cap tad ores digitales de imagen

8/3/2019 Cap Tad Ores Digitales de Imagen

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Desarrollo de los temas

TEMA

5 Captadores digitales de imagen.Caractersticas, partes y elementostecnolgicos. CCDs y CTRs.Controles y funciones. Sistemas,tipos y formatos. Accesorios decaptacin. Aplicaciones dehardware y software.

PROCESOS Y MEDIOS DE COMUNICACIN

elaborado porEL EQUIPO DE PROFESORESDEL CENTRO DOCUMENTACIN


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5.2 CE DE PROCESOS Y MEDIOS DE COMUNICACIN

CENTRO DOCUMENTACIN DE ESTUDIOS Y OPOSICIONESC/ CARTAGENA, 129 91 564 42 94 28002 MADRID ht tp: / /www.cede. es

GUIN - NDICE

1. CAPTADORES DIGITALES DE IMAGEN

2. CARACTERSTICAS, PARTES Y ELEMENTOS TECNOLGICOS

2.1. Caractersticas2.1.1. Dispositivo de estado slido

2.1.2. Apertura rectangular2.1.3. Transferencia de modulacin2.1.4. Resolucin dinmica2.1.5. Prdida de sensibilidad2.1.6. Limitaciones de los CCD

2.2. Partes. Estructura

3. CCDs Y CTRs

3.1. CTR3.2. CCD3.2.1. Sensores de imagen CCD3.2.2. Sensores de imagen CMOS3.2.3. Comparacin CCD/CMOS

4. CONTROLES Y FUNCIONES

5. SISTEMAS, TIPOS Y FORMATOS

5.1. CCD de transferencia de cuadro (FT Frame Transfer)5.2. CCD de transferencia interlnea (FI Frame Interline)5.3. CCD de transferencia de cuadro-interlnea (FIT Frame-Interline

Transfer)5.4. CCD Had5.5. CCD HyperHAD5.6. Super CCD


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PROCESOS Y MEDIOS DE COMUNICACIN CE DE 5.3


6. ACCESORIOS DE CAPTACIN

6.1. Conversin fotoelctrica6.2. Almacenaje de carga. Comportamiento de un condensador MOS6.3. Lectura

6.3.1. Impulso de transferencia al registro vertical6.3.2. Seal triestado de fase cudruple6.3.3. Impulso de transferencia horizontal y salida

7. APLICACIONES DE HARDWARE Y SOFTWARE


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BIBLIOGRAFA

HARTWIG, R. Tecnologa bsica para televisin . IORTV. Madrid, 1991.

PINO, J. Resolucin en la cmara CCD. IORTV. Madrid, 1983.

ORINGEL, R. Manual de operaciones de Televisin. IORTV. Madrid, 1989.

PAREJA, E. Sensores y cmaras CCD. IORTV. Madrid, 1991.

MARTN MARCOS, A. Sistemas de televisin . Editorial Ciencia 3. Madrid, 1996.

BETHENCOURT, T. Sistemas de televisin clsicos y avanzados . IORTV. Centro de For-macin de RTVE, 1991.

ORTIZ BERENGUER Televisin digital: MPEG-2 y DVB. EUITT. Universidad Politcnica deMadrid, 1999.

BENOIT, H. Televisin Digital. Paraninfo, 1998.

PERALES, T. Televisin Actual. Paraninfo. Madrid, 2001.

GARCA JIMNEZ, J. Sistemas analgicos de televisin: transmisores y receptores .ETSIT. Universidad Politcnica de Madrid, 1998.

GUTIRREZ, D. Manual de Prcticas del Laboratorio de Televisin. ETSIT. Univer-sidad Politcnica de Madrid.

NARANJO, V. Sistemas de televisin . Servicio Publicaciones Universidad Politcni-ca de Valencia, 1998.

Introduccin al CCD sensor de imagen. Departamento de Forma-cin Sony. Barcelona, 1990. Mundo Electrnico n 140. Broadcast Engineering n 5. Vdeo Popular n 35.


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COMENTARIO BIBLIOGRFICO

Resolucin en la cmara CCD y sensores y cmaras CCD, son dosunidades didcticas del IORTV, bastantes completas sobre el tema del CCD. La primera deellas es algo ms antigua, y existen trminos que en la actualidad no se utilizan.

La Unidad didctica de Sony y el artculo publicado en Mundo Electr-nico, son unidades muy bien desarrolladas con cantidad de ejemplos y grficos que ayudan ala comprensin del tema, lo mismo sucede con el artculo de Vdeo Popular.

Los libros de Hartwig y Oringel, ayudan a completar conceptos genera-

les que se pueden haber quedado cortos.


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1. CAPTADORES DIGITALES DE IMAGEN

Los tubos de cmara, como captadores de la imagen, presentaban proble-mas a la hora de la conversin de la luz en seal de vdeo. Eran tubos basados en el efectotermoinico (filamento, ctodo y rejas para generar un haz electrnico de barrido de la luz de laescena que entra a travs del objetivo) tales como los denominadosVidicon, Saticon, Trinicon y otros, los cuales se diferencian entre s en la sensibilidad y espectro luminoso, en la resolu-cin de imagen y en la remanencia que presentan.

La tecnologa de los tubos de cmara es relativamente antigua. Sus prime-ros diseos datan de 1930. Adems, son muy grandes y caros.

La electrnica que rodea a los tubos de cmara, bobinas de deflexin para

dirigir el haz electrnico, control del propio haz, etc. tambin es muy grande, pesada y cara. Enconclusin, que la tecnologa de tubos de cmara fue rpidamente abandonada con la apari-cin de los dispositivos de estado slido CCD (Charge Coupled Devices).

Esto en cuanto, a los problemas electrnicos que podan generar los tubosde cmara, pero tambin generaban problemas pticos. Ciertos tubos de cmara generabanimgenes con problemas que se aprecian virtualmente. El brillo de los objetos puede daar,quemar, el mosaico (target) del tubo. En determinadas situaciones, por ejemplo, imgenes deuna carrera automovilstica nocturna o el disparo de un flash, los tubos generan arrastres, de-nominados colas de cometas que siguen el movimiento de la cmara. Este tipo de problemas


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son intrnsecos a la tecnologa utilizada en los tubos de cmara que pueden ser mejorados,pero no eliminados en su totalidad.

Los dispositivos de acoplamiento de carga (CCD) solucionan la mayora delos problemas de la tecnologa de los tubos de cmara. Los CCD tienen la misma tecnologaque los circuitos integrados de estado slido (chips) de los ordenadores; son rpidos, peque-os, consumen poca potencia y son baratos. Es la tecnologa que consigue potentes recepto-res de radio en pequeos volmenes, y tambin los TBCs y equipos de efectos digitales.

Los CCDs son circuitos integrados formados por elementos fotosensibles,colocados en filas y columnas. Cada uno de stos elementos constituye un elementos de ima-

gen denominado pxel. Cuando la luz incide sobre estos pxeles se crean distintas densidadesde carga elctrica, que depende del brillo de la luz en cada elemento. A mayor brillo mayordensidad de carga. Cada una de las filas de pxeles del CCD constituyen una lnea de vdeo.Estas cargas elctricas puntuales se introducen en un sistema de memoria y pueden ser le-das, lnea a lnea, en sincronismo con el resto del sistema. Una vez que el CCD manda suscargas a la memoria, se puede formar una nueva imagen y repetir el proceso cuadro a cuadro.

Un dispositivo de acoplamiento de carga, CCD, para ser utilizado en TV

profesional necesita unas 250.000 pxeles como mnimo. A mayor nmero de pxeles mayor


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detalle y resolucin. La integracin de tantos pxeles en un rea menor que el de una ua de undedo ha constituido, a lo largo de los ltimos aos, un gran problema, resuelto finalmente por laingeniera electrnica.

La fabricacin de CCDs de alta densidad de integracin en pxeles, en can-tidades que abaraten los costos de produccin, constituye un gran problema. Slo un pequeoporcentaje de los CCDs fabricados cumplen las necesidades de la TV profesional, por esta ra-zn el coste por circuito es alto. La solucin a este problema consiste en desviar los CCDs queno cumplen las especificaciones a los mercados domstico e industrial con cmaras ms bara-tas, de forma que se analizan las caractersticas de todos los circuitos fabricados y cada uno seutiliza en un mercado acorde con ellas, este sistema abarata el precio por circuito del tipo CCD.

Hasta hace relativamente poco se fabricaban pocos circuitos con las especificaciones de cali-dad necesarias.

Los dispositivos de transferencia de carga CCD constituyen, por tanto, unanueva familia de componentes semiconductores aparecidos a principios de los aos 70, frutode los trabajos llevados a cabo de forma independiente por investigadores de Philips y de BellLaboratories.

Basados en los principios de las capacidades MOS, estos dispositivos pre-

sentan la particularidad de poder almacenar y desplazar en su interior cargas elctricas en for-ma de paquetes, constituyendo as, verdaderos registros de desplazamiento analgicos. Laposibilidad de almacenar y desplazar informaciones analgicas muestreadas sin necesidad derecurrir a fases intermedias de digitalizacin, abri nuevos horizontes, en el tratamiento de se-al.

Por otra parte, dadas las propiedades fotoconductoras del silicio, las sea-les que se propagan en estos CCD pueden ser de origen luminoso con lo que se descubri otrocampo de aplicacin: la captacin de imgenes.

