Ingeniería Óptica. Tema 4: Detección de luz. Detección de luz Detectores térmicos Detectores fotónicos Detectores de imagen

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1 Tema 4: Detección de luz Detección de luz Detectores térmicos Detectores fotónicos Detectores de imagen 1

2 Detección de luz 2 Hasta el momento se ha estudiado la naturaleza de la luz, su interacción con la materia y las fuentes de luz. Para finalizar el estudio de los componentes mínimos que debería tener un sistema de ingeniería óptica hace falta estudiar la detección óptica, esto es, la conversión de la potencia óptica a una señal eléctrica. Los tipos de detectores ópticos que vamos a estudiar son dos: Detectores térmicos: termoeléctricos bolómetros piroeléctricos Detectores fotónicos: fotocélulas de vacío fotomultiplicadores fotoconductivos Fotodiodos Finalizaremos el estudio con un análisis de los detectores de imagen

3 Parámetros importantes 3 Responsividad: es el cociente entre la salida eléctrica de un detector (medida en amperios o voltios) sometido a una potencia óptica determinada (medida en vatios). Se suele dar en A/W. La responsividad es función de la longitud de onda en general, aunque veremos que no es así para detectores térmicos. Eficiencia cuántica (sólo fotodetectores): Mide la eficiencia del detector en el sentido de que nos da el número de electrones generados por cada fotón que llega. Las mejores eficiencias están entorno al 80% Tiempo de respuesta: cuando enviamos una onda cuadrada de luz al detector él no responderá de forma general con una señal cuadrada sino que la respuesta la impulso de un detector (y de toda la circuitería posterior) es exponencial. Ante picos más pequeños temporalmente que el tiempo de respuesta, se perderá señal en el receptor. Ruido: Los detectores siempre introducen algo de ruido cuando detectan las señales. Este ruido puede ser debido a la propia generación de corrientes por el dispositivo detector (ruido de oscuridad) aunque la presencia de luz también da lugar a ruido en el detector (ruido shot)

4 Detectores térmicos 4 En estos detectores la absorción de luz da lugar a un aumento de la temperatura, y lo que se mide realmente es la variación de algún parámetro que dependa de la temperatura para obtener información de la potencia óptica recibida. Por lo tanto la salida de un detector térmico es directamente proporcional a la energía absorbida por unidad de tiempo independientemente de su longitud de onda. Veremos posteriormente que en detectores fotónicos no es así. Sensor: suele ser una tira metálica recubierta de oro (da buena absorción desde UV a IR) Sumidero de calor T s T s +ΔT: Es este ΔT el que provoca cambios en algún parámetro que dependa de T Contacto térmico Para que la sensibilidad y el tiempo de respuesta sean adecuados el elemento sensor debe ser bastante pequeño. La mínima potencia que se puede medir está en el rango de los 50 pw. Los tiempos de respuesta son del orden de ms.

5 Detectores térmicos 5 Detectores termoeléctricos: se basan en termopares sometidos a radiación luminosa. El termopar está formado por una unión entre dos metales de forma que cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos fluye una corriente eléctrica proporcional a la diferencia de Tª entre los metales. Necesitan una referencia. Bolómetro: se basa en el cambio de resistencia de un material (generalmente metálico, platino o níquel) al ser calentado. Para medir el cambio de resistencia se utiliza generalmente un puente de Wheatstone. No sirve para medir altas intensidades. Unión fría I sensor Unión caliente sensor I

6 Detectores piroeléctricos 6 P T C T Son detectores relativamente nuevos que pueden ser fabricados de forma compacta, son muy robustos y pueden soportar tiempos de medida relativamente cortos. Se basan en un efecto que se manifiesta sobre materiales ferroeléctricos, para el cual la polarización en ese material disminuye con la temperatura, hasta una temperatura denominada de Curie por debajo de la cual la polarización es cero. Si el ferroeléctrico se calienta, varía la polarización (número de dipolos por u. de vol.) y por tanto la carga que se deposita en dos electrodos. Este desplazamiento de carga da lugar a una intensidad eléctrica que se puede medir Sus tiempos de respuesta son del orden del ms y se utilizan sobre todo en sensores de presencia o de fuego.

7 Detectores piroeléctricos 7

8 Detectores piroeléctricos 8 Barrido lateral Barrido vertical

9 Detectores fotónicos 9 El efecto de detección fotónica se basa en la interacción partícula-partícula entre fotones y electrones del material detector, donde el fotón cede su energía a un electrón que posteriormente debe ser acelerado mediante un campo eléctrico para dar lugar a una corriente eléctrica. Por el hecho de ser interacciones fotón-electrón, la responsividad de los detectores fotónicos es fuertemente dependiente de la longitud de onda: una determinada potencia óptica lleva más o menos fotones dependiendo de su frecuencia (o longitud de onda). Esto hace que la responsividad crezca según crece la longitud de onda (menos frecuencia->menos energía por fotón-> más fotones por watio). Dicha responsividad no crece indefinidamente, ya que suele llegar un momento en que la energía por fotón es tan pequeña que dicho fotón es incapaz de excitar un electrón, de cederle su energía. Se llega así a su longitud de onda de corte.

