Sensores CCD en Escáners y Cámaras Digitales

En casi todos los escáners de base plana, escáners de película fotográfica y cámaras digitales se aplican sensores CCD, o bien como líneas CCD, o bien como chips CCD. Se entiende mucho mejor al propio escáner o a la propia cámara digital estudiando brevemente la parte esencial. Los capítulos siguientes aportan una introducción detallada en la estructura y en la manera básica de funcionar de los elementos CCD.

Los primeros tres subcapítulos sobre semiconductores y el efecto fotográfico son muy teóricos e importantes sólo para los que quieren ver a fondo cómo es el interior de un elemento CCD. En capítulo sobre los conversores A/D es muy importante para mí, ya que explica la coherencia principal entre el conversor A/D y la profundidad del color indicada. Finalmente, los siguientes capítulos demuestran detalladamente cómo es la estructura de una línea CCD en un escáner o la de un chip CCD en una cámara digital.

Semiconductor - Elemento básico y Dopaje

Los semiconductores son materiales cuya conductibilidad se encuentra entre los metales de alta conductibilidad y los aislantes. Para influir acertadamente y/o controlar la conductibilidad de los semiconductores, estos son impurificados; en la terminología técnica se habla de Dopar. Durante el dopaje, los átomos ajenos de una valencia derivada son insertados en una firme estructura de cristal.

Un átomo consiste en un núcleo atómico sólido, en el cual se encuentran una cierta cantidad de protones de carga positiva y neutrones neutros y la capa atómica en la cual se encuentran tantos electrones de carga negativa como hay protones en el núcleo atómico. Debido a ello, un átomo es siempre neutro. Si en el texto siguiente se habla de los elementos silicio (Si), fósforo (P) y boro (B), siempre se trata de unos átomos de carga neutra, por lo tanto, ni iones negativos ni positivos. En el Sistema Periódico de los Elementos, el silicio se encuentra en el cuarto grupo, es decir, el silicio contiene 4 electrones en su capa electrónica más exterior. El fósforo se encuentra en el quinto grupo, por lo tanto, contiene 5 electrones en su capa más exterior; y el boro se encuentra en el tercer grupo, por lo tanto es un elemento con 3 electrones en la capa exterior.

La base de muchos semiconductores está formada por silicio. En un cristal de silicio domina una firme estructura de átomos de silicio individuales. Cada átomo contiene 4 electrones en su capa electrónica exterior, que se denominan como Electrones Valencia. En cada lado de un átomo (hablando visualmente), se conecta un electron valencia con el electron correspondiente del elemento vecino y entra con este en una fija conexión de electones. De esta manera, cada átomo forma 4 conexiones fijas de electrones con su átomo vecino.

n-Dopaje

Si se impurifica un cristal de silicio con un elemento pentavalente como el fósforo, el atómo de fósforo se puede integrar fácilmente en la estructura silicio-cristalina. Pero un átomo tiene 5 electrones valencia, de los cuales sólo 4 pueden entrar en una conexión fija de electrones. Por lo tanto, sobra un electron que, - dicho vulgarmente - va girando desconcertadamente porque no encuentra ninguna pareja.

El átomo de fósforo que ha sido apretado dentro del cristal de silicio, forma, por lo tanto, una especie de imperfección (impurificación)con un electron restante. Esta imperfección de fósforo se denomina Átomo Donador, por lo tanto, procura entregar un electron. El semiconductor dopado negativamente se llama n-Semiconductor. En la práctica, la estructura es según lo siguiente: por ejemplo, por cada millón de átomos de silicio hay un átomo de fósforo por lo cual la impurificación del silicio por el fósforo es muy débil.

p-Dopaje

En un p-dopaje, se impurifica un cristal de silicio por un elemento trivalente como el boro. Un átomo de boro contiene tres electrones en su trayectoria exterior de electrones, pero necesita en realidad 4 electrones para poder entrar en una conexión fija de electrones con sus 4 elementos vecinos. Otra vez, dicho vulagarmente, ahora, los tres electrones del elemento boro luchan por la preferencia de los cuatro electrones pareja de los átomos de silicio. En el lugar donde falta el electron queda un hueco.

A consecuencia de este hueco de electron, este cristal impurificado se llama p-semiconductor. Los huecos de electrones procuran recibir un electron para así volver a la neutralidad. Por esta razón, los imperfectos de boro también se llaman Receptores.

