Sensor de imagen

Un sensor de imagen es un sensor utilizado para la formación de imágenes . Detecta y transmite información para crear una imagen. Lo hace convirtiendo la atenuación variable de las ondas de luz (al pasar a través de los objetos o reflejarse en ellos ) en señales , pequeños impulsos de corriente que transmiten la información. Estas ondas pueden ser luz u otra radiación electromagnética . Los sensores de imagen se utilizan en dispositivos de imagen electrónicos , tanto analógicos como digitales , como cámaras digitales , módulos de cámara , teléfonos con cámara , ratones ópticos , equipos de imagen médica , equipos de visión nocturna como dispositivos de imagen térmica , radar , sonar , entre otros. Con el avance de la tecnología , la imagen electrónica y digital tiende a reemplazar la imagen química y analógica.

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 la tecnología de semiconductor de óxido metálico (MOS), con los CCD basados ​​en condensadores MOS y los sensores CMOS basados ​​en amplificadores MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) . Los sensores analógicos para radiación invisible suelen utilizar tubos de vacío de diversos tipos, mientras que los sensores digitales incluyen detectores de panel plano .

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 con tecnologías MOS complementarias (CMOS) o MOS de tipo N ( NMOS o Live MOS ). Tanto los sensores CCD como los CMOS se basan en la tecnología MOS , ^{[ 1 ]} siendo los condensadores MOS los bloques de construcción de un CCD, ^{[ 2 ]} y los amplificadores MOSFET los bloques de construcción de un sensor CMOS. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Las cámaras integradas en pequeños productos de consumo suelen usar sensores CMOS, que generalmente son más económicos y consumen menos energía en dispositivos alimentados por batería que los CCD. ^{[ 5 ]} Los sensores CCD se utilizan en cámaras de video de alta gama con calidad de transmisión, mientras que los sensores CMOS predominan en la fotografía fija y los productos de consumo donde el costo total 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, un fotodiodo con pines . ^{[ 6 ]} Cuando la luz incide sobre el chip, se almacena como una pequeña carga eléctrica en cada fotodiodo. Las cargas en la línea de píxeles más cercana a los amplificadores de salida (uno o más) se amplifican y se emiten; luego, cada línea de píxeles desplaza sus cargas una línea más cerca de los amplificadores, llenando la línea vacía más próxima a ellos. Este proceso se repite hasta que todas las líneas de píxeles hayan amplificado y emitido su carga. ^{[ 7 ]}

Un sensor de imagen CMOS tiene un amplificador para cada píxel en comparación con los pocos amplificadores de un CCD. Esto resulta en un área menor para la captura de fotones que un CCD, pero este problema se ha superado mediante el uso de microlentes delante de cada fotodiodo, que enfocan la luz hacia el fotodiodo que de otro modo habría impactado en el amplificador y no habría sido detectada. ^{[ 7 ]} Algunos sensores de imagen CMOS también utilizan iluminación posterior para aumentar la cantidad de fotones que impactan en el fotodiodo. ^{[ 8 ]} Los sensores CMOS potencialmente se pueden implementar con menos componentes, consumir menos energía y/o proporcionar una lectura más rápida que los sensores CCD. ^{[ 9 ]} También son menos vulnerables a las descargas de electricidad estática.

Otro diseño, una arquitectura híbrida CCD/CMOS (vendida bajo el nombre " sCMOS "), consiste en circuitos integrados de lectura CMOS (ROIC) unidos mediante protuberancias a un sustrato de imagen CCD; una tecnología que se desarrolló para matrices de observación infrarroja y se ha adaptado a la tecnología de detectores basados ​​en silicio. ^{[ 10 ]} Otro enfoque es utilizar las dimensiones muy finas disponibles en la tecnología CMOS moderna para implementar una estructura similar a la CCD completamente en tecnología CMOS: dichas estructuras se pueden lograr separando las compuertas individuales de polisilicio por un espacio muy pequeño; aunque todavía es un producto de investigación, los sensores híbridos pueden potencialmente aprovechar los beneficios de los generadores de imágenes CCD y CMOS. ^{[ 11 ]}

Existen muchos parámetros que se pueden utilizar para evaluar el rendimiento de un sensor de imagen, como el rango dinámico , la relación señal-ruido y la sensibilidad a la luz baja. En sensores de tipos similares, la relación señal-ruido y el rango dinámico mejoran a medida que aumenta el tamaño . Esto se debe a que, en un tiempo de integración (exposición) determinado, un mayor número de fotones incide sobre el píxel con una superficie mayor.

