Government response to energy gaps and challenges: the ongoing power sector reform

Atualmente, Sensores de imagem CCD podem ser classificados quanto a sua arquitetura em v´arios tipos. Neste texto ser˜ao discutidos trˆes dos mais importantes.

• Frame Transfer (FT) • Full Frame Transfer (FFT) • Interline Transfer (IL)

Todos os tipos citados, com exce¸c˜ao do Full Frame Transfer (FFT) s˜ao largamente utilizados por cˆameras de video de uso geral. A natureza construtiva dos sensores FFT tornam seu uso adequado para aplica¸c˜oes onde medi¸c˜oes quantitativas s˜ao importantes.

3.5.1

Frame Transfer (FT)

Um sensor Frame Transfer ´e composto de duas matrizes de pixels praticamente iguais, o que as difere ´e a fun¸c˜ao de cada, uma ´e voltada para a capta¸c˜ao e convers˜ao de f´otons em el´etrons e a outra para o armazenamento dos el´etrons gerados [10]. Fisicamente, a ´area sens´ıvel ´e idˆentica a ´area de armazenamento, por´em, esta ´ultima ´e coberta com uma camada de material opaco, geralmente metal, que impede a sensibiliza¸c˜ao dos pixels por exposi¸c˜ao de luz.

3.5. CLASSIFICAC¸ ˜AO QUANTO A ARQUITETURA 33

Ap´os a integra¸c˜ao das cargas na ´area sens´ıvel, estas s˜ao transportadas rapidamente para a ´area de armazenamento. Este tempo de transporte ´e fortemente relacionado `as dimens˜oes da matriz, por´em ´e feito tipicamente em tempos menores que 500µs. Quanto menor este tempo de transferˆencia melhor a qualidade da imagem, pois n˜ao haver´a convers˜ao de uma grande quantidade de el´etrons durante o transporte da imagem adquirida. Caso esse tempo n˜ao seja suficientemente pequeno, ou a imagem emita muitos f´otons, podem ser geradas imagens sobrepostas no quadro adquirido.

Figura 3.14: Arquitetura Frame Transfer ´

E poss´ıvel ent˜ao executar a leitura da imagem rec´em-adquirida transferida para a ´

area de armazenamento, a expuls˜ao das cargas ´e feita normalmente atrav´es dos registradores verticais e horizontais e processada pelos circuitos anal´ogicos e digitais da cˆamera. Enquanto ocorre este processo de leitura deste quadro, na ´area sens´ıvel a luz est´a sendo adquirida uma nova imagem que posteriormente passar´a pelo mesmo processo de transferˆencia.

´

E mostrado na Figura 3.14 uma estrutura simplificada de um CCD do tipo frame transfer. a ´area compreendida por 1 ´e a ´area de armazenamento, a ´area 2 ´e exposta a luz e respons´avel pela aquisi¸c˜ao da imagem. As partes indicadas por 3 s˜ao os mecanismos respons´aveis pelo deslocamento das cargas na vertical, a parte superior transfere as cargas da parte sens´ıvel para a ´area de armazenamento e a inferior transporta linha a linha o conte´udo da ´area de armazenamento para a ´area 4, o registrador de deslocamento horizontal. A ´

area 5 ´e onde toda a carga transferida ´e finalmente convertida serialmente para uma tens˜ao equivalente na se¸c˜ao de sa´ıda do sensor CCD.

34 CAP´ITULO 3. SENSOR DE IMAGEM CCD

3.5.2

Full Frame Transfer (FFT)

O sensor com estrutura Full Frame Transfer (FFT) ´e similar ao sensor Frame Transfer (FT), sua principal diferen¸ca ´e a ausˆencia da ´area de armazenamento, esta caracter´ıstica traz algumas implica¸c˜oes importantes quanto a seu uso. Por n˜ao possuir a ´area de armazena- mento, geralmente s˜ao utilizados em conjunto com obturadores mecˆanicos com intuito de controlar a passagem de luz para sua ´area sens´ıvel. Este fato torna este tipo de sensor limitado para aplica¸c˜oes que exijam alta taxa de quadros por segundo, como por exemplo cˆameras de v´ıdeo. Por outro lado por possu´ırem somente a ´area sens´ıvel, estes sensores po- dem ser constru´ıdos em uma mesma ´area utilizando pixels maiores, o que significa uma maior coleta de f´otons e consequentemente uma melhora na rela¸c˜ao Sinal/Ru´ıdo. Este fato torna estes sensores apropriados para aplica¸c˜oes de medi¸c˜ao, geralmente utilizados pela ind´ustria qu´ımica, astronomia e aplica¸c˜oes biom´edicas.