El proceso de digitalizacin de la imagen consiste en traducir la intensidadlumnica de la escena real en impulsos binarios. Este proceso se lleva a cabo a la salida delcaptador digital de imagen, donde el circuito conectado a ste realiza lafuncin de muestreo ,tomando una serie de muestras mediante un mtodo determinado de comprensin. Las mues-tras obtenidas pueden tener o no informacin. Si la muestra contiene informacin, genera unimpulso y se le adjudica un valor basado en elcdigo binario(combinacin de 0 y 1); si no tieneinformacin, se le adjudica valor [0]. Cada valor numrico se denominabit y cada muestra seencuentra identificada por un grupo de ocho bits opalabra, dentro de la cual la posicin de ca-da bit se corresponde con un valor especfico ya preestablecido.


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2. CARACTERSTICAS, PARTES Y ELEMENTOS TECNO-LGICOS

2.1. CARACTERSTICAS

2.1.1. Dispositivo de estado slido

Es un chip que presenta una ventana fotosensible sobre la que incide la luz de la ima-gen a captar; el proceso de barrido est basado en la exploracin de la imagen mediante im-pulsos secuenciales generados en un circuito temporizador externo. La primera versin de estetipo de captadores de imagen fueron lasClulas MOS(Semiconductores de Oxido de Metal):

cada pxel estaba formado por un fotodiodo que genera cargas de valor proporcional a la luzincidente y las almacena, y un transistor MOS a modo de conmutador, que transfiere la cargaalmacenada a los registros correspondientes y de aqu, a la salida de vdeo.

Posteriormente, surge elDispositivo CCD, al que se puede considerar como unasuperficie fotosensible compuesta por un elevado nmero de fotodiodos en formacin matricialsituada sobre una base, en la que las cargas elctricas originadas por el impacto luminoso sonalmacenadas primero y desplazadas despus para ser convertidas en tensin y obtener la se-al vdeo. Estos dispositivos constan de tres capas:

1 capa: Polisilicio. Capa conductiva.2 capa: Dixido de Silicio. Capa aislante.3 capa: Silicio. Capa acumuladora.

En los CCD se llevan a cabo las siguientes funciones:

Registro de imagen, donde se realiza la conversin fotoelctrica. Registro temporal, donde se almacena momentneamente la carga de electrones. El drenaje, donde se efecta la salida de la carga (transferencia).

Cada electrodo de registro de imagen (conversin fotoelctrica) se encuentra unido auno de registro temporal (o de almacenamiento), entre los cuales se produce un contacto alter-nativo a travs de una capa aislante de aluminio. Hay que destacar que los elementos senso-res slo ocupan el 32% de la superficie total del CCD, por lo que el 68% de la luz incidente sepierde, a la vez se producen reflexiones que incrementan la borrosidad vertical. Los pxelesefectivos (los que realizan el anlisis real de la imagen) no son todos los estn.


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Las cmaras actuales utilizan bsicamente tres tamaos de sensores CCD:

8,5 mm (1/4 de pulgada). 2,7 mm (1/2 de pulgada). 17 mm (2/3 de pulgada).

Hemos de tener en cuenta que la informacin obtenida del CCD es una seal analgi-ca, y la conversin a digital se realiza en otro chip denominado ADC (convertidor analgicodigital). Este circuito es el que se encarga de muestrear y cuantificar la seal para convertirlaen ceros y unos.


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Las caractersticas generales de los captadores digitales de imagen son:

La necesidad de una elevada velocidad de muestreo. Circuitos con un funcionamiento muy rpido. Gran cantidad de energa para digitalizar la seal. Incluyen una memoria interna (mantenida por bateras) que ejecuta automticamente

los procesos de ajuste de la cmara. Estos ajustes pueden ser programados o envia-dos desde la CCU a la cmara. Los ajustes se mantienen cuando se desconecta lacmara y son recordados al ser encendida gracias a las bateras internas. Con la memoria programada, la cmara es capaz de chequearse automticamente,detectando cualquier variacin y corrigindola.

Actualmente, las cmaras de estudio digitales digitalizan la informacin y la envan mul-tiplexada a travs de un cabletriaxialque permite cubrir una distancia elevada sin que se apre-cie ninguna prdida de calidad de la seal. Cuando intervienen varias cmaras en un progra-ma, se pueden programar de forma idntica; para ello, basta designar una de ellas como mas-


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ter y los datos que se le introduzcan digitalmente determinarn los ajustes de las restantescmaras.

2.1.2. Apertura rectangular

Los sensores CCD trabajan de una forma muy diferente a los tubos de cmara. En lostubos de cmara, la lectura se hace de forma continua, a travs de una apertura circular, quees muy fina y perfecta en los tubos Plumbicn y algo deforme y grande en los Vidicn.

Tubo de imagen Plumbicn

Tubo de imagen Vidicn

La superficie sensible de un CCD est formada por una matriz de clulas estticas desuperficie finita (pxel). Cada clula queda baada por la luz enfocada por el objetivo. Como


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son elementos fotoelctricos los fotones de la luz dan origen a la formacin de cargas elctri-cas (electrones).

Superficie fotosensible de un CCD

Estos electrones son transferidos, por medio de una seal de reloj, a la salida, en don-de se obtiene la seal de vdeo. Cada clula sensible elemental tiene forma de minsculo rec-

tngulo y en consecuencia, la lectura de la zona sensible se realiza de una forma discontinua atravs de una apertura rectangular.

Los dos tipos de apertura (circular o rectangular) dan origen a curvas de transferenciade modulacin algo distintas y ello motiva, que existen ciertos matices diferentes cuando segraba la misma secuencia con cmaras de tubos o de CCD. En las cmaras de tubos se reali-za una lectura continua a travs de una apertura circular. En las cmaras con sensores CCD serealiza una lectura discontinua a travs de una apertura rectangular.

2.1.3. Transferencia de modulacin

Para evaluar la resolucin esttica de una forma objetiva se recurre a las curvas detransferencia de modulacin. Estas curvas se obtienen por medio de una carta de ajuste patrny un monitor de forma de onda, a travs del cual se puede medir el nivel de diferentes resolu-ciones. Para ello, la cmara toma la imagen de una carta de resolucin y mide los valores deamplitud de las siguientes resoluciones.


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Estos valores se expresan como porcentajes de amplitudes con relacin al valor de 0,5MHz (norma CCIR), que equivale a una resolucin de 40 lneas de TV. [En CCIT (625:50) setiene la relacin de equivalencia de 80 lneas de TV por cada 1 MHz.

En el dibujo anterior se muestran dos curvas tpicas, mientras que la de CCD tiene for-ma senoidal, la de tubo tiene una forma ms gausiana. Puede apreciarse que a 400 lneas deTV (5 MHz) el porcentaje de transferencia de modulacin es del 40% en ambos elementos, sibien la pendiente del tubo es mucho menos pronunciada.

No existe una relacin directa entre la curva de transferencia de modulacin, que serauna observacin objetiva, con una apreciacin real, que sera la observacin subjetiva.

2.1.4. Resolucin dinmica

La resolucin dinmica dictamina la capacidad de conservar los detalles cuando laimagen est en movimiento. Una buena resolucin dinmica es muy importante en imgenescongeladas o en cmara lenta. Esta posibilidad resulta interesante para analizar movimientosrpidos: deportes, nutica, aviacin, psicomotricidad, zoologa, medicina y en general, en todosaquellos casos en donde se requiera una visualizacin a cmara lenta con la mxima calidad.

Bsicamente, la resolucin dinmica queda afectada por dos factores primordiales:cambios en la exposicin y arrastres de imagen. Si durante la exposicin se producen cambiosen la escena, las imgenes quedarn borrosas (esto tambin ocurre cuando se toman fotogra-fas de sujetos muy rpidos con una velocidad de obturacin reducida). Si el sensor de imagenretiene parte de la informacin durante el intervalo de borrado, se producirn arrastres que in-fluirn en las imgenes sucesivas.


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Para obtener una resolucin dinmica elevada es necesario incrementar la velocidadde obturacin de la cmara. Esta posibilidad requiere en las cmaras de tubos utilizar un discomecnico giratorio acoplado al sistema ptico. En las cmaras con sensores CCD no se requie-re utilizar un sistema mecnico; pues, con un simple sistema electrnico se puede modificar lavelocidad de obturacin. Un CCD contiene bsicamente, dos zonas de trabajo: la zona de ima-gen y la zona de memoria. La zona de imagen es sensible a la luz, mientras que la zona dememoria almacena una rplica exacta de la zona de imagen y la transfiere a la salida en unmomento determinado.

Por tanto, se puede controlar de una forma muy fcil la velocidad de obturacin de lazona de imagen y en consecuencia, se puede mejorar la resolucin dinmica. Una forma prc-

tica de determinar la resolucin dinmica de las cmaras CCD, consiste en desplazar, a veloci-dad constante, frente a la cmara una carta que contenga anchos de imagen (barras blancas ynegras calibradas) y se mide a travs de un monitor forma de onda, los diferentes niveles deresolucin, y as se puede obtener la curva de transferencia de modulacin.

En el dibujo anterior se muestran los valores de resolucin dinmica a cinco velocida-des distintas de obturacin. Se aprecia que cuando se pasa de 1/1000 a 1/2000 de segundo larespuesta es la misma.

2.1.5. Prdida de sensibilidad

En fotografa, cuando se aumenta la velocidad de disparo de la cmara es necesarioincrementar la apertura para garantizar una toma correcta. Con las cmaras CCD tambin ocu-rre algo parecido; ya que un aumento de velocidad de obturacin conlleva a una disminucin

del tiempo de exposicin y por tanto, ser necesaria una apertura mayor para mantener elmismo nivel de la seal.


