Como funcionam os sensores de imagem CCD (ART1038)

Os sensores de imagem CCD (Charge Coupled Devices) ou sensores de transferência de quadro são usados nas pequenas câmeras de vídeo, sensores de imagens de scanners, e muitos outros dispositivos. Substituindo as antigas câmeras de vídeo que continham tubos sensores do tipo vidicon e plubicon, frágeis, grandes, caros e pesados, estes sensores podem servir para uma infinidade de aplicações domésticas, na indústria e, comércio. Veja neste artigo o que são os sensores de transferência de quadro e como funcionam.

 

Os pequenos sensores de transferência de quadro CCDs nada mais são do que câmeras de vídeo implantadas num pequeno chip. Podem ser construídos para as mais diversas finalidades como, por exemplo, equipar as câmeras de vídeo miniatura para os computadores e mesmo para gravação em cassete, ou até terem formatos alongados para fazer a varredura de imagens em scanners ou outras aplicações.

Diversas são as vantagens apresentadas pelos CCDs em relação aos sensores tradicionais (válvulas) encontrados em câmeras antigas.

Uma delas é o baixo consumo, já que são dispositivos semicondutores muito pequenos.

Outra é o tamanho, visto que podem ser fabricados num chip extremamente pequeno o que facilita sua montagem em microcâmeras e outras aplicações.

Também podemos citar o custo, bastante baixo, que leva à possibilidade de aplicar este dispositivo em coisas que não permitiriam o emprego das câmeras tradicionais, tais como sistemas de segurança, vigilância, babás eletrônicas, no computador e mesmo para controle de processos em indústrias.

Como funcionam estes sensores é o que veremos a partir de agora.

 

O SENSOR DE TRANSFERÊNCIA DE QUADRO

Um CCD ou sensor de transferência de quadro é um dispositivo formado por milhares de pequenos sensores de luz ou fototransistores que são montados numa plaqueta semicondutora ou chip, como ocorre no olho facetado de um inseto, conforme mostra a figura 1.

 

Sensor de transferência de quadro: seu formato se assemelha a uma EPROM.
Sensor de transferência de quadro: seu formato se assemelha a uma EPROM.

 

O olho de um inseto é justamente nosso ponto de partida para comparar o funcionamento deste tipo de dispositivo.

Analisando o olho de uma mosca ou de uma abelha, vemos que ele é formado por milhares de sensores individuais cada qual podendo apenas perceber um ponto da imagem, se ele é claro ou escuro.

Cada sensor envia separadamente uma informação sobre um ponto da imagem para o cérebro do inseto que, fazendo o processamento, consegue ter uma idéia da imagem captada pelo conjunto no seu todo.

Quanto mais pontos de luz forem captados, mais nítida será a imagem.

No caso do dispositivo semicondutor, milhares de sensores são montados numa pequena pastilha de silício e sua quantidade vai determinar a nitidez da imagem.

Para o sensor NXA1010 da Philips, por exemplo, numa pastilha de 7,5 cm de diagonal, temos 347 904 sensores, o que resulta numa imagem com 347 904 pixeis ou pontos.

Evidentemente, os circuitos eletrônicos não funcionam como o cérebro de um inseto, que pode receber os sinais de todos os sensores ao mesmo tempo e continuamente, formando a imagem em tempo real.

Para os dispositivos eletrônicos a coisa é um pouco mais complicada, pois é preciso enviar aos circuitos a informação sobre cada ponto de imagem, de forma sequencial, ou seja, fazer uma varredura da imagem como nos sistemas convencionais de televisores.

Tudo isso leva o projeto do CCD a ser um pouco mais do que um simples amontoado de sensores numa pastilha.Para fazer a varredura "lendo" cada ponto de imagem, o CCD tem uma estrutura bastante complexa.

Para entender esta estrutura vamos partir do funcionamento de uma velha câmera de vídeo tradicional, cuja estrutura é ilustrada na figura 2.

 

Câmera de vídeo usando válvula vidicn.
Câmera de vídeo usando válvula vidicn.

 

Nesta câmera, a imagem é projetada num anteparo ou placa sensível que libera cargas elétricas nos locais ou pontos em que incide luz. A quantidade de cargas liberadas depende da quantidade de luz ou da luminosidade do ponto focalizado.

Um feixe de elétrons varre a placa de tal forma que sua intensidade varia conforme ele capta as cargas liberadas. Desta forma, o sinal que se obtém na saída do circuito variará de intensidade conforme a varredura feita, ou seja, corresponderá exatamente ao sinal de vídeo que conhecemos nos sistemas de TV.