A opera¸c˜ao ´e bastante similar ao sensor com estrutura Frame Transfer (FT). Por´em, por n˜ao dispor da ´area de armazenamento, em muitas aplica¸c˜oes se faz necess´aria a utiliza¸c˜ao de um obturador externo que impede a exposi¸c˜ao do sensor a luz durante o per´ıodo de transferˆencia de cargas. O obturador em algumas aplica¸c˜oes n˜ao ´e necess´ario pela natureza da medi¸c˜ao e do ambiente. Por exemplo, em observa¸c˜oes astronˆomicas, onde o tempo de integra¸c˜ao de cargas ´e muito maior do que o tempo de leitura da matriz inteira, as manchas que poderiam aparecer s˜ao praticamente insignificantes.

Figura 3.15: Arquitetura Full Frame Transfer

Na Figura 3.15 ´e vista uma estrutura simplificada de um CCD do tipo Full frame transfer. A ´area compreendida por 1 ´e a ´area sens´ıvel a luz e respons´avel pela aquisi¸c˜ao da imagem. A parte indicada por 3 ´e o mecanismo respons´avel pelo deslocamento das cargas na vertical, este transporta linha a linha o conte´udo da ´area de armazenamento para a ´area 4, o registrador de deslocamento horizontal. A ´area 2 ´e onde toda a carga transferida ´e finalmente convertida serialmente para uma tens˜ao equivalente na se¸c˜ao de sa´ıda do CCD.

3.5. CLASSIFICAC¸ ˜AO QUANTO A ARQUITETURA 35

3.5.3

Interline Transfer (IT)

O sensor Interline Transfer (IT) utiliza os mesmos princ´ıpios dos sensores citados anteriormente, por´em sua constru¸c˜ao ´e feita sob outra abordagem. Os sensores Interline Transfer s˜ao montados com v´arios sensores lineares postos lado a lado e intercalados com ´

areas de armazenamento. Suas ´areas sens´ıveis a luz s˜ao estrategicamente alocadas de maneira pr´oxima as ´areas de armazenagem. Isto ´e, cada pixel, ´e composto de uma ´area sens´ıvel a luz e uma ´area blindada, e n˜ao de maneira separada como ocorre no sensor Frame Transfer (FT).

´

E f´acil perceber que pelo menos metade do sensor ´e bloqueado da incidˆencia de luz, o que dificulta a capta¸c˜ao de f´otons. Por outro lado, vem-se desenvolvendo micro-lentes que focalizam os f´otons incidentes em pontos sens´ıveis, atenuando esta caracter´ıstica. Uma grande vantagem desse tipo de estrutura ´e a r´apida transferˆencia das cargas das ´areas de absor¸c˜ao de f´otons para as ´areas de armazenamento pela sua proximidade. Pode-se chegar a tempos abaixo de 1µs.

Figura 3.16: Arquitetura Interline

Temos na Figura 3.16 uma estrutura simplificada de um CCD do tipo Interline Trans- fer. a ´area compreendida por 1 ´e a ´area sens´ıvel a luz, respons´avel pela aquisi¸c˜ao da imagem, geralmente formada de capacitores MOS ou Foto-diodos. A parte indicada por 2 ´e denom- inada transfer gate e ´e o mecanismo respons´avel pelo deslocamento das cargas das c´elulas sens´ıveis para as ´areas de armazenamento, ilustradas por 3, que s˜ao registradores verticais que levam as cargas para o setor mostrado em 4, o registrador de deslocamento horizontal. A ´

area 5 ´e onde toda a carga transferida ´e finalmente convertida serialmente para uma tens˜ao equivalente na se¸c˜ao de sa´ıda do sensor CCD.

36 CAP´ITULO 3. SENSOR DE IMAGEM CCD