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Es decir, que el aumento de la velocidad de obturacin motiva una prdida de sensibili-dad; que se compensa abriendo el diafragma (prdida de la profundidad de campo) o iluminan-

do con mayor intensidad lumnica la escena. En el primer grfico se muestra la relacin exis-tente entre el nivel de iluminacin (sensibilidad) y la velocidad de obturacin. La curva es lineal,es decir, que cada vez que se duplica la velocidad de obturacin es necesario doblar la canti-dad de luz, lo que a veces, resulta imposible. En el segundo grfico se muestra la relacin en-tre claridad de imgenes y velocidad de obturacin. La curva sigue una ley exponencial, es de-cir, que un aumento notable de la velocidad de obturacin no significa necesariamente una mejora sustancial de la imagen.

2.1.6. Limitaciones de los CCD

A) Ineficacia de la transferencia. Durante la transferencia puede ocurrir que cierto n-mero de carga quede sin transferir; ello puede ser debido fundamentalmente a trescausas:

A la existencia de defectos cristalogrficos o impurezas qumicas en el interfacexido/silicio que operan como trampas reteniendo dichas cargas.

A una conmutacin demasiado rpida de las fases de control, impidiendo que latransferencia se realice en su totalidad.

A la estructura del propio CCD. Tecnolgicamente existen dos posibles estructu-ras:

a) CCD de canal enterrado (BCCD), en los que la transferencia se realizaen el interior del semiconductor. Considerando que en el interior del semi-conductor la influencia de las trampas superficiales es mnima, y la movili-

dad de los portadores mxima, las transferencias son de menor duracin.


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b) CCD de canal superficial (SCCD) En los que la transferencia se realizacerca de la superficie, donde la influencia de las trampas es mayor, la movi-lidad menor y produce transferencias de mayor duracin.

B) La capacidad de almacenamiento de cargas de un CCD y la cantidad de cargas quepueden ser transferidas dependen de muchos factores. Existen CCD controlados pordos, tres y hasta cuatro fases de control. Los dispositivos controlados por dos fasespermiten una mayor densidad de integracin y una transferencia de cargas ms rpida,pero su capacidad de almacenamiento es menor y mayor su complejidad tecnolgica.Por otra parte los BCCD permiten una transferencia de cargas ms eficaz y ms rpiday con menores niveles de ruido, mientras que los SCCD almacenan mayor cantidad de

cargas y son menos sensibles a la generacin trmica.C) El ruido que se observa en los CCD es muy bajo, y puede proceder de tres fuentes:

El tipo de inyeccin de seal elegido. Las fluctuaciones propias del sistema de cargas. La circuitera de lectura de dichas cargas.

En un SCCD el ruido asociado a la inyeccin y a la lectura es inferior al de la propia

transferencia, y en un BCCD ocurre lo contrario.

A) La no linealidad que pueden presentar los CCD es debida principalmente a las va-riaciones de capacidad que pueden existir entre las distintas etapas del mismo. El efec-to combinado del ruido y la no linealidad limita el margen dinmico de los CCD a 60/70dB.

B) Seal de oscuridad: si usamos la cmara en una escena totalmente oscura, se su-pone que el nivel de la seal dado por la cmara debe ser muy bajo. Este nivel ser eldel nivel de ruido que de la cmara. Pero en los CCD el nivel de ruido depende de latemperatura, como en cualquier dispositivo electrnico. De manera que cuando aumen-ta la temperatura aumenta el ruido, es decir la seal de oscuridad. Las cmaras profe-sionales disponen de un dispositivo de efecto Peltier acoplado al CCD que evacua elcalor al exterior, evitando de este modo el calentamiento y la subida del nivel de oscuri-dad.

C) Traza vertical (smear): si se enfoca a un punto brillante de luz se origina un desbor-damiento de la cmara en sentido vertical, que origina una traza borrosa vertical en laimagen. El problema se solventa, slo en parte, intercalando un filtro de infrarrojos.


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2.2. PARTES. ESTRUCTURA

Para fabricar un CCD se parte de una porcin de Silicio muy puro al cual, durante elproceso de cristalizacin se introducen impurezas formando unas bandas segn la figura.

A esto se le llama DOPAR el cristal. Las impurezas alteran la estructura del cristal y suspropiedades elctricas creando un semiconductor tipo P. Este tiene la propiedad de generar uncampo electrosttico permanente de valor negativo, es decir que repele electrones. Las bandasactan como un aislante para los electrones impidiendo que estos puedan cruzarlas. Estasbandas se denominan Canales de Paro.

Sobre esta estructura se coloca una capa de Oxido de Silicio. El Oxido de Silicio es unmaterial transparente pero elctricamente aislante. Es decir permite el paso de fotones peroimpide el de electrones.


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A continuacin se coloca una fina trama de conductores en sentido horizontal denomi-nados electrodos . Los electrodos estn agrupados formando tros. La regin que abarca untro de electrodos y situada entre dos canales de paro se conoce con el nombre depixel.


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Todo el conjunto funciona como una trampa electrosttica. El sensor CCD as formadose expone a la luz en el foco del objetivo. Previamente se aplica un potencial positivo a loselectrodos centrales de cada pxel. De esta forma los electrones a medida que se liberan seven atrados por el electrodo mas cercano a su lugar de origen. No pueden alcanzar dicho elec-trodo porque se lo impide la capa aislante de Oxido de Silicio. Tampoco pueden recorrer longi-tudinalmente al electrodo porque se interponen los canales de paro. En estas condiciones loselectrones se van acumulando en la proximidad del electrodo formando un paquete o carga deelectrones. El nmero de electrones que integra el paquete es proporcional a la cantidad de luzrecibida en la regin el pxel.


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Esta operacin de exponer el sensor y atrapar los electrones formando paquetes o car-gas se denomina tiempo de integracin. El resultado es una imagen latente, pero constituidapor un mosaico de cargas de electrones de distintos tamaos. Para que la imagen tenga unaresolucin suficiente es necesario que exista un gran nmero de estos paquetes, es decir, unoscuantos miles de pxeles.


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Partes de un CCD


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3. CCDs Y CTRs

3.1. CTR

El tubo de imagen de un televisor denominado tubo de rayos catdicos, es una ampollade vidrio al vaco. La parte frontal interna del tubo est recubierta de una sustancia fosforescen-te, que produce brillo cuando incide sobre ella un haz de electrones. Este brillo es proporcionala la potencia del haz electrnico incidente. En la parte posterior del CTR se encuentra el cande electrones que produce el haz, est constituido por un ctodo que genera electrones deforma trmica y que depende de la seal de vdeo aplicada, de forma que a mayor seal devdeo mayor haz electrnico y mayor brillo. La direccin del haz est controlada por el yugo de

deflexin que consiste en una serie de bobinas electromagnticas que rodean el cuello del tu-bo.

La relacin que existe entre los tubos de imagen y los de cmara es complementaria.El tubo de cmara convierte las imgenes en forma de luz en la seal de vdeo analgica, se-al que puede ser medida por un monitor forma de onda. El tubo de imagen convierte la sealde vdeo a un patrn de brillos que duplica la imagen luminosa.

Los movimientos del haz de electrones en cada tubo estn totalmente relacionados en-

tre s, y mientras el haz en el tubo de cmara recorre el target de abajo hacia arriba y de dere-cha a izquierda, debido a la inversin de imagen que producen las lentes, el haz de electronesdel tubo de imagen lo hace de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, para contrarrestaresta inversin, de forma que la imagen aparezca correctamente reproducida en el receptor.

El CTR(Tubo de Rayos Catdicos) se encuentra situado en el cuerpo de cmara. Ac-tualmente su uso queda limitado a algunas cmaras de estudio y de alta definicin. En estecaso, se precisa un tubo para la captacin de cada uno de los colores primarios.

Se encuentra compuesto por los siguientes elementos:

A)Target: es el elemento semiconductor que procede a convertir la seal luminosa enenerga elctrica. Consta de:

Placa de seal: consiste en una lmina transparente de dixido de estao don-de incide la luz cargndola positivamente.

Mosaico: est compuesto, al menos, por 400.000 elementos (pxels) distribui-dos en grupos de tres. En el caso de tratarse de un sistema de captacin monotu-


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bo (que slo emplease un tubo para captar la seal luminosa), cada pxel serasensible a un color primario. Cada uno de los pxeles es analizado mediante el ba-rrido de un can de electrones generado en el tubo de imagen; su lectura se pro-duce en el mismo tiempo que 625 lneas.

B)Tubo de imagen: Consiste en un tubo de vidrio envolvente al vaco en cuyo interiorun ctodo emite electrones al ser calentado por unfilamento. Frente al ctodo se en-cuentra la reja de controlque se encarga de concentrar los electrones en un haz. La reja aceleradoralos atrae y les aporta la energa suficiente como para alcanzar el target.La reja de enfoque, junto con las bobinas de enfoque, permiten la concentracin delhaz. La reja deceleradorafrena los electrones para que lleguen con velocidad nula al

target, evitando as que stos reboten contra la superficie. Las bobinas de alineamiento obligan al haz de electrones a seguir la direccin del eje del tubo y a incidir perpendicu-larmente sobre el target. Por ltimo, las bobinas deflectorasgobiernan el haz, mediantela diferencia de carga, para ste realice la lectura del target por el sistema de explora-cin de barrido entrelazado.


