Sensor de imagen

Dependiendo del tipo de sensor, el principio de funcionamiento puede variar. Sin embargo, realiza la misma función en todas partes - convierte el flujo de luz que entra a través del objetivo a una señal eléctrica que contiene principalmente la información sobre el brillo de la imagen grabada. Contrariamente a las apariencias, el tipo de sensor utilizado es de gran importancia para la calidad de la imagen de salida.

Fig. 1. Sensor de imagen tipo CMOS de la cámara APTI-24C2-36W

Hay dos tipos de sensores más utilizados – CCD y CMOS (fig. 2a y 2b). Este último se utiliza con mayor frecuencia en las cámaras industriales, debido a su construcción y las capacidades que ofrece. En cambio, los sensores CCD normalmente están instalados en las cámaras analógicas que operan en el estándar PAL, las cuales son cada vez menos populares. La siguiente es una breve descripción general y el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.

Fig. 2a. Sensor CCD

Fig. 2b. Sensor CMOS

Sensor CCD (Charge Coupled Device) – es un dispositivo de carga acoplada.

En general, el principio de funcionamiento de un sensor CCD consiste en acumular la carga eléctrica en los sectores correspondientes de la matriz del sensor, llamados píxeles. Esto se debe a los fotones (luz) que caen sobre los píxeles individuales aislados unos de otros que eliminan los electrones (fig. 3). Un solo píxel puede presentarse como un contenedor en que se acumulan nuevos electrones. Su número es proporcional a la intensidad de la luz y también al tiempo de exposición (fig. 4).

De esta manera, a través de la acumulación de un número variable de electrones en la matriz, se crea un mapa que es en cierto modo un reflejo de la imagen vista por la cámara. Se hace notar que la matriz del sensor capta solamente la intensidad de luz, sin colores de los elementos individuales de la imagen, lo que se analizará más adelante.

El proceso de escaneado del número de electrones acumulados en cada píxel se lleva a cabo de una manera secuencial. Esto significa que la transferencia de electrones a otros circuitos electrónicos sólo se produce a partir de los registros de escaneado que se encuentran a lo largo de una línea de la matriz. Una vez escaneados los electrones de la primera línea de la matriz, se produce el salto de los electrones posteriores a la línea siguiente y su lugar es ocupado por los electrones de la línea siguiente. Todo el procedimiento se repite hasta que se escaneen todos los píxeles (fig. 5).

De esta manera, las cargas se transfieren de cada píxel a los circuitos electrónicos que los transforman en la tensión eléctrica correspondiente a la cantidad de luz “capturada”. Además, a cada valor se añaden las coordenadas de un píxel en la matriz del sensor. Esto es, en pocas palabras, la captura de una imagen por el sensor.

Sin embargo, ¿cómo sucede que la imagen es en color? Para explicar esto, hay que volver a la construcción de la matriz del sensor (fig. 6). Está cubierta con filtros RGB (rojo, verde, azul), uno para cada píxel en el esquema definido. Cada filtro transmite la luz de un solo color. Por consiguiente, cada píxel registra la cantidad de luz de un color determinado, en función del filtro bajo el cual se encuentra. Dado que los píxeles tienen sus coordenadas, se sabe cuál es la intensidad de luz y el color de cada uno de ellos. El resto lo hace el sistema electrónico. El procesador gráfico del dispositivo cuenta con un mapa programado de filtros en la misma disposición en que está presente en la matriz, de modo que puede reproducir la imagen registrada por el sensor en una versión digital.

Fig. 6. Matriz CCD cubierta con filtros RGB, cada uno de los cuales transmite la luz de color correspondiente

Cabe destacar que el número de píxeles con filtros que transmiten el color verde es el doble en comparación con el resto de colores. Esto es porque el sensor de imagen se ha creado como un modelo del ojo humano que es más sensible al verde de entre todos los colores primarios.

Los filtros realizan otra función importante - protegen contra la luz infrarroja que es emitida por prácticamente todos los objetos a una temperatura superior al cero absoluto. El sensor es sensible a toda la banda de luz visible y, al contrario del ojo humano, a la luz infrarroja que afecta seriamente la reproducción de colores y brillo.

Además, basándose en colores de 9 píxeles en una disposición de 3x3, el procesador determina el color resultante y lo memoriza en lugar del píxel central (fig. 7), y después tiene en cuenta los siguientes 9 píxeles moviendo el fotograma de uno y determina el color del siguiente píxel interior. Este proceso se denomina interpolación y gracias a él la imagen se acerca más a la realidad.

El método descrito de interpolación, a saber, la determinación del color (promedio) resultante en base a los colores circundantes no funcionará para los píxeles ubicados en los bordes de la matriz. Por supuesto, dado el tamaño actual de matrices utilizadas en cámaras industriales, esto no tiene ninguna importancia. Sin embargo, los fabricantes de cámaras y cámaras fotográficas, especialmente las de alta gama, a menudo, además del número de píxeles, también especifican el número de píxeles efectivos. Esta es la cantidad de píxeles efectivamente utilizados para obtener la imagen, sin píxeles situados en los bordes de la matriz u otros píxeles auxiliares.

Sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Los semiconductores presentes en estos sensores, tanto en términos de diseño, como el método de transmisión de información, se basan en la arquitectura de las memorias de masa. Se caracterizan principalmente por la velocidad de operación y la demanda de energía reducida en comparación con los sensores CCD. El principio de funcionamiento es similar a los sensores CCD, excepto por el hecho de que todos los píxeles se escanean de manera independiente, y no secuencialmente. Esto sucede porque cada píxel en una matriz CMOS cuenta con su propio convertidor de corriente a voltaje y su dirección de ubicación. Por consiguiente, todos los píxeles se pueden escanear al mismo tiempo (fig. 8).

Desafortunadamente, este sistema también tiene sus inconvenientes. Debido a la necesidad de colocar componentes adicionales en el interior del sensor, la distancia entre píxeles es mucho más grande que en los sensores CCD. No están tan cerca uno del otro y, en consecuencia, el sensor es más grande. Como resultado, toda la matriz es menos sensible debido al hecho de que parte de la luz no cae sobre los elementos fotosensibles, sino entre ellos. Otro gran inconveniente es el hecho de que no es posible producir varios millones de elementos fotosensibles idénticos, donde cada sensor funciona con la misma precisión. Eventualmente, es probable que la imagen que debe ser de color uniforme tendrá bandas específicas llamadas ruido. Por supuesto, dependiendo de la clase del dispositivo, los componentes electrónicos responsables de procesar la imagen pueden abordar este problema en mayor o menor medida.

El tamaño del sensor instalado en la cámara se da en pulgadas. Por lo general, cuanto mayor sea el sensor, más píxeles habrá en él, y por consiguiente, mejor será la calidad de la imagen. Los tamaños más populares de sensores para cámaras industriales son de 1/3" y 1/4". Curiosamente, esto tiene poco que ver con el tamaño real del sensor. Es un residuo de los días en que la función del sensor de la cámara fue realizada por un tubo de rayos catódicos. El tamaño, sin embargo, no se aplicaba a la lámpara, sino al diámetro del bulbo protector de vidrio.

Así, por ejemplo, el tamaño del sensor 1" es el tamaño del tubo de rayos catódicos colocado dentro de un bulbo de vidrio con un diámetro de 1 pulgada. Para mayor facilidad, se puede suponer que la diagonal del sensor es de aproximadamente dos tercios de su designación. Los valores exactos se dan en la tabla de tamaños.