10 Responsividad de detectores fotónicos 10

11 Fotocélulas de vacío 11 En determinados materiales, la energía de los fotones es suficiente para arrancar los electrones del material: con ellos hacemos lo que denominamos detectores fotoemisivos. Dado que los procesos se realizan partícula a partícula, siempre que el fotón tenga una energía igual o mayor a la energía de extracción se generarán fotoelectrones. En la fotocélula de vacío, el material es generalmente Cesio, cuya energía de extracción es pequeña. La corriente foto-generada es generalmente muy pequeña, por lo que si se quiere aumentar la corriente debe amplificarse la señal de alguna forma. Un de ellas es llenar el tubo de Argon, lo que aumenta la señal unas 10 veces. Otra forma es usar un fotomultiplicador.

12 Fotomultiplicador 12 En los fotomultiplicadores los fotoelectrones generados son acelerados hacia otros electrodos llamados dínodos los cuales son capaces de generar nuevos electrones debido al impacto del electrón acelerado. Cada electrón genera electrones secundarios por impacto que aumentan la corriente. Si aparecen δ electrones secundarios por cada impacto y tengo N dínodos, la ganancia es de G = δ N. Si δ = 5 y N = 9 la ganancia es de Los fotomultiplicadores se utilizan en aplicaciones que precisan mucha sensibilidad, pero tienen que estar muy protegidos para evitar ruido ambiente. Se necesitan fuentes de voltaje del orden de kv. Esto hace que sólo se puedan emplear en montajes fijos.

13 13 Detectores fotoconductivos A diferencia de un aislante o un metal, los semiconductores presentan a temperatura ambiente un número de electrones libres, de forma que pueden conducir la corriente eléctrica. Pero el número de e- libres es pequeño, por lo que la resistencia que presentan es elevada. hν Par electrón-hueco Ahora bien, cuando un fotón llega a un material semiconductor es capaz de cederle su energía para generar un nuevo par electrón hueco: es decir, es capaz de aumentar el número de electrones libres y, por tanto, reducir su conductividad. En esto se basan los detectores fotoconductivos. Materiales: Sulfuro de Cadmio Seleniuro de Cadmio

14 Fotodiodos 14 Los fotodiodos son uniones p-n en las cuales por el hecho de absorberse fotones se generan corrientes en inversa proporcionales a los fotones absorbidos. Son los detectores más utilizados. Sus tiempos de respuesta son rápidos y tienen elevadas eficiencias cuánticas. Se estudiarán en detalle en la asignatura de Comunicaciones Ópticas.

15 Fotodiodos: materiales 15 Silicio InGaAs El fotodiodo de silicio es el detector preferido para la medida de cualquier señal óptica en el visible e infrarrojo cercano. Para infrarrojo lejano, ver trans En el caso de las comunicaciones ópticas, el que se usa es el de InGaAs.

16 Detectores de imagen 16 La misión de los instrumentos ópticos es generalmente formar una imagen, que posteriormente puede ser observada por el ojo o registrada en un sensor de imagen. Estos sensores de imagen pueden ser muy variados y los podemos dividir en: Cámaras fotográficas Tubos de imagen Cámaras de video CCD Cámaras de fotos digitales Intensificadores de imagen Todos estos sistemas tienen la misma estructura: un objetivo a la entrada forma la imagen sobre un soporte que generalmente es plano y que bien es una película fotográfica o bien un sensor electrónico. La parte óptica importante en un detector de imagen es el objetivo, que en general está formado por un número elevado de lentes y ha de tener una esmerada corrección de aberraciones (aunque depende mucho de la aplicación y de la calidad final que se quiere obtener).

17 Objetivo: formación de imágenes 17 A pesar de que los objetivos formadores de imagen tienen estructuras parecidas a la que se muestra a la izquierda, para obtener algún dato vamos a sustituir el objetivo por una lente delgada (sabemos que, en cualquier caso, el objetivo se podrá sustituir por un par de planos principales) w f d Rayos que vienen del infinito focalizan en el plano focal, cerca del cual se va a colocar el plano de imagen, típicamente una película fotográfica o un sensor digital. Si el objetivo tiene una focal f y el sensor unas dimensiones 2d, el campo de visión 2w que tiene es: tan! = Para un mismo tamaño de sensor, mayores focales implican ángulos de cobertura más pequeños y viceversa. Asimismo, para sensores más pequeños se deberán tener lentes de focales más pequeñas para soportar el mismo campo de visión. d f