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En el can electrnico se forma un haz de electrones. La entrada al can electrnicoes el caudal de electrones provenientes del ctodo.

Haz de electrones en un tubo de rayos catdicos

Despus de todo este proceso, la seal vdeo sale gracias a su canalizacin a travsde un cable.

Respecto a los CTRs, hay que tener en cuenta que:

Tienen una sensibilidad muy alta (2870 K). El material fotosensible se va agotando con el tiempo. Se puede producir el arrastre del haz por la permanencia de cargas positivas sin neu-

tralizar en el target; pueden producir lo que se denomina cola de cometa (como unarrastre de la imagen).

Son capaces de compensar las distorsiones geomtricas de las lentes gracias a laposibilidad de ajustar su posicin respecto a ellas (ajuste de convergencia). Gran consumo de energa.

Los sistemas de TV fueron desarrollados hace 50 aos, con las limitaciones tecnolgi-cas de aquellos tiempos. Una de estas limitaciones fue el revestimiento de fsforo de los tubosde imagen. Cuando el haz de electrones incide sobre el fsforo ste produce brillo, tan prontocomo el haz electrnico abandonaba el fsforo, para excitar el siguiente punto, este brillo em-pezaba a debilitarse. Si el tubo de imagen fuese barrido desde la lnea 1 a la 625 (525 en laNTSC) sucesivamente, cuando el haz electrnico estuviera barriendo las ltimas lneas, la par-te superior de la imagen tendra el brillo totalmente debilitado, oscureciendo esa zona de laimagen. Para evitar esta problemtica el haz de electrones explora un campo de 312,5 lneas y


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vuelve a la parte superior de la imagen en el momento en que las lneas superiores comenza-ban a perder su brillo, el haz electrnico al barrer el siguiente campo hace brillar las zonas en-tre dos lneas que estaban perdiendo su brillo.

El resultado de esta operacin son imgenes con los brillos equilibrados, evitando quela imagen se vea con franjas oscuras y claras. Actualmente es posible disear sistemas conbarrido progresivo de la lnea 1 a la 625. Empleando este tipo de barrido desapareceran unaserie de problemas tcnicos generados por la exploracin entrelazada. Pero estos barridos sonincompatibles entre s y los receptores de TV no estn preparados para visualizar imgenescon barrido progresivo. Esta es la razn del empleo actual del barrido entrelazado.

3.2. CCDUna vez solucionados los problemas tecnolgicos de alta densidad de integracin y los

de fabricacin, los CCD presentan una serie de ventajas con respecto a los tubos de cmara.Como se mencion anteriormente no son ms grandes que una ua, pero adems no tienenhaz electrnico (por tanto no necesitan bobinas de deflexin para dirigirlo), ni los circuitos decontrol que conllevan. El sistema de exploracin de las cmaras CCD es ms pequeo y me-nos pesado que el de las tradiciones cmaras de tubos, pudindose encontrar cmaras profe-sionales no ms grandes que una caja de zapatos y con un peso de tres kilogramos.

Los circuitos integrados, CCD, son mucho ms baratos que los tubos de cmara. Lascmaras profesionales, utilizando los nuevos sensores, son ms pequeas, ligeras y ms bara-tas. Por otra parte los CCD son ms duraderos que los tubos de cmara, mientras la vida me-dia de un tubo de cmara se puede cifrar en unas 5000 horas, un sensor de estado slido pue-de durar el doble de tiempo. La tecnologa de cmaras CCD reduce tanto los gastos de fabrica-cin como los de mantenimiento. Adems, los sensores de estado slido, minimizan por supropia tecnologa los problemas tradicionales de los tubos de cmara, zonas quemadas yarrastres.

En la actualidad existen dos tecnologas que conviven en perfecta armona, los CCD yCMOS.

Como hemos indicado anteriormente los sensores pueden estar basados en dos tiposde tecnologas, CCD (Charged Couple Device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor). Tanto los sensores de imagen CCD como CMOS capturan la luz sobre una peque-a rejilla de pxeles en sus superficies. Es cmo estos procesan la imagen y cmo se fabricandonde difieren entre s. Los sensores CCD tienen mayor sensibilidad a la luz, ms calidad ytambin precio ms alto, en tanto que los de tipo CMOS son menos sensibles y de menor cali-


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dad, pero al ser fciles de fabricar son ms baratos. Tradicionalmente se utilizaron los CCDpara las cmaras profesionales y semiprofesionales y los CMOS para las cmaras de aficiona-dos y las Web-cam. Pero ya la marca Canon ha incorporado en sus cmaras profesionales lossensores CMOS y su rendimiento es alto. Seguramente algunos fabricantes incorporarn a susprximos modelos la tecnologa CMOS, en tanto que otros continan mejorando las prestacio-nes del CCD.

Canon EOS D60, basada en la tecnologa CMOS

3.2.1. Sensores de imagen CCD

LosCCD(Dispositivo de Acoplamiento de Carga) surgen a partir de 1970. Consisten enelementos slidos construidos con una configuracin parecida a la de los circuitos integrados.El sensor CCD contiene un mosaico de elementos sensibles a la luz (alineados vertical y hori-zontalmente), que captan la luminosidad de la escena real a travs de una ventana fotosensiblesobre la que incide la luz, efectundose internamente un proceso de barrido de imagen paraconseguir su conversin en seal vdeo. Se trata de condensadores de silicio pequeos y com-pactos ante los cuales se coloca un filtro de infrarrojos para evitar que afecten al sensor y asevitar que capten imgenes no aceptadas como tales por el ojo humano.

El procesado de la imagen, desde su captacin hasta su salida como seal vdeo, serealiza mediante las siguientes fases:

Conversin fotoelctrica: Un potencial de luz incide sobre la cubierta de aluminio y

hace que la primera capa libere en el interior una cantidad de electrones proporcional ala intensidad luminosa.


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Almacenaje de carga: Cuando los electrones liberados han igualado la intensidadluminosa, son almacenados en la segunda capa.

Operacin de transferencia: La carga de electrones es transferida hacia el interiorpara realizar su lectura. La puerta de transferencia se abre en el tiempo correspon-diente al retorno del haz de lectura de electrones. Mientras dura esta transferencia deelectrones, no puede haber nuevas aportaciones de cargas elctricas porque se mez-claran entre s produciendo alteraciones en la imagen.

Estas tres fases son gobernadas por un reloj de sincronismo que garantiza un total con-trol en cada uno de los procesos.

Se sitan unidos de forma solidaria al bloque dicroico para obtener los tres colores pri-marios. En algunas cmaras de Estudio pueden encontrarse 4 CCDs porque se duplica el ca-nal de verde para obtener una mejor respuesta en resolucin y eliminar los problemas de alia-sing (moir).

En cuanto a los CCD, hay que tener en cuenta que:

Se encuentran equilibrados de fbrica para trabajar con una temperatura color de

3200 K. Su expectativa de vida terica, no tiene lmite. No le afectan las luces muy altas. No tiene distorsiones geomtricas, pero no puede compensar las distorsiones de laslentes; si se cambia el objetivo, la calidad de la imagen se modificar. Es inmune a los golpes. El tiempo de puesta en marcha es instantneo. Es inmune a los campos elctricos. Su consumo de energa es muy bajo. Su capacidad de resolucin depende de la proporcin de pxeles (CCD) por superfi-cie. Tiene mayor sensibilidad a las luces bajas. Reduce el efecto moir (aliasing).


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En la imagen observamos el efecto aliasing en el suelo:

Cuando se enfoca a un punto brillante, puede aparecer una mancha vertical (efectosmear). Tiene algunas restricciones en cuanto a colorimetra, particularmente a los rojos.

Los HAD(Hole Accumulator Diode = Diodo Acumulador de Huecos) consisten en CCDmejorados: son ms pequeos, lo que permite mayor nmero de elementos por superficie yson ms sensibles a las luces bajas.

Los captadores de imagen tienen adems la caracterstica de actuar comoobturador electrnicode la cmara electrnica: en el momento en que se retira el barrido de lectura deelectrones, se cierra la entrada de una nueva informacin lumnica; por lo tanto, hasta que loselectrones comienzan una nueva lectura no se produce ninguna incidencia luminosa.


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Los CCD se fabrican tan slo en unas pocas factoras en todo el mundo, debido fun-damentalmente a que son chips muy complejos y especializados en la captura de imgenesdigitales.

Cuando los fotones que forma la luz llegan hasta el CCD, excitan los fotodetectoresque se encuentran dentro de cada pxel. En funcin de la intensidad de esta luz se genera unacarga elctrica determinada, mayor si llegan muchos fotones y menor si llegan pocos. En estafase la informacin del tono que debe mostrarse en cada pxel est an en estado analgico.

Los datos del voltaje generados en cada pxel segn la cantidad e luz recibida tienenque ser convertidos a datos digitales binarios, para que puedan ser entendidos por un ordena-

dor. En un CCD este proceso se debe realizar fuera del sensor, en otro chip externo llamado ADC ( analog to digital converter ), convertidor analgico digital. ste es en realidad el que de-termina el nmero de bits de color que podr mostrar nuestra imagen final. Un sensor CCDpuede tener capacidad para generar imgenes de 12 bits por color (36 bits en total), pero si elchip ADC tan slo es de 24 bits, esos sern los que tenga la fotografa final. El resto de bits decolor sencillamente se pierden porque el ADC no es capaz de procesarlos.