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 en toda el área del sensor de imagen comienza y termina simultáneamente, o "deslizante", en cuyo caso el intervalo de exposición de cada fila precede inmediatamente a la lectura de esa fila, en un proceso que se "desliza" a través del fotograma de la imagen (normalmente de arriba a abajo en formato horizontal). El obturador electrónico global es menos común, ya que requiere circuitos de "almacenamiento" para mantener la carga desde el final del intervalo de exposición hasta que el proceso de lectura llega a ese punto, normalmente unos pocos milisegundos después. ^{[ 12 ]}

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

• Los sensores de color integrales ^{[ 13 ]} utilizan una matriz de filtros de color fabricada sobre un único sensor de imagen CCD o CMOS monocromático. El patrón de matriz de filtros de color más común, el patrón Bayer , utiliza una disposición de tablero de ajedrez de dos píxeles verdes por cada píxel rojo y azul, aunque se han desarrollado muchos otros patrones de filtros de color, incluidos patrones que utilizan píxeles cian, magenta, amarillo y blanco. ^{[ 14 ]} Los sensores de color integrales se fabricaron inicialmente transfiriendo tintes de color a través de ventanas de fotorresina a una capa receptora de polímero recubierta sobre un sensor CCD monocromático. ^{[ 15 ]} Dado que cada píxel proporciona solo un color (como el verde), los valores de color "faltantes" (como el rojo y el azul) para el píxel se interpolan utilizando píxeles vecinos. ^{[ 16 ]} Este procesamiento también se conoce como demosaico o debayerización.
• El sensor Foveon X3 utiliza una matriz de sensores de píxeles en capas que separan la luz mediante la propiedad de absorción inherente del silicio, dependiente de la longitud de onda, de modo que cada punto detecta los tres canales de color. Este método es similar al funcionamiento de la película fotográfica en color.
• Los sensores 3CCD utilizan tres sensores de imagen independientes, con separación de color mediante un prisma dicroico . Los elementos dicroicos proporcionan una separación de color más nítida, mejorando así la calidad del color. Dado que cada sensor tiene la misma sensibilidad dentro de su banda de paso y a resolución completa, los sensores 3CCD ofrecen una mejor calidad de color y un mejor rendimiento en condiciones de poca luz. Los sensores 3CCD generan una señal 4:4:4 completa , que es la preferida en la transmisión televisiva , la edición de vídeo ylos efectos visuales de croma .

Los sensores especiales se utilizan en diversas aplicaciones, como la creación de imágenes multiespectrales , videolaringoscopios , cámaras gamma , detectores de panel plano y otros conjuntos de sensores para rayos X , conjuntos de microbolómetros en termografía y otros conjuntos de alta sensibilidad para astronomía . ^{[ 18 ]}

Si bien, en general, las cámaras digitales utilizan un sensor plano, Sony desarrolló un prototipo de sensor curvo en 2014 para reducir o eliminar la curvatura de campo de Petzval que se produce con un sensor plano. El uso de un sensor curvo permite un diámetro menor y más corto del objetivo, con menos elementos y componentes, mayor apertura y menor caída de luz en los bordes de la fotografía. ^{[ 19 ]}

Los primeros sensores analógicos para luz visible eran tubos de videocámara . Se remontan a la década de 1930, y se desarrollaron varios tipos hasta la década de 1980. A principios de la década de 1990, fueron reemplazados por modernos sensores de imagen CCD de estado sólido . ^{[ 20 ]}

La base de los modernos sensores de imagen de estado sólido es la tecnología MOS, ^{[ 21 ] [ 22 ]} que se originó a partir de la invención del MOSFET por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. ^{[ 23 ]} Investigaciones posteriores sobre la tecnología MOS llevaron al desarrollo de sensores de imagen semiconductores de estado sólido , incluyendo el dispositivo de carga acoplada (CCD) y más tarde el sensor de píxeles activos ( sensor CMOS ). ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El sensor de píxeles pasivos (PPS) fue el precursor del sensor de píxeles activos (APS). ^{[ 4 ]} Un PPS consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . ^{[ 24 ]} Es un tipo de matriz de fotodiodos , con píxeles que contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . Una matriz de fotodiodos fue propuesta por G. Weckler en 1968. ^{[ 3 ]} Esta fue la base del PPS. ^{[ 4 ]} Estas primeras matrices de fotodiodos eran complejas y poco prácticas, ya que requerían la fabricación de transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en el chip . El ruido de las matrices de fotodiodos también era una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura del fotodiodo resultaba en un mayor nivel de ruido. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco podía utilizarse con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . ^{[ 3 ]}

En junio de 2022, Samsung Electronics anunció la creación de un sensor de imagen de 200 millones de píxeles. El ISOCELL HP3 de 200 MP tiene píxeles de 0,56 micrómetros, mientras que Samsung informó que los sensores anteriores tenían píxeles de 0,64 micrómetros, lo que representa una disminución del 12 % desde 2019. El nuevo sensor contiene 200 millones de píxeles en una lente de 1 x 1,4 pulgadas (25 x 36 mm) . ^{[ 25 ]} 

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• Resumen del rendimiento de los sensores de cámaras digitales por Roger Clark
• Clark, Roger. "¿Importa el tamaño del píxel?" . clarkvision.com .(con cubos gráficos y analogías con el agua de lluvia)