. El orden de lectura conserva la posición de origen de cada medida.

La respuesta tiene límites. Un sitio puede saturarse; la corriente de oscuridad añade cargas incluso sin luz y la lectura introduce ruido. Por eso, el número de píxeles no basta para describir la calidad de una imagen.

Un mosaico de filtros selecciona colores antes de recoger las cargas.

Los filtros de color separan bandas del espectro. Con un mosaico de filtros, cada fotosito recibe una parte de la información cromática. El procesamiento combina las medidas vecinas para reconstruir los colores.

En un CCD de cuadro completo, la misma superficie recibe luz y después transfiere las cargas. La lectura se realiza mientras se interrumpe la iluminación, por ejemplo con un obturador externo cerrado, para limitar la señal añadida durante el desplazamiento. Otras arquitecturas disponen de una zona de almacenamiento o de registros protegidos junto a los fotositos.

Cómo hacerlo

La fabricación de un CCD emplea una oblea de silicio muy puro, regiones dopadas, aislantes, electrodos y conexiones metálicas. Los patrones se forman mediante procesos de microfabricación en sala limpia. En una variante con metalización de aluminio, este metal forma conexiones y oculta las zonas que deben quedar protegidas de la luz. El encapsulado permite usar el chip sin exponer sus capas frágiles.

Para entender la lectura, dibujar una cuadrícula y repartir fichas por sus casillas para representar distintas iluminaciones. Empezar por la fila inferior, llevar sus fichas a la banda de lectura y desplazarlas hacia la casilla de recuento de la derecha; leer primero la casilla situada más a la derecha. Repetir con las demás filas, de abajo hacia arriba. Anotar los valores en orden y colocarlos en otra cuadrícula idéntica.

No decapar, calentar ni romper un chip para buscar sus píxeles.

Historia y evolución

A principios de los años 1960, Paul Weimer investigó en RCA sensores con transistores de película delgada sobre vidrio. En 1963, S. R. Morrison presentó en Honeywell dispositivos con diodos difundidos en silicio, entre ellos un dispositivo de barrido y un detector de la posición de un punto luminoso. IBM presentó el scanistor en 1964: sus uniones proporcionaban una señal relacionada con la iluminación local. Estos dispositivos precedieron a la acumulación intencionada de carga dentro del píxel.

Los sensores de estado sólido tienen antecedentes anteriores al CCD. En 1967, Gene Weckler estudió la integración de la señal de fotodiodos. En 1968, Peter Noble describió matrices de detectores de silicio con lectura controlada y amplificación dentro del píxel.

En 1969, en Bell Labs, Willard Boyle y George Smith concibieron la transferencia de cargas del CCD mientras investigaban memorias. Sus notas iniciales están fechadas el 8 de septiembre. Las publicaciones de 1970 y el trabajo de Michael Tompsett y sus colegas condujeron a aplicaciones de captación de imágenes.

Los sensores CMOS de píxeles activos organizan la lectura de otra manera. Incorporan amplificación local en el píxel y direccionamiento por filas y columnas. A principios de los años 1990, el equipo de Eric Fossum en el JPL desarrolló esta vía para cámaras compactas. Las transferencias locales presentes en algunos píxeles CMOS no convierten su matriz en un CCD. Ambas familias utilizan conversión fotoeléctrica con arquitecturas distintas.