Al principio estos chips ADC eran un producto muy caro, por lo que se empleaban losde 8 bits por color (24 bits totales), ya que eran ms asequibles. Pero, como en el resto de

componentes que forman parte de la fotografa digital, la rpida expansin de este mercadoest propiciando una continua bajada de precios considerable. Hoy en da, y cada vez ms,algunas cmaras de gama media o alta llevan ADC de 1 byt, lo que permite obtener imgenesde 3 byt de color totales. En el caso de los escneres ocurre lo mismo, y cada vez es ms fcilencontrar dispositivos de este tipo con ms de 24 bits de color.

Una de las principales diferencias entre un sensor CCD y un CMOS es que este ltimono necesita chips ADC. En los CMOS la conversin de datos analgicos a digitales se lleva acabo dentro del propio sensor. A pesar del gasto extra que suponen ste y otros componentesnecesarios en un CCD, stos han sido desde su descubrimiento los sensores de captura digitalms utilizados. Sobre todo porque ofrecan una calidad de imagen mucho mayor: menor ruido,mayor rango dinmico y una sensibilidad a la luz superior a la de los CMOS. Esto se debe pre-cisamente a que constan de menos circuitos en el chip, lo que se traduce en una reduccin delas interferencias que causan otros componentes electrnicos, y obteniendo imgenes finalesmucho ms limpias y con menos ruido.

A pesar de que el CCD tiene muchas desventajas con respecto al CMOS, incluyendoun precio ms elevado, el hecho de poseer una mayor calidad de imagen le ha impuesto hastahace bien poco en el mundo de la fotografa digital. Actualmente, casi todas las cmaras digita-


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les, escneres y respaldos digitales cuentan en su interior con un CCD, una de las partes mscaras e importantes de estos dispositivos.

3.2.2. Sensores de imagen CMOS

Este tipo de sensor utiliza un proceso diferente llamado Metal-Oxido-Semiconductorcon transistores complementarios (CMOS). Los sensores CMOS poseen varias ventajas conrespecto a los CCD:

El coste: Los CCD se utilizan tan slo como sensores de imagen. Los CMOS, encambio, tienen muchos otros usos; de hecho, vuestro ordenador llevar seguramente

varios chips del tipo CMOS, igual que otros muchos productos digitales que podemosencontrar en cualquier tienda de informtica. El que los chips CMOS se fabriquen paraotros usos en muy grandes cantidades, hace que tanto los procesos como el materialnecesario para construir un sensor fotosensible CMOS sean ms baratos que en el ca-so del CCD. Debido a este menor coste a la hora de producir el sensor, el precio de unCMOS suele ser sensiblemente inferior al de un CCD equivalente.

Una de las mayores diferencias entre ambos sensores es el hecho de que los CMOSpueden integrar en el propio chip gran parte de los procesosque en un CCD se tienen

que realizar fuera de ste. As, la conversin de datos analgicos a digitales, compre-sin de imgenes, reduccin de ruido, etc. tienen lugar directamente en el CMOS. Estaes posiblemente la principal ventaja sobre un CCD, ahorrando el espacio y el coste dechips y circuitos extra que necesita este ltimo tipo de sensores. Esto permite a los fa-bricantes que emplean este sensor CMOS construir cmaras ms pequeas y asequi-bles.

Adems, los CMOS requieren menor energapara funcionar, permitiendo una mayorduracin de las bateras y una mayor eficiencia del sensor. Esta caracterstica tambinconlleva un menor calor en el chip y, por tanto, un menor ruido causado por la tempera-tura.


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A pesar de estas ventajas, los sensores CMOS no han conseguido hasta hace pocosaos ofrecer una calidad de imagen muy aceptable, por lo que se han visto ampliamente supe-

rados por los CCD. Precisamente una de sus mayores cualidades, la de integrar en el chip loscircuitos que permiten gran parte del procesado de la imagen, ha supuesto un problema parasu uso en las cmaras digitales. Esta circuitera genera interferencias electrnicas muy inten-sas, que aparecan en las fotografas finales como un ruido tan visible que desaconsejaba suuso. Tan slo algunos escneres planos de baja gama utilizaban hasta ahora este tipo de sen-sores de captura, sacrificando la calidad a cambio de un precio muy econmico. Los intentosde instalar CMOS en el corazn de cmaras digitales han dado tan pobres resultados que elmercado est claramente dominado por los CCD, exceptuando algunas webcam y cmaras deseguridad econmicas. Esto es especialmente visible en el segmento profesional de la fotogra-fa digital, donde prcticamente todos los escneres, respaldos y cmaras confiaban hastahace poco en la tecnologa CCD.

Esto ha sido as hasta que el ao 2000, Canon introdujo la primera cmara profesionaldigital SLR (rflex de un solo objetivo) que llevaba un CMOS en vez de un CCD como sensorde captura. sta cmara, la EOS-D30, demostr que la tecnologa CMOS puede ofrecer hoy enda resultados similares a los de un CCD, con las ventajas que caracterizan este tipo de chips.Canon ha apostado por emplear tambin un sensor CMOS en la EOS D60 y 1-Ds.


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3.2.3. Comparacin CCD/CMOS

El consumo de energa.Uno de los problemas ms grandes que tiene cualquier dis-positivo porttil es el del consumo elctrico. Las cmaras digitales no estn exentas deeste problema, en parte por el monitor LCD y en parte por el consumo del sensor. LosCMOS estn altamente optimizados, de modo que consumen entre 30 y 50 mW, entanto que un CCD consume entre 2 y 5 W. Este mayor consumo lleva a su vez al usode bateras ms costosas y pesadas, generando problemas de autonoma.

Diferencias tecnolgicas.Mientras que en el CCD toda la informacin es transmitida atravs de las mismas celdas vecinas hacia sus bordes, donde la informacin es reco-

lectada, el CMOS tiene capacidad de transmisin en cada una de las celdas. Esto evitael efecto de blooming o de contaminacin entre pxeles vecinos cuando hay situacio-nes de sobre exposicin y, adems, permite mejores opciones de interpolacin de laimagen.

Fabricacin.El inters en el CMOS por parte de la industria radica en que, a diferen-cia de la fabricacin de CCD, que debe hacerse en plantas especializadas a partir dematerias primas no comunes, los CMOS pueden ser fabricados en las lneas de pro-duccin normales de semiconductores a partir de materias primas muy baratas y de

uso generalizado. Teniendo en cuenta entonces que la tecnologa de fabricacin delCMOS es la misma que la de los microprocesadores, tendr que haber una baja deprecios en cuanto la tecnologa CMOS se adapte de manera eficiente a las cmaras di-gitales. Por las caractersticas de su fabricacin, los CMOS son tambin ms fciles deinterconectar a nuevos sistemas que los CCD. Porque en realidad podemos consideraral CMOS como un microprocesador. Esto quiere decir que los CMOS son una alternati-va flexible para los fabricantes, y les permitirn nuevos desarrollos. Todava el CMOSes muy sensible al ruido de imagen, tiene un rango dinmico reducido y presenta pocasensibilidad, pero sus caractersticas estructurales son mejores que las del CCD.

Evolucin.Hemos visto que la principal diferencia constructiva entre el CCD y elCMOS es que las operaciones matemticas de conversin anlogo-digital y de ajustese hacen en el CMOS en el mismo chip, en vez de requerir un circuito adicional para elclculo. Esto ahorra costos y permite diseos ms compactos.


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4. CONTROLES Y FUNCIONES

A) Uno de los circuitos que se incluyen en los dispositivos CCD, captadoresde imagen, y que es de gran importancia, es el registro de salida medianteel cual se hace la extraccin de seal de vdeo.

El condensador C representado no existe como tal dentro del dispositivo,sino que dada la alta impedancia de entrada del circuito se utiliza la peque-a capacidad parsita puerta-surtidor del transmisor FET.

Su funcionamiento es el siguiente: Durante el instante previo a la transfe-rencia el impulso de precarga cierra el interruptor (SW) con lo que el con-densador (C) queda cargado con el potencial de +B, seguidamente se abreel interruptor quedando la puerta de entrada del transistor de alta impedan-cia, a continuacin el registro de H desplaza sus cargas a la puerta deltransistor, por lo cual el condensador C se descarga de forma proporcionalal nivel de cargas elctricas aplicadas.

B) Funcin Knee (correccin de ngulo)

Dado que los circuitos de recorte de los picos del blanco, simplemente selimitan al nivel de vdeo de las zonas brillantes a un nivel concreto, no sereproducen los detalles de las imgenes en las reas brillantes. Para solu-

cionar este problema se utiliza la correccin de ngulo. Esto funciona com-


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primiendo las seales que exceden de cierto nivel de vdeo denominadopunto del ngulo.

C) Control de contraste dinmico (control Knee automtico)

El Control de Contraste Dinmico (DCC) es una funcin que permite que lacmara reproduzca detalles de una imagen, inclusos en casos en los quedeba manejarse un contraste muy alto. Por ejemplo si queremos grabar auna persona situada frente a una ventana desde dentro de una habitacin,para poder reproducir los detalles del exterior de la ventana, solo se podrahacer con el DCC activado.

