Cámara Digital CCD - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Cámara Digital CCD

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¿Qué es una cámara digital?

  • Toda cámara digital posee un CCD para poder visualizar imágenes

  • Si el CCD es un dispositivo analógico, ¿cuándo se considera que una cámara es digital?

  • Una cámara se considera digital, cuando en las proximidades del CCD se encuentra un dispositivo convertidor analógico/digital (A/D) que convierte las señales eléctricas del CCD en un formato compatible con los ordenadores

  • Todas las cámaras de vídeo (por ejemplo la cámaras para video vigilancia) poseen CCD´s. 

  • No por eso son digitales ya que éstas no poseen un convertidor A/D “CCD: Charged Coupled Device. Un CCD es un dispositivo analógico que produce un flujo de voltajes



Funcionamiento de un CCD 1


“CCD: Charged Coupled Device. Un CCD es un dispositivo analógico que produce un flujo de voltajes”


Arquitectura de un CCD


Funcionamiento de un CCD 2

1.- Todos los fotodiodos son utilizados para detectar fotones durante el tiempo de exposición
2.- Una vez los fotones han sido captados y convertidos en electrones (en potencial eléctrico), el registro en serie del CCD va leyendo de forma paralela cada una de las líneas del registro en paralelo del CCD
3.- Los datos captados en el registro en serie son trasladados de forma secuencial a un amplificador interno del CCD


Funcionamiento de un CCD 3

  • Un CCD consiste en un conjunto de elementos fotosensibles llamados píxeles

  • Los fotones inciden sobre la zona fotosensible de cada píxel del CCD provocando la liberación de electrones en cada uno de ellos. El área fotosensible de cada píxel del CCD se llama fotodiodo. Los electrones liberados (llamados fotoelectrones) con recogidos en unos pocillos (en inglés Pixel Well) que posee cada píxel

  • La carga acumulada en cada pocillo varía en función de la cantidad de fotones que inciden en cada píxel del CCD. El número de electrones que se libera en cada píxel es proporcional a la intensidad de luz que incide en ellos

  • Los fotoelectrones captados en cada pocillo se trasladan de forma paralela al registro en serie del CCD

  • La carga acumulada en el registro en serie se pasa píxel a píxel al amplificador interno del propio CCD en donde se amplifica y se convierte en señal eléctrica (en voltaje -> señal analógica)


El CCD es un dispositivo analógico ya que genera señales eléctricas a partir de fotones. El convertidor analógico digital (A/D) digitaliza estas señales eléctricas convirtiéndolas en 0 y 1. El convertidor A/D se encuentra fuera del CCD.


Propiedades de los CCD 1

Eficiencia cuántica

  • La eficiencia cuántica es la sensibilidad espectral de un CCD, es decir es la probabilidad que un fotón de una cierta longitud de onda provoque un fotoelectrón
  • La Eficiencia Cuántica (EC) de un CCD estándar es prácticamente cero por debajo de 400 nm y tiene su máximo en la zona del IR. Debido a la gran sensibilidad de los CCD en la zona del IR, es necesario incorporar un filtro IR en la vía óptica. Sin este filtro las imágenes tendrían un fondo muy elevado
  • La Eficiencia Cuántica adquiere una elevada importancia sobretodo en aplicaciones con bajo nivel de luz





Propiedades de los CCD 2

Todas las imágenes tomadas con cualquier cámara digital están “contaminadas” por ruido. Los principales tipos de ruido son:

  • Ruido Fotónico (Photon noise): debido a la propia naturaleza cuántica de la luz. Este ruido es debido a que los fotones, al incidir sobre el CCD, generan un número de fotoelectrones n, con una distribución estadística de tipo Poisson. El ruido fotónico no puede evitarse debido a su propia naturaleza.

  • Ruido Térmico (Thermal noise o Dark Current): este ruido se debe a la propia energía térmica que tiene el silicio de los píxeles del CCD. Es decir el propio CCD puede generar electrones (termoelectrones) sin que incida luz sobre él. Estos termoelectrones son totalmente indistinguibles de los fotoelectrones producidos al incidir la luz en el CCD. El ruido térmico es dependiente de la temperatura a la que está sometido el CCD.

  • Ruido de lectura (Read-out noise): este ruido se produce al leer la señal del sensor. Está causado por el sistema de amplificación de la señal del CCD y por el convertidor A/D y depende de la velocidad de lectura (read-out rate).

