O aparecimento recente de câmaras CCD

SENSOR

CCD (charge-coupled device) ou Dispositivo de Carga Acoplado é um sensor para captação de imagens formado por um circuito integrado contendo uma matriz de capacitores ligados (acoplados). Sob o controle de um circuito externo, cada capacitor pode transferir sua carga elétrica para um outro capacitor vizinho. Os CCDs são usados em fotografia digital, imagens de satélites, equipamentos médico-hospitalares (como por exemplo os endoscópios), e na astronomia (particularmente em fotometria, óptica e espectroscopia UV e técnicas de alta velocidade). A capacidade de resolução ou detalhe da imagem depende do número de células fotoelétricas do CCD. Expressa-se este número em pixels. Quanto maior o número de pixels, maior a resolução da imagem. Atualmente as câmeras fotográficas digitais incorporam CCDs com capacidades de até 160 milhões de pixeis.

FUNCIONAMENTO

O funcionamento de um sensor de imagem CCD baseia-se no princípio do cristal semicondutor tipo p que libera elétrons quando uma radiação luminosa incide sobre os átomos do mesmo. A quantidade de elétrons liberados é proporcional à intensidade desta radiação e pode então ser utilizada para representar a imagem de um objeto focalizado por um sistema de lentes posicionado entre este e o circuito sensor. A Figura ilustra este mecanismo onde a radiação hv incidente através de uma janela óptica no SI

Para o deslocamento dos poços de potenciais gerados referentes a cada pixel, que estão lado a lado no substrato formando uma linha, é utilizado um circuito que gera vários pulsos de sincronismo deslocados em fase e estão conectados aos contatos metálicos. O potencial elétrico nos contatos do clock 1 inicialmente acumulam os elétrons gerados pela radiação luminosa. O circuito temporizador gera outro potencial nos contatos do clock 2, anexo aos contatos do clock 1, que atrai estas cargas elétricas, deslocando-as fisicamente no substrato. O mesmo ocorre entre os contatos de clock 2 e 3 e entre o clock 3 e 1, posteriormente, até que todas as cargas geradas sejam movimentadas para fora do substrado de geração. O circuito de temporização geralmente é externo ao circuito integrado do elemento sensor CCD e tem sua constituição e funcionamento específicos para cada tipo de CCD.

TAMANHO DO SENSOR

O tamanho do sensor está relacionado com a área ativa do mesmo, tipicamente especificado na sua dimensão diagonal em polegadas. Na Figura 2.8 pode-se observar diversos sensores, suas especificações e dimensões em milímetros. A maioria das câmeras analógicas tem uma relação de 4 para 3 entre a dimensão horizontal e vertical. A varredura do sensor pode seguir o padrão entrelaçado, onde as linhas horizontais ímpares são varridas antes das linhas pares, ou o padrão progressivo, onde todas as linhas são varridas de uma só vez, gerando melhor qualidade de imagem para aquisições de alta velocidade.

O sinal Y-C utilizado em vídeo câmeras portáteis separa a luminância Y e a croma (Cor), permitindo melhor qualidade de imagem.

O padrão RGB (Red, Green, Blue) utiliza três sensores CCD separando os componentes da cor para uso nos tubos de raios catódicos (TRC) dos sistemas de televisão e monitores de computadores, também com melhor qualidade de imagem que o sinal composto.

ESPECIFICAÇÕES TECNICAS

A sensibilidade dos sensores CCD de silício para câmeras preto e branco vai de 400 nm a 1000 nm de comprimento de onda da luz enquanto para câmeras coloridas há um filtro de Infra-Vermelho acima de 700 nm.

A Magnificação Primária é a relação entre o tamanho do sensor e o campo de visão e resulta no “ganho” no tamanho da imagem oferecido pela lente.

A Velocidade de Abertura (Speed Shutter) controla a intensidade da luz que chega ao sensor e o momento em que a imagem é capturada. Se o sensor ficasse constantemente aberto para receber a luz da imagem, o resultado seria uma superexposição e o borramento com a integralização do sinal. A abertura trabalha coletando metade da iluminação a cada passo, geralmente em oito etapas, partindo da velocidade de 1/60 de segundo até 1/10.000 de segundo (de 16 ms de exposição até 100 m s). Esta abertura pode ser sincronizada com dispositivos externos de controle e iluminação, como esteiras de posicionamento e lâmpadas estroboscópicas.

A Resolução em contagem de pixels depende do tamanho do sensor. Quanto menor o sensor, maior a concentração de pixels por milímetro e portanto será maior a resolução do mesmo. Por exemplo, um sensor de 1/3” com 640 por 480 pixels terá 133 pixels por milímetro e uma resolução de 7,51 m m por pixel no sensor. Uma resolução em linhas de TV, encontradas comercialmente entre 330 e 570 linhas, também deve ser cuidadosamente selecionada, uma vez que diversos sensores CCD podem ter espaços em branco entre linhas e colunas de pixels.

O formato do sinal utilizado nos sensores CCD são basicamente quatro: Sinais  compostos, Y-C, RGB e Digital.

O sinal composto de vídeo pode seguir a norma EIA definida como RS-170 que define 30 quadros por segundo (Frames Per Second -FPS), resolução de 640 x 480 pixels e sistema de cor NTSC, utilizado nos Estados Unidos ou a norma CCIR, que define 25 quadros por segundo, resolução de 768 x 576 pixels e sistema de cor PAL, utilizado na Europa.

O sinal Y-C utilizado em vídeo câmeras portáteis separa a luminância Y e a croma (Cor), permitindo melhor qualidade de imagem.

O padrão RGB (Red, Green, Blue) utiliza três sensores CCD separando os componentes da cor para uso nos tubos de raios catódicos (TRC) dos sistemas de televisão e monitores de computadores, também com melhor qualidade de imagem que o sinal composto.

Os sinais de câmeras digitais, quando conectados diretamente em placas de captura de imagens fornecem uma performance única com grande flexibilidade e qualidade. Os níveis de sinal utilizam padrão TTL (Transistor-Transistor Logic) com tensões de +5 Volts e Zero Volts e o padrão de comunicação serial RS-422 com + 12 V e - 12V.

A precisão é definida como a quantidade de pixels de erro na leitura do sinal. Na prática, a baixa precisão admite erros de +- 6 pixels enquanto uma precisão média aceita erros de +- 3 pixels.

Os fabricantes de dispositivos CCD com especificações completas encontrados foram a KodaK e a Sony. Os fabricantes de câmeras com maior variedade de modelos foram a Sony, Watec, LG Honeywell, Microchip, Kalpyys e Cohu. Câmeras com a aplicação específica de envio de imagem via internet (WebCam) em teleconferências ou vídeofone são fabricadas pela Creative e Intel.

IMAGENS