Este mecanismo es prcticamente igual que la correccin Knee, la diferen-cia es que el DCC permite una gama dinmica ms amplia mediante el con-trol automtico del ngulo para un nivel de vdeo ptimo en la escena quese est tomando. Por ejemplo, cuando no haya zonas de mucha luz, el pun-to del ngulo se ajustar en un punto cercano al recorte de los picos deblanco, de forma que los detalles de una imagen puedan reproducirse li-nealmente. Por otro lado, cuando la luz que entre exceda en mucho el nivelde recorte de los picos de blanco el circuito del DCC rebajar gradualmente

el punto del ngulo segn la intensidad de la luz. De esta forma, una esce-na que requiera una amplia gama dinmica puede reproducirse dentro delnivel de vdeo estndar.

D) Retencin de la imagen

Se produce retencin de imagen cuando se dirige directamente una cmaraa un objeto muy brillante, como el sol, durante un rato. Esto produce unaimagen, correspondiente al rea del sensor expuesta a la luz intensa, queaparece cada vez que se utiliza la cmara durante cierto periodo de tiempo.En la mayora de los casos, la imagen retenida en el sensor desaparecergradualmente con el tiempo, pero hay casos en que el sensor puede daar-se y es necesario cambiarlo.

E) Circuito Linear Matrix

Pueden conseguirse todas las tonalidades cromticas del espectro visiblemediante la mezcla de los tres colores primarios, rojo, verde y azul. Las ca-ractersticas del espectro ideal de estos colores indican que algunas reas


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contengan una respuesta espectral negativa, para obtener una reproduc-cin fiel del color, las cmaras de vdeo con CCD deben tener en cuentaestos valores de luz negativa, y para ello incorporan un circuito Linear Ma-trix que compensa estos valores generando y aadiendo electrnicamenteseales que corresponden a la respuesta espectral negativa para las sea-les de vdeo roja, verde y azul. Este circuito est situado antes de la correc-cin gamma, de forma que la compensacin no vare debido a la cantidadde correccin del gamma.

F) Elementos de imagen

La densidad de los CCD se indica mediante el nmero de elementos deimagen que haya dentro del rea sensible. Cada elemento de imagen con-tiene un fotosensor para el muestreo de la luz de entrada. El nmero deelementos de imagen dentro del rea sensible del CCD es el factor principalque determina la resolucin resultante de la cmara. En el dibujo se obser-va que hay un rea enmascarada a lo largo de los bordes del CCD. Estasreas corresponden a los periodos de supresin vertical y horizontal, y seutilizan como referencia para el negro neutro. De los elementos slo losefectivos se utilizan realmente para detectar la luz de entrada.

G) Pozo P

Los pozos P se emplean en los CCD, para reducir el Smear. El Smear esun fenmeno caracterstico de las cmaras CCD que se produce cuando segraba con la cmara un objeto brillante o una fuente de luz. Este fenmeno


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se observa en el monitor como una franja vertical por encima y por debajodel objeto de la fuente de luz, esto se debe a que los electrones filtradosson desplazados hacia abajo desde el registro vertical al registro horizontal,y produce borrosidad. La cantidad de borrosidad es generalmente propor-cional a la intensidad de la luz desde el objeto o fuente de luz y al rea questa ocupa en el CCD. Los pozos P reducen de forma efectiva la cantidadde electrones que entran en el registro vertical desde el substrato. El primerpozo P forma la toma de sobrecarga vertical con el substrato y el segundopozo P bloquea los electrones que entran en el registro vertical desde elsubstrato.

H) Desplazamiento espacialEl desplazamiento espacial es un mtodo utilizado para mejorar la resolu-cin horizontal de la luminancia de las cmaras CCD. Con esta tcnica esposible conseguir una mayor resolucin de la que tericamente puede es-perarse con el nmero de elementos de imagen que tiene cada sensorCCD.

I) Obturador electrnico de velocidad variable

Esta funcin, que ha permitido el uso del CCD, es similar al obturador me-cnico y se utiliza de una forma similar. Cuando est activado, permite quela cmara capte objetos en movimiento a altas velocidades sin que se des-enfoque la imagen, teniendo en cuenta, que cuanto mayor sea la velocidaddel obturador, menos luz se dirigir hacia el CCD y ms abierto estar eliris.

J) Los ajustes generales son:

Pulsadores de balances: tiene dos posiciones para efectuar los ba-lances de Blanco (WHT) y Negro (BLK). El balance de Blanco hay queefectuarlo siempre al comenzar una grabacin; el de Negro siempreque cambiemos algunas de las caractersticas de grabacin (ilumina-cin, filtros, etc.).


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Fotos diferentes con slo variar el balance de blancos

Memorias del balance de Blancos: Existen diferencias de memoriza-cin segn se trate de una cmara Broadcast o una cmara Industrial.

a) Cmara Broadcast: permite almacenar 8 balances de blancodistintos, dos para cada posicin de filtro.b) Cmara Industrial: slo permite almacenar dos memorias.

Ambas tienen en comn la posicinpreset , que se refiere a un balancede blanco almacenado de fbrica para un valor estndar de 3.200K.

Selector Up-Down de Mens:nos permite modificar la velocidad delObturador Electrnico Shutter , Clear Scan, actuar sobre el fotmetro dela cmara, alterar las caractersticas de captacin en cuanto el detalle odefinicin de la imagen y modificar el nivel dePedestal de Negrosparaalterar el contraste de la imagen.

Shutter (Obturador Electrnico): permite reducir los tiempos de expo-sicin en los intervalos de captura de la imagen. Con ello se logra cap-

tar imgenes ntidas al ser reproducidas a cmara lenta. Cada subida


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de su valor supone una reduccin de la luz que llega al sensor de ima-gen.

Clear Scan: permite variar la frecuencia de muestreo del sensor deimagen y adaptarla para captar imgenes de la pantalla del ordenador,cuya frecuencia de muestreo es superior a la de vdeo, sin que aparez-ca el nervio horizontal.

Pantalla de ordenador en la que no se ha usado la funcin clear scan

Selector de Ganancias:se utilizar cuando no se disponga de luz su-ficiente para captar una imagen; tambin para trabajar con diafragmas

ms cerrados y contar con mayor profundidad de campo. Se mide endB. La ganacia degrada la seal alterando negativamente la relacinSeal/Ruido, ya que no es ms que una amplificacin de la seal, queamplifica tambin la seal de ruido. Cada aumento de 9 dB significaganar un diafragma y medio.

Interruptor Selector de Salida de Vdeo:permite seleccionar entreGenerador de Barras(de forma que la ptica se cierra automticamen-te) yCAM: donde ponemos en marcha los sensores de la cmara quecomienzan as a ofrecernos imgenes.

Control Dinmico de Contraste(Dinamic Control Contrast, DCC):Permite mejorar la relacin de contraste en aquellas circunstancias enlas que en la imagen coexisten zonas muy iluminadas y zonas de oscu-ridad.

Circuito Recortador:fija el nivel mximo de la seal, recortando losvalores que lo sobrepasen. Este circuito slo acta en aquellas condi-


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ciones de iluminacin muy elevada; para las condiciones normales, latransferencia es lineal y el circuito no acta.

Rueda de Cambio de Filtros:permite la seleccin de los filtros incor-porados de fbrica en la cmara. La eleccin de cualquiera de ellos de-termina el balance de blanco, de negro y la cantidad de luz que va allegar hasta el sensor de imagen. Los filtros son:

a) Filtro n 1: estndar para temperatura color de 3.200K.b) Filtro n 2: para temperatura color de 5.600K + un filtro ND(densidad neutra) de factor .

c) Filtro n 3: para temperatura color de 5.600K.d) Filtro n 4: para temperatura color de 5.600K + un filtro ND defactor 1/16.

Puede ocurrir que se encuentren por separado los filtros de correccinde color y los de densidad neutra para combinarlos libremente, e inclu-so otra rueda de filtros de efectos especiales (cross, soft, etc.).

Los sensores CCD se encuentran equilibrados de fbrica para trabajar

con una temperatura de color de 3.200K, por lo tanto el Filtro n 1 norealiza ninguna funcin de correccin.

Control de Fase:permite sincronizar varias cmaras de vdeo paraevitar prdidas de sincronismo.

5. SISTEMAS, TIPOS Y FORMATOS

Existen dos tipos de sensores: matricialeso lineales, los matriciales sonaquellos que disponen sus clulas en forma de tablero, de tal modo que cuando el obturador dela cmara se abre todas las clulas actan al mismo tiempo. Sin embargo, en los CCD linealeslas clulas forman hileras y, aunque actan tambin a la vez, slo cubren el ancho de la esce-na, necesitando un desplazamiento vertical de la luz para cubrir la altura de la imagen.

La diferencia se establece en cuanto al cundo y al cmo se realiza latransferencia de carga. Como se dijo antes, la transferencia slo se efecta durante el retornodel haz de electrones. Los tipos son los siguientes:


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5.1. CCD DE TRANSFERENCIA DE CUADRO(FT Frame Transfer)

Uno de los primeros sistemas utilizados para la transferencia de cargas en los disposi-tivos CCD, fueron los denominados transferencia de cuadro. En ellos, la mitad superior del dis-positivo est destinada a captar la imagen y la mitad inferior es la destinada a la lectura y alma-cenaje de la seal, por tanto no dispone de fotosensores asociados.

Durante el periodo de borrado vertical, las cargas detectadas en la parte fotosensible,son desplazadas rpidamente en direccin vertical hacia la zona de almacenaje (antes del ini-cio del nuevo cuadro), de este modo la parte captadora de imagen queda libre para recibir unanueva informacin, quedando la informacin previa en la zona de almacenaje.