Semiconductor - Transición p/n y Rectificador

Qué sucede si se conecta un semiconductor p-dopado con un semiconductor n-dopado y/o si se dopa una mitad del cristal de silicio con fósforo y la otra mitad con boro, por lo tanto, se genera una transición p/n? En un semiconductor n-dopado se encuentran unos electrones excesivos; en el semiconductor p-dotado hay unos (de carga positiva) huecos de electrones. Como cada uno de los átomos siempre aspira rellenar su capa exterior con 4 electrones, los electrones excesivos de la capa-n migran hacia los huecos de electrones de la capa-p. Por eso se habla de una Migración de Electrones, por poco tiempo corre una débil corriente.

Si ahora el n-semiconductor entrega electrones al p-semiconductor, ciertamente, el total de electrones de cada una de las conexiones de átomos es igual en ambas partes, pero al total del cristal-n le faltan electrones y el cristal p-dopado tiene, en total, demasiados electrones. De esta forma, el n-semiconductor se carga positivamente mientras el p-semiconductor se carga negativamente.

Qué sucede entonces? Por un lado, los electrones excesivos del n-semiconductor son atraidos por los imperfectos de carga positiva del p-semiconductor. Por otro lado, el p-semiconductor, cargado negativamente, rechaza los electrones, ya que, como se sabe, un elemento negativo no armoniza con otro elemento negativo. Con esto, la migración de los electrones se paraliza. En el punto de contacto de la capa p y la capa n, se forma una Capa Límite, y así se genera un equilibrio.

El croquis visualiza la formación de la capa límite. Algunos electrones excesivos migraron de la capa dopada negativamente (izquierda) a los huecos de electrones de la capa dopada positivamente (derecha),(electrones de fósforo azules en los elementos de boro rojos). En la capa límite se forma una limpia estructura atómica, en la cual cada átomo entra en 4 conexiones fijas de átomo con sus átomos vecinos. A la izquiereda de la capa límite se ven los átomos imperfectos de fósforo con los electrones excesivos y a la derecha de la capa límite se encuentran más átomos de boro con huecos de electrones inocupados. Como la capa izquierda se ha cargado positivamente debido a los electrones entregados en la capa límite y la capa de la derecha se ha cargado negativamente debido a los huecos de electrones entregados en la capa límite, los electrones libres de la capa izquierda no logran el salto por encima de la capa límite. Esto representa el estado de equilibrio en el cual la migración de los electrones se ha paralizado.

Generar un voltaje

Qué sucede si en una transmisión p-n, en la cual ya se ha formado una capa límite, se genera un voltaje? Colocando el polo positivo en el n-semiconductor cargado positivamente y en el p-semiconductor cargado negativamente el polo negativo de la fuente de corriente, los electrones excesivos del semicondutor n-dopado migran por la fuente de corriente hacia los huecos de electrones del semiconductor p-dotado. De esta manera, la capa límite se amplifica y la electricidad corre por el cristal de silicio.

Si, al contrario, se coloca a la izquierda el polo negativo y a la derecha el polo positivo de la fuente de corriente, la capa n-dopada obtiene incontables electrones de la fuente de corriente y se extraen los electrones de la capa p-dopada, de forma que a la izquierda hay más electrones excesivos y a la izquierda hay más huecos de electrones. De este modo, la capa aislante desaparece completamente de forma que corre la electricidad. Por lo tanto, la transmisión p/n funciona como un Rectificador (Diodo), que permite que corra la corriente en una dirección y bloquea el flujo de esta en la dirección contrarea.

Otra observación: el dopaje del cristal de silicio con átomos de fósforo y de boro sólo esta representado en el croquis de arriba de forma esquemática respecto a la cantidad. Para cumplir con la práctica tendría que dibujar millones de átomos de silicio que han sido impurificados con un solo átomo de fósforo o de boro.

El Efecto Foto-Eléctrico

En un diodo de foto se usa el efecto fotográfico de la capa aislante para convertir la luz en energía eléctrica. En el lado que está de cara a la luz se encuentra una capa n-dopada sumamente fina, y debajo una capa p-dotada y considerablemente más gruesa. Entre estas dos capas se forma, como ya explicado arriba, una capa límite. La capa del n-semiconductor es tan fina que la luz entrante cae justamente en la capa límite.