Propiedades de los CCD 3

Ruido térmico (Dark noise)

  • Debe distinguirse el número de termoelectrones generados (Dark Count o Dark Current) del ruido térmico (Dark Noise)

  • El Dark Count se expresa en electrones por píxel y segundo. Un CCD que genere 50 e-/s/p a 25ºC tendrá un Dark Count de 3.000 e-/min.

  • El Dark Count aumenta exponencialmente con la temperatura: se dobla aproximadamente cada 6ºC (ver gráfico)



Propiedades de los CCD 4

Ruido de lectura (Read-out noise)

  • Este ruido se produce al leer la señal del sensor. Se ha comprobado experimentalmente que una misma carga en el mismo píxel de un CCD no siempre da el mismo resultado en el conversor analógico/digital

  • Está causado por el amplificador interno del CCD y por el conversor Analógico/Digital de la cámara CCD

  • A medida que aumenta la velocidad de lectura (Read-Out Rate) este ruido aumenta. Para altas velocidades, este ruido pasa a tener importancia dentro del ruido total de la cámara

  • Este ruido se asemeja a un peaje de una autopista. Tiene que pagarse una cierta cantidad al pasar por él. Además si vamos a más velocidad tendremos que pagar un peaje mayor


Propiedades de los CCD 5

¿Cómo se puede disminuir el ruido?

  • El ruido fotónico no puede disminuirse

  • El ruido térmico puede disminuirse (e incluso suprimirse) al enfriar el CCD. Hay varios métodos de enfriamiento (por ejemplo por Peltier). Por cada 6ºC de enfriamiento se consigue una disminución del dark current a la mitad. Debe tenerse en cuenta que el enfriamiento de una cámara siempre mejora su rendimiento aunque la diferencia posiblemente no será muy grande para tiempos de integración de pocos segundos o menos

  • El ruido de lectura puede mejorarse (aunque no eliminarse) mejorando la electrónica de la cámara. Asimismo puede disminuirse disminuyendo la velocidad de lectura


Propiedades de los CCD 6

Frame rate (refresco en pantalla)

  • Una medida importante para una cámara CCD digital es el número de cuadros por segundo que es capaz de dar, es decir el número de imágenes por segundo con el que la cámara es capaz de refrescar la imagen en el monitor del ordenador

  • Los cuadros por segundo de una cámara dependen de una gran cantidad de variables, tanto de la cámara digital como del propio ordenador. Las dos variables más importantes de las que depende el Frame Rate son el tiempo de exposición y la velocidad de lectura del CCD

  • La fórmula simplificada para el cálculo de los cuadros por segundo de una cámara digital CCD es la siguiente:

Frame Rate (cuadros/segundo) = 1 / ((Número píxeles CCD/Velocidad lectura) +tiempo exposición)

  • Por ejemplo, para una cámara digital de 1.300 x 1.000 píxeles que tenga una velocidad de lectura de 5Mhz (5 millones de píxeles por segundo), si el tiempo de exposición es de 300 ms, el frame rate aproximado de la cámara es:

Frame rate = (1 / ((1.300.000/5.000.000) + 0,3)) = 1,78 fps


Propiedades de los CCD 7

Ganancia
  • La ganancia de una cámara digital no es una propiedad del CCD sino de la cámara digital. Los CCD no tienen ganancia por si mismos. La ganancia se refiere a la magnitud de la amplificación que el sistema puede producir de las cargas eléctricas que produce el CCD

  • La ganancia se expresa en electrones/ADU (Analog-To-Digital Unit o niveles de gris). La unidad ADU también se denomina “Count”. Por ej. una ganancia de 60 e-/ADU significa que la cámara digitaliza la imagen de forma que cada nivel de gris se corresponde con 60 e-

  • Si para una cámara digital una ganancia 1x se corresponde con 60e-/ADU, una ganancia 2x se correspondería con 30 e-/ADU (es decir el sistema pasaría al siguiente nivel de gris cada 30 e-), una ganancia 4x se correspondería con 15 e-/ADU, etc.

  • Si la imagen a captar es muy poco luminosa (es decir genera muy pocos fotoelectrones en el CCD) podemos amplificar la señal aumentando la ganancia de la cámara digital.

  • De todas formas al aumentar la ganancia, tanto el ruido térmico como el de lectura se amplifican por lo que la relación señal/ruido de la cámara digital disminuye notablemente



Propiedades de los CCD 8

  • Normalmente el tamaño del CCD se expresa en pulgadas (”), por ejemplo un CCD de 2/3”. Este valor expresa la distancia que existe entre la esquina inferior izquierda y la superior derecha del CCD (ver dibujo adjunto). Una pulgada equivale a 16 mm. (aproximadamente)

  • Algunos fabricantes empiezan a expresar el tamaño del CCD como “longitud en horizontal x longitud en vertical” (H x V). En este caso, la distancia se expresa normalmente en mm.