Una vez dispuestas las cargas en la zona de almacenaje, la lectura se realiza de laforma siguiente: Durante el tiempo de borrado todos los registros desplazan su informacin deforma simultnea a su inmediato inferior, y durante el tiempo activo de lnea el registro de sali-da entrega de forma secuencial y continuada toda la informacin constante de vdeo a la salidadel dispositivo.

Estos dispositivos CCD, tienen varios defectos:

Para conseguir una imagen de formato TV es necesaria una superficieextremadamente grande para su obtencin (ms del doble del tamao utilizado paracaptar la imagen) con las consiguientes dificultades y costos de fabricacin.


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Cada clula sensora debe duplicar sus funciones ya que adems de captar la imagenpropia debe transferir la seal de la clula que le precede, a la inmediatamente conti-gua, de tal modo que de quedar durante ese instante expuesta a la luz externa, esa in-formacin quedar sumada a la seal en proceso de transferencia (smear). La nicasolucin para evitar esto es colocando un obturador que impida el paso de la luz duran-te el periodo de transferencia.

La velocidad de transferencia para el volcado de informacin, debe ser muy rpidacon altas frecuencias de reloj, lo que provoca una menor eficiencia en el proceso, pro-vocando problemas de resolucin vertical.

Para evitar el Smear surgieron nuevos CCD de transferencia de cuadro con obturadormecnico, con estos obturadores se consigue bloquear la llegada de la luz, durante el breveperiodo de tiempo que se emplea para la transferencia vertical. Pero, el desarrollo de obturado-res mecnicos de alta velocidad con sus sistemas de servocontrol, es un handicap para la c-mara de CCD, ya que produce ruido, y aumenta el consumo y el peso.

5.2. CCD DE TRANSFERENCIA INTERLNEA(FIFrame Interline)

En este sistema se mejora notablemente las deficiencias del dispositivo de transferen-

cia de cuadro.

Con esta estructura los fotosensores y los elementos de almacenaje estn intercalados.Los registros de desplazamiento estn cubiertos por una fina capa de aluminio opaco. Duranteel tiempo de borrado vertical todas las cargas generadas en el fotosensor, son desplazadaslateralmente con un slo tiempo de reloj, quedando inmediatamente almacenadas en su ele-mento correspondiente, desplazando verticalmente en cada intervalo de borrado de lnea du-rante el campo siguiente, sin interferir para nada a los fotosensores que ya estn libres paracaptar la imagen correspondiente al campo inmediatamente posterior.


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Comparado con otras estructuras, parte del rea ptica de imagen es utilizada para elalmacenaje de cargas, con lo cual es fcil deducir que la sensibilidad es menor que si se utiliza-ra toda la superficie para la captacin de imagen. Sin embargo, el dispositivo tiene una serie deventajas, que le hacen mucho ms recomendable para la obtencin de imgenes en cmarasde tipo industrial o broadcast:

La eficacia de la transferencia de carga es mayor. Mayor gama dinmica. Mejor relacin seal/ruido. No hay efecto cometa o de persistencia.

Todo ello debido a que los pasos necesarios para la extraccin de seal estn drsti-camente reducidos, ya que con slo un impulso de reloj se realiza la transferencia de lecturadurante el borrado vertical.

5.3. CCD DE TRANSFERENCIA DE CUADRO-INTERLNEA(FIT Frame-InterlineTransfer)

Este sensor toma lo mejor de las dos tecnologas, obteniendo las ventajas del meca-nismo interlnea, y a la vez solucionando el efecto de smear vertical. Esto se logra mediante latransferencia de cuadro a alta velocidad, a la que sigue de forma inmediata la descarga de lospaquetes desde los elementos de almacenamiento adyacentes.


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Con esta doble accin de transferencia se evita el problema fundamental del sensorCCD de transferencia de cuadro, en el sentido de que las cargas son ocultadas a la luz inciden-te (en los sensores de almacenamiento adyacentes sellados a la luz) mientras se desplazanverticalmente hacia la parrilla inferior de almacenamiento. Por tanto, no se necesita obturadormecnico.

5.4. CCD HAD

El sensor HAD (Diodo de Huecos Acumulados) es un sensor de diodo que incorporauna capa de huecos acumulados en su superficie. Esta capa reduce de forma efectiva el ruido

de corriente de oscuridad producido por los electrodos generados aleatoriamente en la capalimtrofe. La capa de huecos acumulados parea los huecos con los electrones generados en lasuperficie, reduciendo el nmero de electrones (cantidad de ruido de corriente de oscuridad)que entran y se acumulan en el sensor. La reduccin del ruido de corriente de oscuridad pro-porciona la reduccin correspondiente en el patrn fijo de ruido, una alta relacin seal/ruido yun bajo oscurecimiento.

CCD Normal CCD HAD


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La capa de huecos acumulados tambin juega un papel importante en la eliminacindel retardo. La cantidad de retardo en las cmaras CCD est determinado por la eficacia de latransferencia de electrones acumulados en el fotosensor para el registro de desplazamientovertical. En los CCD sin la capa de huecos acumulados, la parte inferior (potencial) de la cavi-dad fotosensora no est fijada y cierta cantidad de electrones pueden permanecer en la cavi-dad incluso despus de la lectura. Sin embargo, con el sensor HAD, debido a que la capa dehuecos acumulados fija la parte inferior de la cavidad fotosensora en un potencial concreto, loselectrones acumulados caern totalmente en el registro vertical. As, los electrones no perma-necern en la cavidad fotosensora tras la lectura.

CCD Normal CCD HAD

El sensor CCD de tipo HAD ofrece cinco ventajas sobre los sensores convencionales:

1) Muy baja corriente de oscuridad. La corriente de oscuridad limita el rango dinmicode la cmara en el extremo bajo de la seal de vdeo. Los efectos de la corriente deoscuridad aumentan con la temperatura, adems el nivel de corriente de oscuridad va-ra de un pxel a otro. El sensor HAD tiene una corriente de oscuridad cuyo nivel esunas diez veces ms baja que los sensores tipo MOS.

2) Rango dinmico mejorado. El rango dinmico del CCD viene determinado por la por-cin de seal til, entre el pedestal total de ruido y la capacidad del pozo sensor paraacumular cargas. El sensor HAD tiene un rango dinmico de ms de 80 dB.

3) Ausencia de arrastres. Ya que aumenta la sensibilidad, porque aunque el tamao delpxel HAD es menor (al haber ms pxeles en el rea total) la relacin entre zona sen-sible y rea total es mayor.


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4) Mejora en las caractersticas espectrales. Se mejora la respuesta en azul (longitudesde onda cortas) a la vez que se ha ensanchado la curva espectral. Esto permiteaproximar la colorimetra de las cmaras CCD a las cmaras de tubos.

5) Obturador electrnico para cada pxel. En el sensor HAD, cada pxel dispone de supropio obturador electrnico. Cuando se acta sobre el obturador, el substrato reducela barrera de potencial del pozo, descartando las cargas colectadas. Los pulsos aplica-dos al substrato, vacan peridicamente el pozo acumulador de cargas del sensor HAD.Esto equivale a cerrar el obturador durante un cierto tiempo.

5.5. CCD HyperHAD

El sensor HyperHAD combina todas las ventajas del chip HAD, con una sensibilidadenorme. Otra ventaja del HyperHAD es que el smear es inapreciable.

En los CCD corrientes, parte de la luz que llega al sensor se pierde, ya que estas clu-las fotosensoras ocupan solamente el 32% de la superficie total del dispositivo CCD, con locual el 68% de la luz que incide sobre el mismo queda desaprovechada y produce reflexionesque inciden en el nivel de smear. Las clulas fotosensoras ocupan muy poco espacio por lapropia estructura del dispositivo, ya que existen reas de almacenamiento, de transferencia, de

electrodos, etc.

En el sensor HyperHAD manteniendo intacta la superficie del CCD, se ha colocado unalente convergente delante de cada clula fotosensora. En total, cerca de medio milln de dimi-nutas lentes recogen gran parte de ese 68% de luz que antes se desperdiciaba, concentrndo-la hacia la parte sensible. Y todo ello se traduce en un gran aumento de la sensibilidad de lacmara.


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5.6. SUPER CCD

El SuperCCD es el primer CCD que est basado en la visin humana, para poder con-seguir mayor resolucin. Se parte del conocimiento de que la retina humana est compuestade 120 millones de clulas pticas que trabajan en la oscuridad y alrededor de 6 millones en laluz. Aunque se distribuyen en un mosaico a travs de la superficie de la retina, la sensibilidadde alta frecuencia de informacin es mucho mayor sobre los ejes horizontales y verticales quesobre los 45 diagonales. Se caracteriza por una forma octogonal con disposicin en forma depanel de abejas de sus pixeles, donde se aprovecha el espacio de una forma ptima y ademsse aumenta el nmero efectivo de pxeles en uso.


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6. ACCESORIOS DE CAPTACIN

6.1. CONVERSIN FOTOELCTRICA

Existen dos tipos de sensores: por fotodiodos y por sensores MOS, a nivel de sensibili-dad o dinmica en la captacin de imgenes el comportamiento es similar, pero en el caso deltipo MOS, las prdidas de potencial elctrico durante la transferencia es menor, por lo que en lacaptacin de imgenes se ha generalizado su uso.

El fotosensor tiene una estructura de tres capas:

1) Capa de Polisilicio (forma transparente y conductiva del silicio).

2) Capa de dixido de silicio.3) Capa o substrato de silicio (canal P).

Cuando la luz incide sobre la capa sensora se produce una carga elctrica proporcionala la intensidad de luz aplicada.