No sensor de transferência de carga temos a estrutura apresentada na figura 3.

 

Estrutura de um sensor CCD.
Estrutura de um sensor CCD.

 

A seção de captação de imagem é formada por uma matriz de elementos sensores que pode ter centenas de milhares de unidades. Para um sensor típico como o NXA1010, da Philips, temos 294 linhas por campo e em cada linha 604 pontos ou colunas.

Estes valores estão de acordo com a norma CCIR, que determina 288 linhas por campo com a transmissão em dois campos resultando em 576 linhas. As 6 linhas que sobram ficam como referência para o nível de negro.

Se levarmos em consideração as dimensões deste sensor, podemos ter uma idéia de quão pequenos são os sensores. De fato, cada ponto de imagem ou elemento do NXA1010 mede apenas 10 x 15,6 µm!

Para se obter uma precisão de fabricação de tais dispositivos, são usadas técnicas MOS do tipo que permite a construção de dispositivos VLSI.

Voltando à matriz vejamos o que acontece no seu funcionamento:

A luz da imagem que é captada pelo sensor libera pares elétron/lacuna conforme sua intensidade. Estes pares vão determinar a informação digital que deve ser lida pelo circuito processador.

Ligado a cada linha de sensores temos um shift-register ou registrador de deslocamento, que tem por função "ler" o nível do sinal em cada sensor.

Durante o tempo de um campo, que depende do modo como a imagem deve ser transmitida, os pacotes de cargas liberados pelos sensores são integrados rapidamente, ficando registrados nos circuitos.

No intervalo em que ocorre o apagamento vertical, que é da ordem de 1,6 ms nos sistemas convencionais de TV mas que pode variar conforme a aplicação do CCD, a informação contida nos pacotes de cargas integrados é transferida rapidamente para a seção de armazenamento do circuito através dos shift-registers.

No período correspondente ao campo seguinte, uma nova imagem é captada pelo sensor liberando novas cargas que também são integradas rapidamente.

Chegando o período de apagamento vertical seguinte, ao mesmo tempo em que a informação correspondente a este campo é levada ao setor de armazenamento, a que já se encontra armazenada é lida e transmitida ao circuito externo, desta vez durante o período de apagamento horizontal.

Em cada campo de apagamento horizontal a informação contida na seção de armazenamento é movida uma linha para baixo, ao mesmo tempo que a que se encontra no nível mais inferior é transferida para o circuito externo.

É interessante observar que cada registrador de leitura armazena apenas 200 pixels para cada linha no circuito tomado como exemplo, o que quer dizer que temos 3 registradores por linha. Este arranjo visa obter algumas vantagens importantes para o dispositivo.

A primeira destas vantagens é a obtenção de uma densidade horizontal de pixels muito maior do que a que seria obtida com um simples registrador de leitura, no qual a largura finita dos eletrodos de disparo limitam o espaçamento horizontal mínimo entre os elementos.

Com três registradores de deslocamento, o espaçamento é efetivamente reduzido em um terço.

A segunda vantagem é que consegue-se uma separação efetiva dos elementos de imagem dentro de cada linha, de modo que, com a simples utilização de filtros em forma de tiras sobre a região de imagem, pode-se usar o dispositivo como sensor de imagem para TV em cores (em alguns sensores, como o NXA1020, estes filtros já fazem parte do dispositivo).

Na figura 4 temos uma vista em corte, com as regiões de imagem, armazenamento e transferência, detalhadas parcialmente de modo a podermos analisar melhor o processo dinâmico de captação e transferência da imagem.

 

Vista em corte com regiões de captação e armazenamento de imagem.
Vista em corte com regiões de captação e armazenamento de imagem.

 

 O primeiro campo é gerado quando as fases f2, f3 e f4 estão nível alto e f1 no nível baixo, veja a figura 5a.

 

Produções dos campos.
Produções dos campos.

 

f1 forma uma barreira de potencial que separa os elementos de imagem do primeiro campo. As cargas geradas pela incidência de luz são integradas abaixo, entre os níveis f2 e f4, centradas em f3. Assim, para cada elemento a imagem se estende verticalmente 3 elementos de porta (f1, f2, f3 e f4 são as fases dos shift-registers CCD).

A distribuição de potencial do segundo campo e, portanto, sua posição relativa ao primeiro, com seu padrão de cargas centralizado em f1 e com f3 formando uma barreira de potencial entre os elementos, proporciona assim uma estrutura perfeitamente entrelaçada para os quadros.

