Sensor de imagem semicondutor

Um sensor de imagem semicondutor converte uma distribuição de luz em sinais elétricos através de arquiteturas desenvolvidas desde o início dos anos 1960. Na variante CCD, as cargas recolhidas no silício são transferidas para uma saída analógica cuja medição pode depois ser digitalizada.

O que é

Um sensor de imagem eletrónico transforma uma distribuição de luz em sinais elétricos. Num CCD, dispositivo de carga acoplada, as zonas fotossensíveis recolhem cargas que representam a iluminação recebida durante uma exposição. A posição dessas zonas na matriz permite reconstituir a distribuição espacial.

As famílias MOS e CCD organizam a leitura de maneiras diferentes. Num sensor MOS de píxeis passivos, um transístor seleciona o fotodíodo e transmite o sinal a um circuito comum; um píxel ativo acrescenta amplificação local. No CCD, os pacotes de carga deslocam-se no semicondutor até à saída.

A luz absorvida no silício pode criar portadores de carga. Os campos elétricos permitem recolher os eletrões úteis. O sensor conserva uma medição local; a objetiva que forma a imagem e o sistema que a regista desempenham outras funções.

O CCD produz primeiro grandezas analógicas. Um conversor analógico-digital transforma a sua medição em valores numéricos. A captação, a leitura e a digitalização pertencem a uma cadeia de funções. Um sinal elétrico de imagem também pode servir para vídeo analógico.

Como funciona

As tensões das portas deslocam as zonas de armazenamento elétrico; o silício permanece imóvel.

Elétrodos isolados do silício por uma camada de óxido criam poços de potencial. São regiões onde o campo elétrico pode reter cargas. Não existem pequenos recipientes escavados no cristal.

Durante a exposição, as cargas acumulam-se. Numa arquitetura matricial simples, o comando dos elétrodos desloca depois os pacotes ao longo das colunas até um registo em série. Este apresenta-os sucessivamente à etapa de saída, onde podem ser medidos como tensão. A ordem de leitura conserva a posição de origem de cada medição.

A resposta tem limites. Um local pode saturar; a corrente de escuro acrescenta cargas mesmo sem luz e a leitura introduz ruído. O número de píxeis não basta, por isso, para descrever a qualidade de uma imagem.

Um mosaico de filtros seleciona cores antes da recolha das cargas.

Os filtros de cor separam bandas do espetro. Com uma matriz de filtros, cada zona fotossensível recebe parte da informação cromática. O processamento combina medições vizinhas para reconstituir as cores.

Num CCD de quadro completo, a mesma superfície recebe luz e depois transfere as cargas. A leitura decorre durante uma interrupção da iluminação, por exemplo com um obturador externo fechado, para limitar o sinal acrescentado durante a transferência. Outras arquiteturas reservam uma zona de armazenamento ou registos protegidos ao lado das zonas fotossensíveis.

Como fazer

O fabrico de um CCD utiliza uma lâmina de silício muito puro, regiões dopadas, isolantes, elétrodos e ligações metálicas. Os padrões são formados por processos de microfabricação em sala limpa. Numa variante com metalização de alumínio, este metal forma ligações e oculta as zonas que devem ficar protegidas da luz. O encapsulamento permite usar o circuito sem expor as camadas frágeis.

Para compreender a leitura, desenhar uma quadrícula e distribuir fichas nas casas para representar iluminações diferentes. Começar pela fila inferior, deslocar as suas fichas para a faixa de leitura e fazê-las avançar para a casa de contagem à direita; ler primeiro a casa mais à direita. Repetir para as restantes filas, de baixo para cima. Anotar os valores pela ordem de leitura e colocá-los numa quadrícula igual.

Não decapar, aquecer ou partir um circuito para procurar os seus píxeis.

História e evolução

No início dos anos 1960, Paul Weimer estudou na RCA sensores com transístores de película fina sobre vidro. Em 1963, S. R. Morrison apresentou na Honeywell dispositivos com díodos difundidos no silício, incluindo um dispositivo de varrimento e um detetor da posição de um ponto luminoso. A IBM apresentou o scanistor em 1964: as suas junções forneciam um sinal relacionado com a iluminação local. Estes dispositivos precederam a acumulação intencional de carga no píxel.

Os sensores de estado sólido têm antecedentes anteriores ao CCD. Em 1967, Gene Weckler estudou a integração do sinal de fotodíodos. Em 1968, Peter Noble descreveu matrizes de detetores de silício com leitura comandada e amplificação no píxel.

Em 1969, nos Bell Labs, Willard Boyle e George Smith conceberam a transferência de cargas do CCD durante investigações sobre memórias. As notas iniciais têm a data de 8 de setembro. As publicações de 1970 e os desenvolvimentos de Michael Tompsett e dos seus colegas conduziram a aplicações de imagem.

Os sensores CMOS de píxeis ativos seguem outra organização de leitura. A amplificação é local, no píxel, com endereçamento por linhas e colunas. No início dos anos 1990, a equipa de Eric Fossum no JPL desenvolveu esta via para câmaras compactas. As transferências locais presentes em alguns píxeis CMOS não transformam a matriz num CCD. As duas famílias utilizam conversão fotoelétrica, com arquiteturas diferentes.