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6.2. ALMACENAJE DE CARGA. COMPORTAMIENTO DE UN CONDENSADOMOS

Cuando se aplica una tensin positiva en el electrodo, se genera una zona de bajaenerga justo debajo del punto de unin entre la capa de dixido y la de silicio, esta zona sueledenominarse hueco de baja energa ( low energy well). De este modo dicha capa va a absor-ber todos los electrones resultantes de la fotoconversin de la capa superior.

El potencial acumulado en esta zona quedar almacenado y posteriormente ser trans-ferido a los elementos de lectura.

6.3. LECTURA6.3.1. Impulso de transferencia al registro vertical

En los dispositivos CCD para captacin de imagen, existen dos mtodos de mayorutilizacin para la transferencia de cargas del fotosensor a los registros de desplazamiento,cada uno de los cuales requiere mtodos distintos para el proceso.

Sistema de transferencia de dos niveles. Este sistema requiere un doble reloj con el

mismo patrn de frecuencia pero en fases distintas, y es utilizado en los CCD de trans-ferencia de cuadro, ya que los fotosensores son utilizados para la transferencia de car-ga.

Sistema de transferencia de tres niveles o triestado. Este es el sistema ms utilizado,ya que no requiere la aplicacin de ningn impulso especial en el fotosensor.

6.3.2. Seal triestado de fase cudruple

Las ventajas de utilizar un sistema de fase cudruple en lugar del tpico de fase doble,radica en el hecho de que las clulas implicadas en la transferencia son siempre cuatro, que-dando las cargas durante los instantes de espera almacenados en dos clulas contiguas, conlo que se aumenta el margen dinmico y permite una sustancial disminucin en el tamao totaldel dispositivo.


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6.3.3. Impulso de transferencia horizontal y salida

Para la creacin de impulsos de transferencia horizontal, en la mayora de los casos seutiliza el sistema de doble fase, tpico en todo dispositivo CCD, no solo en los captadores deimagen.

Otros accesorios de captacin que actan en combinacin con el sensor de imagenson los siguientes:

1. Bloque Dicroico:se basa en el dicrosmo: la propiedad que tienen algunos cuerposo substancias para cambiar de color segn sea la direccin de los rayos de luz que los

atraviesen. Es unSistema ptico Separador situado entre el objetivo y el sensor deimagen, formado por prismas que reflejan una determinada longitud de onda permitien-do el paso de las dems a su travs. De esta forma distinguen los tres colores funda-mentales que componen la imagen y los dirigen en distintas direcciones, donde cadacolor es recibido en su sensor de imagen correspondiente. En el caso de los CCD, s-tos se encuentran unidos cada uno al prisma correspondiente. Las longitudes de ondaque resultan reflejadas son las correspondientes al rojo y al azul, mientras que la longi-tud de onda verde atraviesa el prisma.

2. Circuitos: son de dos tipos: Unidad de Servicio:se ocupa del correcto funcionamiento del sensor de imagen,proporcionndole la alimentacin necesaria y amplificando la seal que sale de l.

Unidad de Control:es la parte inteligente de la cmara: se ocupa de dirigir laUnidad de Servicio y producir los sincronismos, tanto de lnea como de cuadro.Estos sincronismos se pueden generar tambin de forma externa desde el Controlde Cmaras si tenemos varias cmaras sincronizadas entre s.

3. Visor: es el dispositivo que proporciona localmente la imagen encuadrada por lacmara. Permite el control continuo del encuadre as como la posibilidad de monitorizardiversas funciones. El visor electrnico es un pequeo monitor de tubo de rayos catdi-cos monocromo; es diferente segn se trate de cmara ENG o una cmara de estudio.

En la cmara de estudio, sus dimensiones son proporcionales a la diagonal del target yofrecen una imagen que puede ser observada por el operador a 50/100 cm de distan-cia. Est equipado con una especie de tejadillo que permite la observacin de la ima-gen en ambientes muy iluminados.


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En la cmara ENG es ms pequeo y requiere la aplicacin directa del ojo para visuali-zar la imagen.

Las funciones que se pueden monitorizar son:

Interruptor Zebra:nos ayuda visualmente a determinar el valor correcto del dia-fragma. Shutter:muestra en pantalla el valor de obturacin seleccionado. Clear Scan:indica el valor de la frecuencia de muestreo elegida. Filter:indica el filtro que est colocado. W/B:nos confirma en el momento de realizar el balance si es correcto o indica

los posibles problemas que lo impiden por medio de mensajes en pantalla. Gain Up:avisa cul es la seleccionada. Temperatura Color:indica de forma aproximada el valor en grados K de la tem-peratura color existente.

4. Unidad de Control de Cmaras (CCU, Control Camara Unit): la mayora de los pa-rmetros y funciones que se especifican en el apartado 3, pueden ser modificadosigualmente desde la CCU siempre que la cmara se encuentre conectada a ella. Dichaconexin se efecta por medio de cable; el uso de un cable u otro determina la configu-

racin de la CCU y, por lo tanto, las posibilidades de remotear determinadas funcionesde la cmara.

Sony CCU


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7. APLICACIONES DE HARDWARE Y SOFTWARE

Los CCD permiten realizar lneas de retardo capaces de retardar una infor-macin analgica. La seal analgica se introduce en el CCD en forma de paquetes de cargasmediante una conversin tensin/cargas. Dichas cargas avanzan media etapa a cada conmu-tacin de la fase de transferencia. La etapa de salida realiza la conversin cargas/tensin y uncircuito integrado de muestreo y retencin permite obtener una seal de salida continua de ex-celente calidad (Para un registro n de clulas y siendo T el periodo de la fase de transferencia,retardo es n x T).

Estas lneas de retardo permiten el tratamiento de seales radar, sonar, TV,

telecomunicaciones entre otras.Los CCD constituyen por otra parte, los sensores pticos para toma de

imagen, cuya principal caracterstica es la de ser dispositivos de estado slido. Aparte de lautilizacin de los CCD en sistemas de captacin de imgenes con niveles normales de ilumina-cin, estos dispositivos pueden ser de gran utilidad en aplicaciones en las que los niveles deiluminacin ambientales son ms bajos de lo normal, como por ejemplo en sistemas de vigilan-cia tanto civiles como militares, en visin nocturna, en aplicaciones subacuticas y espaciales,en observacin astronmica, etc.

Un CCD debidamente refrigerado presenta un ruido extremadamente bajo,factor que posibilita su utilizacin para captar seales con bajo nivel de luz.

Pero independientemente de la mencionada refrigeracin, tambin existe laposibilidad de acoplar el CCD a un intensificador de imagen luminosa mediante una pastilla defibras pticas y conseguir captar imgenes con niveles de iluminacin mnimos.

Como complemento a estas aplicaciones con bajo nivel de luz y combina-dos con sistemas capaces de convertir radiaciones X a luz visible, los CCD encuentran otroamplio campo de aplicacin dentro del mbito industrial: control de equipajes, control de obje-tos en movimiento, inspeccin de defectos en el interior de materiales, cermicos o metlicos,entre otras.

Los dispositivos de captacin digital participan de la cadena multimedia deproduccin audiovisual como elemento capturador de la imagen, esencial para el posterior tra-tamiento de las imgenes. En este sentido, estara conectado directamente al ordenador quefuese a realizar esta funcin. Adems, tenemos la toma de imgenes por circuito cerrado, los


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usos industriales, as como los usos sanitarios (las minicmaras introducidas en el cuerpohumano para le deteccin de cuerpos extraos).

Los CCD tienen aplicaciones de lo ms diversas, aparte de las comunesque hemos tratado en el tema, las ms comunes quiz son:

Medicina:En la telemedicina, se utilizan cmaras CCD en radiologa paraadquisicin de imgenes. Microcmaras con sensores CCD para realizarcateterismos, nanorobots, etc.

Astronoma:Posibilidad de realizar observaciones incluso con un nivel

elevado de polucin lumnica, por ejemplo una noche de luna llena o inclu-so desde la ciudad. Muchas ms personas podran disfrutar de la astrono-ma puesto que no es lo mismo esperar turno para mirar a travs del objeti-vo de un telescopio que disponer de una pantalla de ordenador en la quevarios observadores pueden contemplar simultneamente el objeto enfoca-do con un grado de detalles muy superior al que ofrece el objetivo de dichotelescopio. Una cmara CCD permitira una visin mucho ms seria de laastronoma ya que en la observacin tradicional el astrnomo amateur vealimitadas sus posibilidades de investigacin por el equipo que en ningn

caso poda estar a la altura de los grandes telescopios usados por profe-sionales. La cmara CCD nos permite introducirnos en los siguientes cam-pos: Astrometra: bsqueda y seguimiento de asteroides, estrellas dobles,etc. (actividades desarrolladas en el observatorio de Yebes).Fotometra: seguimiento de eclipses, ocultaciones, estrellas variables, etc.Pelculasdigitales: realizacin de pelculas digitales de planetas rotando, del cometaHyakutake, de eclipses de luna, etc.

Comercio:La mayora de los lectores de cdigos de barras, usan tecnolo-ga CCD.

Seguridad:En microcmaras de vigilancia, robotizadas, etc.

Industriales:Tienen infinidad de usos, pero quiz el que ms nos interesapor nuestro tema es que los sensores CCD se han comenzado a utilizar pa-ra controlar y regular sistemas de iluminacin espectacular, e incluso de

cap tad ores digitales de imagen

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