Con su energía, el rayo de luz ahora consigue eliminar un electron de la capa límite. Como la capa p-dopada se ha cargado negativamente por la formación de la capa límite (vease arriba), rechaza el electron y este migra en la capa n-dopada y cargada positivamente. Cuanto más luz entre en la capa límite, más electrones son expulsados de esta y recoleccionados en la capa n-dopada. Si se conecta la n-capa con la p-capa, corre la corriente, es decir, los electrones migran de la n-capa por el circuito eléctrico hacia la p-capa. Por lo tanto, la luz se convierte en corriente eléctrica.

Cómo consigue un rayo de luz expulsar los electrones de una sólida capa de un átomo? Según Max Planck, si la luz se interpreta como un grupo de Fotones individuales, un fotón tiene la energía E = h • f, en la cual h es la constante universal de Planck. Según la ley de la conservación de la energía, esta energía debe ser suficiente para, por un lado, cumplir con la función de trabajo necesaria y aportarle al átomo una cierta energía cinética para su trayectoria posterior.

La equación de arriba explica que la energía de un fotón sólo depende de la frecuencia, es decir, del color de la luz. La cantidad de los electrones expulsados depende de la intensidad de la luz.

Conversor A/D: Desde la Luz por la Corriente hasta el Pixel Digital

En el capítulo anterior hemos aprendido que una fotocélula convierte la luz en energía eléctrica. Expresándolo de una forma más simple se puede decir que en caso de oscuridad, la corriente no corre y en caso de iluminación corre una corriente muy intensa. Entre esto hay muchas graduaciones. En los croquis siguientes, la intensidad de la corriente ha sido señalizada por medio de la luminosidad. Para el fácil entendimiento he utilizado una simple gama de matices de gris desde el color negro por distintos matices de gris hasta el blanco. En el próximo capítulo entrarán los colores en juego.

En mis dibujos he supuesto que la intensidad de la corriente aumenta de forma lineal con la luminosidad. Esto no tiene porqué ser así, pues la línea recta podría ser, en la realidad, una línea complicada y deforme, pero para la explicación siguiente, esto no tiene relevancia.

Por lo tanto, después de que la luz haya sido convertida en corriente eléctrica, cómo se llega a una información digital de imagen? Ahora, se aplica un Conversor A/D (Conversor análogo/digital), que convierte la corriente analógica en una señal digital. Ahora ha llegado el momento de introducir la Profundidad del Color, un término que se usa muy frecuentemente en el digital imaging. Un conversor A/D trabaja con una cierta anchura de bit, es decir, una cantidad de bits que indica la cantidad de los valores registrados.

En caso de un conversor A/D de 3 bits se pueden generar de una señal analógica de corriente 2³=8 matizaciones, en caso de un conversor A/D de 4 bits respectivamente 2⁴=16. Estos dos casos están representados en los croquis de arriba. Mientras un rayo de luz y también la señal analógica de corriente pueden tener infinitas matizaciones del valor tonal, después de la conversión A/D sólo queda una cantidad finita de matizaciones que se calculan de la anchura de bits del conversor A/D.

Con esto queda claro que, cuanto más bits tenga el conversor A/D disponibles, más matizaciones de color se obtienen. Según esto, un escáner de película fotográfica con un conversor A/D de 36 bits (12 bits por canal de color), teóricamente puede diferenciar 4096 valores tonales por cada canal de color, en caso de un conversor A/D con 48 bits (16 bits por canal), este número aumenta a ser 65.536. La anchura de bits del conversor A/D, en los escáners de película fotográfica, se indican como Profundidad del Color. Por lo tanto, indica la cantidad máxima teórica de matices de color que se pueden generar con el conversor A/D integrado. Pero esto tiene muy poco que ver con los colores reales. Este punto es tan importante para mí que quiero destacarlo especialmente:

La mayoría de veces, la indicación de la profundidad del color en el caso de los escáners de película fotográfica es relativa a la anchura de bits del conversor A/D integrado. No indica la cantidad de los colores que se pueden generar verdaderamente sino sólo da un valor teórico que se calcula de la anchura de bits del conversor A/D.

Con esto, también queda claro que el conversor A/D y/o la electrónica completa de la cámara digital o del escáner de película fotográfica tiene un papel decisivo. El conversor A/D no sólo tiene que escanear la señal analógica en pasos muy cortos sino también precisos. La elaboración de las señales tiene una influencia decisiva en la calidad de la foto.