Na figura 6 temos o processo de transferência da informação das regiões sensoras para a região de armazenamento.

 

Transferência e armazenamento da imagem.
Transferência e armazenamento da imagem.

 

No instante em que ocorre a leitura do primeiro campo da região de imagem, f1 está no nível baixo e a carga de cada elemento está concentrada mais abaixo entre f2 e f4. Em t1, f2 vai ao nível baixo e a carga de cada elemento estará concentrada entre f3 e f4.

Em t2, f1 passa ao nível alto e os elementos de informação avançam um eletrodo de porta, passando para baixo de f3 e f4 e ao eletrodo f1 seguinte. Em t3, f3 passa ao nível baixo, comprimindo os elementos de carga para f4 e f1 e em t4, f2 passa ao nível permitindo que os elementos de carga avancem para um novo eletrodo de porta.

Este processo continua tanto na região de imagem como na de armazenamento até que todos os pacotes de carga sejam transferidos para a região de armazenamento.

A região de armazenamento é lida linha por linha, enquanto ocorre a integração na região de imagem. Durante sucessivos períodos de apagamento horizontal, os registros de deslocamento (shif-registers) verticais da região de armazenamento avançam os pacotes de carga de uma linha de tal forma que no final do período de apagamento, a linha seguinte estará pronta para ser transferida aos registros de leitura horizontal através de 3 portas de transferência.

Os registros de leitura estão dotados de uma etapa de saída com uma sensibilidade de 3,5 µV por elétron no sensor tomado como exemplo.

Na figura 7 temos a sequência de impulsos de excitação e a numeração das linhas para a transferência de campo nos sensores NXA1010 e NXA1020, tomados como exemplos.

Para poder mostrar ambos os campos na mesma figura, o segundo campo é colocado por baixo do primeiro com a numeração apropriada de linhas acima.

 

Seqüência de impulsos de excitação para transferência de campo.
Seqüência de impulsos de excitação para transferência de campo.

 

Como esta figura ilustra, o processo de transferência ocupa em torno de 30% do tempo de apagamento vertical quando usado num sistema de TV convencional.

As linhas em CCD utilizadas para os shift-registers são diferenciadas na figura por estarem raiadas e pela letra V acima.

O tempo de leitura do primeiro campo vai desde a linha 23 até a 310, e para o segundo campo da linha 335 até a 623. As linhas 624 até 3, e da 311 até a 314 são extraídas, mas não transmitidas, servindo como nível de referência de negro, e as linhas 312, 624 e 625 são reservadas para a realização de provas no sensor durante o processo de fabricação.

Na figura 8 temos a estrutura de um circuito de controle para a excitação dos sensores de transferência de quadro.

 

Circuito de controle de um CCD.
Circuito de controle de um CCD.

 

Numa aplicação típica com o NXA1010 (Philips) utiliza-se o SAA1043 como gerador de impulsos para as três normas de TV (PAL, SECAM e NTSC) estando incluídos o apagamento vertical, horizontal e a fixação do nível de negro.

Este circuito proporciona ainda outros sinais para o funcionamento de uma câmera de TV, e pode ser disparado externamente para funcionar com um VCR ou computador.

O gerador de impulsos de sincronismo excita um gerador de padrão de impulsos. No exemplo é usado um SAD1007, que proporciona todos os sinais de clock, exceto os impulsos para os shift-registers de leitura horizontal.

Os impulsos rápidos de clock para os três registros de leitura horizontal são gerados por um oscilador de elementos de imagem com sinal retangular que, no caso, é um TDA4302 e que entrega três trens de impulsos na frequência de 3,9 MHz com uma diferença de fase de 120 graus.

Os níveis de saída do gerador de impulsos padrão e do oscilador de elementos de imagem são muito pequenos para excitar os shift-registers. Desta forma, são necessários circuitos adicionais para reforço. Para cada oscilador pode ser usado um TDA4305 e para gerador de impulsos um TDA4301.

Durante o apagamento horizontal, o oscilador de elementos de imagem estará inibido e os impulsos mais fracos obtidos do gerador padrão de impulsos serão aplicados à saída do oscilador de elementos de imagem e, portanto, através do TDA4305 às portas de transferência e aos eletrodos de porta para distribuir os pacotes de cargas entre os três registradores de saída horizontal.

 

CONCLUSÃO

O exemplo dado mostra como funciona um CCD como sensor de imagem para uma câmera de TV. O mesmo princípio de funcionamento de aplica aos sensores usados em scanners, se bem que neste caso o sensor tem apenas uma linha que varre mecanicamente a imagem.


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