O Fotodiodo e o Armazenamento de Imagens em uma Câmera Digital

Já se perguntou como funciona o processo de captura e armazenamento de uma imagem em uma câmera digital fotográfica? Como será que podemos armazenar toda a informação visual de um momento em uma única imagem, ou seja, de que forma “guardamos” a luz? Essas dúvidas serão respondidas neste texto simples e prático que explica o funcionamento de captura de imagens em uma câmera digital.

 

Bom… primeiramente começamos com a luz.

 

A luz é uma onda eletromagnética caracterizada por comprimento de onda. Essa radiação eletromagnética é quantizada e, por isso, podemos interpretá-la como pacotes de energia chamados quantas ou fótons, partículas fundamentais formadoras da luz.

Cada cor que observamos do espectro visível possui uma frequência e comprimento de onda bem definidos.

Uma característica do espectro visível que será muito importante para a detecção de imagens é a seguinte: podemos formar todas as cores do espectro com a mistura das cores azul, verde e vermelho.

Abaixo temos um diagrama mais detalhado com o comprimento de onda de cada cor:

Figura 1. Comprimento de onda de cada cor dentro do espectro visível.

Agora que sabemos o que é a luz e como diferenciá-la, o que podemos usar para medir a sua intensidade?

 

Lembra do semicondutor abordado no segundo texto do blog? Recomendamos muito a leitura do texto que fizemos sobre o assunto, com imagens super explicativas!

Mas, se não lembra, aqui vai um resuminho: o semicondutor é, basicamente, um material que não é condutor nem isolante. Ele está entre estes dois citados. Além disso, é um material que pode ser modificado de forma a torná-lo mais condutor. Uma forma de fazer com que este semicondutor se torne mais condutor, ou seja, conduza mais eletricidade, é fazer com que ele tenha mais elétrons disponíveis para serem conduzidos.

Mas como podemos fazer o semicondutor ter mais elétrons para conduzir ?

Dê uma conferida na postagem passada.

Lembra que queríamos medir a intensidade da luz ?

Podemos determinar a intensidade da luz com o uso da junção p-n, também descrita no texto anterior.

Sabendo que a região de depleção possui uma barreira de potencial que impede elétrons de se transportarem dentro do semicondutor, podemos incidir luz sobre essa região e, através do efeito fotoelétrico, fazer com que os elétrons da banda de valência dentro da região de depleção ganhem energia suficiente para passarem para a banda de condução e, então, serem transportados pelo campo elétrico gerado pela barreira de potencial. Essa mobilidade de cargas através da região de depleção gera uma diferença de potencial nas extremidades do semicondutor. Um dos métodos que podemos usar para saber a intensidade da luz que está excitando esses elétrons é a DDP (diferença de potencial). A esse método de operação com o qual detectamos a intensidade de luz  damos o nome de modo de operação fotovoltaico.

Outra forma de fazer essa detecção é polarizando o semicondutor com um campo elétrico contrário ao campo elétrico gerado pela barreira de potencial (polarização reversa) e medindo a resistência do semicondutor. Conforme incidimos luz e promovemos elétrons para a banda de condução, a resistência medida é alterada devido ao aumento de corrente e, assim, mais uma vez, podemos medir a intensidade de luz que está chegando ao semicondutor. A esse método de operação com o qual detectamos a intensidade de luz  damos o nome de modo de operação fotocondutivo.

Bom, já sabemos como a intensidade de luz pode ser detectada, mas como iremos diferenciar a variação de cor da luz ?

Simples! Podemos utilizar filtros capazes de deixar passar só determinado comprimento de onda – que neste momento você já sabe que é o mesmo que deixar passar só determinada cor – e então medir a intensidade da luz filtrada através dos métodos anteriores descritos.

Como sabemos que podemos formar qualquer cor do espectro visível a partir das cores azul, verde e vermelho, basta detectar a intensidade da luz com a utilização destes três filtros e, em seguida, sobrepor as intensidades de forma a gerar a cor da luz original.

Entretanto, queremos capturar uma imagem que está refletindo luz de uma infinidade de pontos e de diversas direções. Como podemos construir um equipamento, por exemplo, uma câmera, capaz de detectar todas estas fontes de luz ao mesmo tempo ?

Eis que entra o CCD (Charge-Coupled Device) – dispositivo de carga acoplada.

Figura 2. CCD (Charge-Coupled Device) – Dispositivo de carga acoplada.

O CCD é um dispositivo composto por milhões de fotodiodos acoplados em linhas. Essa configuração de fotodiodos é capaz de detectar a luz advinda de diversas fontes e direções. Vejamos o funcionamento do CCD a seguir.

Imagine que temos uma série de baldes em filas para detectar e contar toda a água que cai na área limitada por todos os baldes. Após a coleta da chuva pelos baldes, podemos, para a contagem da água de cada balde, colocar todos os baldes sobre esteiras e fazer com que eles derramem a água coletada em um balde que possui graduação em litros. O mesmo processo se repete para cada balde da esteira, até que a quantidade de água em todos os baldes tenha sido contada. Devemos esvaziar o balde com graduação a cada novo balde que chega da esteira. Esse processo é ilustrado na figura abaixo:

 

Figura 3. Esquema de captação e contagem da água por baldes.

 

É exatamente assim que funciona o CCD !

Porém agora os baldes são os fotodiodos, que recebem o nome de pixeis; os pingos de água são os fótons e o balde graduado é um conversor de sinal elétrico em digital.

 

Mas e a “esteira” ?

 

No CCD utiliza-se capacitores ao longo de uma fila, que atraem os elétrons gerados de capacitor para capacitor, em um processo de três etapas, até o conversor de sinal elétrico. Em cada etapa um capacitor é carregado enquanto os adjacentes são descarregados. Esse processo garante a minimização da perda do sinal elétrico ao longo do transporte. A figura abaixo representa o processo de transporte das cargas.

Figura 4. Processo de transporte de cargas em um CCD.

Basta, agora, deixar a luz de uma imagem que queremos armazenar incidir sobre o CCD por um breve período de tempo, a fim de receber toda a informação óptica que será convertida em sinal digital. Esse sinal digital detectado será processado no processador da câmera digital e, assim, podemos reconstruir a imagem inicial e guardá-la em um arquivo.

Interessante, não é ?

Continue acompanhando o nosso blog que eu te prometo que muitos outros assuntos interessantes ainda estão por vir.

Até a próxima, galerinha !

 


Rezende, Sergio Machado. Materiais e dispositivos eletrônicos. Editora Livraria da Física, 2004.

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4715-art1181

https://www.tecmundo.com.br/fotografia-e-design/23626-video-explica-como-funciona-o-sensor-ccd-das-cameras-digitais.htm

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6912-como-funcionam-os-sensores-de-imagem-ccd-art1038

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