Los Sistemas del Filtro Cromático

Ahora, el color entra en juego. Hemos aprendido en el capítulo anterior cómo un conversor A/D genera en la zona de blanco y negro unos valores digitales de la luz y/o de la señal de la corriente. Ahora, una fotocélula claro que no reconoce los colores, pues es prácticamente "daltónica". Entonces, cómo se consigue fraccionar la luz entrante según el Modelo De Color Aditivo en sus colores elementales rojo, verde y azul?

La solución es muy sencilla: se ajustan los filtros de color delante de la fotocélula, uno para el color rojo, otro para el verde y otro para el color azul. Pero durante la realización técnica, siempre sólo se puede colocar un solo filtro delante del elemento fotográfico.

En los escáners de proceso de tres pasos, la imagen se escanea tres veces; durante este proceso, se aplica un elemento diferente delante de los elementos CCD en cada paso (vease el croquis izquierdo del dibujo). Este procedimiento ciertamente se puede realizar a un costo bajo, pero a cambio es muy lento e imperfecto, ya que el motor de avance de un escáner no puede coordinar al 100% estos tres pasos; por lo cual resultan unos desplazamientos del color de aspecto inestético.

En los Escáners con un sistema de un solo paso, para cada pixel se aplican tres elementos CCD a la misma vez (vease el croquis a la derecha del dibujo de arriba). Cada elemento CCD tiene un filtro de color delante fijo y no desplazable (rojo, verde o azul). Claro que un sensor semejante es costoso en la producción, pero la ventaja principal es la velocidad del escaneo.

Las líneas CCD de los escáners

En el capítulo anterior ya se tematizó la diferencia entre un escáner con un sistema de tres pasos y un escáner con un sistema de un solo paso. Los escáners de sistema de tres pasos, en realidad, ya pertenecen al pasado. Los escáners modernos y los escáners de película fotográfica trabajan todos con el sistema de un solo paso.

La línea CCD de un escáner, en realidad está compuesta por tres líneas con un filtro de color distinto cada una (rojo, verde y azul). Según esto, para cada pixel hay tres elementos CCD, cada uno con un filtro de color rojo, verde y azul colocado delante. La cantidad de los elementos CCD yuxtapuestos en la línea sensor, es finalmente la que determina la resolución óptica del escáner. Pero aquí, la anchura de la imagen también tiene un papel importante.

Supongamos que en nuestra línea CCD hay 4000 células individuales yuxtapuestas, entonces, el escáner puede generar 4000 pixels por línea. En un escáner de imagen pequeña, una línea con un ancho de 2,5 cm es suficiente, lo que corresponde más o menos a la anchura de una imagen pequeña. Como 2,5 cms corresponden aproximadamente a una pulgada, esta línea CCD genera, por lo tanto, un escaneo con aproximadamente 4000 dpi. Esto equivale a la Resolución Óptica del escáner.

La resolución en dirección horizontal resulta del tiro de paso del motor de arrastre que mueve la línea sensor un pequeño paso hacia adelante después de cada escaneo de una línea. En el caso de los escáners de base plana, es muy popular indicar la resolución en valores como 3000 x 6000 dpi. Aquí, el primer valor significa la resolución óptica mientras el segundo valor representa el tiro de paso del motor de arrastre. Pero sólo el primer valor es decisivo, ya que, en un escaneo con 6000 dpi ya se tiene que interpolarizar.

La resolución óptica de un escáner resulta del número de los elementos en la línea CCD y del ancho de la imagen.

La línea CCD, por cierto, no tiene porque ser del mismo ancho que la imagen. La línea CCD con 4000 elementos descrita arriba, en su formato compacto (2,5 cm), también puede ser aplicada en un escáner de base plana que escanea imágenes de un ancho hasta 20 cm. Estonces, un sistema óptico de lentes proyecta la imagen de un ancho de 20 cm a los 2,5 cm del sensor. Entonces, la resolución se disminuye por el factor 8 a 500 dpi.