  • El número de píxeles que caben en un CCD es función del tamaño del CCD y del tamaño de píxel de ese CCD. Por ejemplo cabrán más píxeles de un mismo tamaño en un CCD de 1” que en un CCD de 2/3”

  • El tamaño del CCD incide en el área que se visualiza de la muestra mientras que el tamaño de píxel influye de una forma importante en el rango dinámico de la cámara digital



Propiedades de los CCD 9

Número de píxeles de un CCD

  • Cuando nos referimos a una cámara de 5 Millones de píxeles, nos referimos al número de píxeles de su CCD. Este número es lo que se llama resolución espacial de un CCD

  • No todos los píxeles de un CCD se utilizan para captar la imagen. Un porcentaje pequeño de píxeles del CCD se utilizan para otros propósitos (por ejemplo para ayudar en la calibración del ruido térmico del CCD). Por ejemplo para la Coolpix 4500 tenemos que su CCD tiene 4,13 millones de píxeles, de los cuales 4 millones son píxeles efectivos. Los píxeles efectivos son los que se utilizan para captar la imagen

  • El número de píxeles de un CCD tiene una relación directa con el tamaño del fichero que se genera en el ordenador, Así, si un CCD en color tiene 1.300 x 1.000 píxeles, generará un fichero sin comprimir de 1.300.000 *3 = 3.900.000 bytes = 3,8 Mb


Color en las cámaras digitales 1


  • Los CCD son dispositivos que trabajan en “escala de grises”. Los píxeles de los CCD captan la intensidad de la luz que incide sobre ellos conviertiéndola en niveles de gris desde el negro al blanco

  • Para crear una imagen a color, necesariamente deben añadirse filtros de separación del color al CCD. Hay varias estrategias para ello:

  • Poner una rueda de filtros delante de la cámara CCD. La imagen a color se toma haciendo tres exposiciones con los filtros azul, verde y rojo. La imagen a color es la suma de las tres imágenes obtenidas. El problema con este sistema se da con muestras que se mueven

  • Las cámaras de 3 CCD poseen un sistema de prismas y filtros dicroicos que dividen la luz que proviene de la muestra en los tres colores básicos. Un CCD capta el color azul, otro el color verde y el último el color rojo. La imagen obtenida es la suma de las imágenes obtenidas con cada CCD. El problema de este sistema es su coste

  • Buena parte de las cámaras digitales en color utilizan un sistema de mosaico en un único CCD: a cada píxel del CCD se le asigna un color básico añadiéndole un filtro que sólo deja pasar las longitudes de onda de ese color básico (ver figura)






Color en las cámaras digitales 2




  • La unión de los diferentes filtros para cada píxel es lo que en inglés se llama CFA (Color Filter Array). El más común de todos ellos es el Filtro Bayer

  • El filtro Bayer tiene dos píxeles verdes por cada píxel rojo y azul. Se diseñó de esta manera debido a que el ojo humano tiene mayor sensibilidad en la zona del verde

  • Debido a que filtros de color absorben parte de la luz que incide en él CCD, las cámaras digitales en color son siempre menos sensibles que sus análogas en blanco y negro


Digitalización

  • El conversor analógico/digital de una cámara digital CCD digitaliza las señales eléctricas (voltaje) que le llegan del CCD

  • Las características de digitalización de una cámara se expresan en bits, por ejemplo una cámara de 12 bits

  • Cuando se habla de bits, se está hablando del número de niveles de gris que es capaz de digitalizar una cámara. Por ejemplo una cámara de 8 bits significa que digitaliza con 28, es decir con 256 niveles de gris. Si una cámara es de 12 bits significa que digitaliza la imagen con 212, es decir con 4.096 niveles de gris

  • Si la cámara es en color y se dice que es una cámara de 36 bits, significa que tiene 12 bits de color por canal, es decir, la cámara digitaliza 4.096 niveles de gris para el canal rojo, para el canal verde y para el canal azul. Eso significa que la imagen puede tener en teoría 236 colores diferentes. Desde un punto de vista práctico, esto es demasiada información y lo que hace la cámara después de digitalizar a 36 bits es convertir esta imagen a 24 bits


 
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