Al revés, naturalmente, un sensor CCD de un ancho de 20 cm se puede aplicar en un escáner de base plana que escanea las imágenes de un ancho de 20 cm (aproximadamente DIN A4) con 600 dpi y junto con una unidad de transparencias también se puede aplicar para una película de imagen pequeña si el ancho de la imagen de 2,5 cm se proyecta al ancho de 20 cm de la línea CCD. Con esto, la resolución aumenta a 4800 dpi. Es obvio que con este tipo de proyecciones disminuye la calidad.

Chip CCD en Cámaras Digitales

Dónde está la diferencia principal entre un escáner de película fotográfica y una cámara digital? El hecho que en un escáner de película fotográfica la imagen ya existe, no efectua ninguna diferencia esencial en la óptica frente a una imagen de foto libre hecha en la naturaleza. La diferencia principal entre los dos sistemas consiste en que, en el caso de un escáner de película fotográfica, la imagen es escaneada tranquilamente, línea por línea, mientras en el caso de las cámaras digitales con un periodo de exposición muy corto se hace una foto instantánea de toda la imagen en una vez.

Para digitalizar una foto pequeña del tamaño de 24 x 36 mm, en el caso de un escáner de película fotográfica como descrito en el capítulo anterior, una línea sensor de un ancho de 2,5 cm con 4000 elementos es suficiente, junto con un motor de arrastre respectivamente exacto. Así, de una imagen pequeña resultan más o menos 4000 x 6000 pixels, por lo tanto, más de 20 megapixels. El procedimiento del escáner, que es línea por línea, dura, dependiendo del tipo del escáner, entre media hora y unos minutos.

Para crear en una cámara digital una imagen completa en un tiempo de exposición de 1/60 segundos, no se puede aplicar ninguna línea CCD con un motor de arrastre sino sólo un chip CCD, en el cual hay, para todos los pixels de la imagen, unos sensores de elemento propios. Por lo tanto, un chip CCD consiste en una matriz de elementos sensor, cuya cantidad resulta en la resolución de la cámara. Ahora, algunas personas tendrán la imagen exacta de un chip CCD en la mente, copiando varias veces seguidas la línea CCD expuesta en el capítulo anterior. Pero no es así, porue ahora, las peculiaridades de las cámaras digitales entran en el juego.

En un CCD chip de una cámara digital no se encuentra un tercio de cada uno de los elementos CCD rojos, verdes y azules alternando línea por línea. Los elementos del filtro rojos, verdes y azules están colocados en casillas y la cantidad de los elementos verdes es del 50%, mientras la cantidad de los elementos rojos y azules sólo es de 25%. Esta distribución desigual se debe a la capacidad de la percepción de color del ojo humano. Ahora hemos llegado a una gran paradoja de las cámaras digitales respecto a su resolución. Como ejemplo vamos a coger una cámara digital con 4 milliones de pixels.

En los capítulos anteriores hemos aprendido que para generar 4 millones de pixels se necesitan un total de 12 millones de elementos de sensor, por lo tanto 4 millones con cada filtro de color rojo, verde y azul. Pero en el chip CCD de una cámara digital sólo se encuentran 4 millones de elementos de sensor, de estos, 1 millón son rojos, 1 millón son azules y dos millones son verdes. Para el procesador de una cámara digital, esta división y la distribución desigual de los distintos colores no es ningúm problema, pues de ello genera una imagen limpia. Pero para el usuario, esta distribución de colores significa que en realidad no está tomando una foto auténtica de 4 megapixels sino, en un principio, sólo capta 1,33 millones de valores de color trivalentes, que son convertidos en 4 millones de pixels por medio de la interpolarización. Para mí es importante recordar esto especialmente:

En el caso de una cámara digital, el número de los megapixels significa el número de los elementos CCD, cada uno con un filtro de color delante. Por lo tanto, la resolución verdadera, comparada con los escáners de película fotográfica, se encuentra un factor 3 debajo.

Sensor Foveon

En los sensores Foveon, las tres capas de color estan superpuestas; cada una está sensibilizada para un rango de longitud de onda de la luz determinado. Por esto, en el caso de un chip Faveon, se genera una imagen sin ninguna calculación interpolaria, ya que por cada pixel de color se miden tres valores de color. Por lo tanto, un chip Faveon con 3 megapixels genera 3 millones de pixel auténticos, por lo cual a los fabricantes de las cámaras digitales con el chip Faveon les gusta indicar la resolución total analógicamente frente a las resoluciones irreales de la competencia con 3 x 3 megapixels.

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