18 Objetivos: focales 18 24mm 17mm: Gran angular 36mm En película fotográfica las dimensiones estándar son de 24x36 mm. Con este tamaño de objetivo, las focales que presentan determinados ángulos de cobertura son como las mostradas a la derecha. El objetivo de 50mm tiene un ángulo de cobertura que se asemeja bastante al de nuestro ojo por lo que se denomina normal (en realidad, el ángulo de cobertura del ojo es bastante más grande, pero la apariencia de las cosas, su perspectiva, es muy similar a la que vemos con el ojo). Las focales más pequeñas se llaman angulares (ven más zona que nuestro ojo, alejan la imagen) y las focales mayores son teleobjetivos (toman una pequeña zona de nuestro campo de visión, acercan la imagen). 35mm: angular 50mm: normal 200mm: teleobjetivo

19 19 Focal y perspectiva Evidentemente, no es lo mismo acercarse con un angular para cubrir el mismo campo que un teleobjetivo: la perspectiva cambia. Hay que tener también en cuenta que las focales cambian cuando cambia el tamaño del sensor: eso hace que sea más difícil obtener ángulos de cobertura mayores cuando los sensores son más pequeños ya que las focales deben ser extremadamente pequeñas.

20 Formar imágenes: enfocar 20 Si ponemos el sensor de imagen para que forme la imagen del infinito justo en el plano focal, siempre que queramos formar imagen de algo que está más cerca debemos mover o bien la lente o bien el plano del sensor: debemos enfocar. No obstante tendremos una pequeña capacidad de no estar justo en el lugar adecuado: es la profundidad de foco. Para evaluarla hay que tener en cuenta dos cosas: el círculo de mínima confusión y el diafragma que vamos a utilizar.

21 Círculo de mínima confusión y diafragma 21 El círculo de mínima confusión es aquel que aun no siendo un punto es indistinguible de éste para el sistema óptico. Por ejemplo, si el sensor es digital con un píxel de 20x20 micras, 20 micras es el máximo diámetro que podemos permitir al círculo para que sea indistinguible de un punto perfecto. A e en la figura le llamamos profundidad de foco. El tamaño de ese círculo depende tanto de la focal (a mayor focal, menor círculo) como del diafragma. El diafragma es un elemento que se utiliza en todos los sistemas formadores de imágenes para restringir la entrada de luz al sistema. Al afectar al círculo de mínima confusión el diafragma también se usa para controlar la profundidad de foco o la profundidad de campo.

22 Profundidad de foco y de campo 22 La única diferencia entre profundidad de foco y de campo estriba en qué es lo que queremos que no varíe. En el caso de la profundidad de campo, se supone el sensor no varía y se ve qué elementos por delante y por detrás del objeto enfocado quedan asimismo enfocados. En la profundidad de foco es al contrario.

23 23 Tipos de sensores de imagen: película Color B&N Diapositiva Las películas están formadas por un conjunto de microcristales de BrAg y IAg suspendidos en una gelatina especial que se deposita sobre un acetato (dimensiones: de 0.1 a 100 micras). Cuando la luz incide sobre estos cristales excita de alguna forma las moléculas de manera que al someterlas a procesos químicos (revelado) cambian de tonalidad.

24 Tubos de imagen: orthicon 24 Tras la aparición de la fotografía y el cine, en la primera mitad del s.xx aparece la necesidad de transportar imágenes en formato electrónico cuya salida fuese además compatible con el CRT. El primer tubo ideado fue el orthicon, utilizado desde 1940 hasta los 60 s. Se basa en un fotocátodo que traslada una imagen luminosa a una imagen de electrones sobre una pantalla. Un haz de electrones barre desde el otro lado dicha pantalla y estudia los electrones rebotados (cuanta más luz->más electrones->más rebota). El hecho de que el haz barra la pantalla no es casual: así es compatible con los receptores de TV. Su principal problema: necesita alta tensión (~600V).

25 Tubos de imagen: el vidicón 25 El vidicón tiene una gran ventaja sobre el orthicon: no precisa de grandes voltajes y se basa en un material fotoconductivo, esto es, que su resistencia varía con la luz que llega. El haz de electrones sigue barriendo la pantalla y el cátodo está conectado a tierra. R 50 volts Video Circuito equivalente R V(t) Rs(t) Después del vidicón apareció el plumbicón, cuya ventaja sobre el vidicón es el menor ruido de fondo. Se siguen utilizando en la actualidad.

26 Detectores CCD 26 Hoy en día, no obstante, se utilizan masivamente sensores de imagen que no están basados en haces de electrones barriendo pantallas sino en matrices de detectores ópticos en cuya base está el condensador CMOS. Está formado por una capa metálica transparente (rojo) depositada sobre una capa de SiO2 (azul), y esta a su vez colocada sobre un substrato de silicio dopado p. Al llegar fotones al condensador, si éste está a potencial positivo, se generan fotoelectrones que quedan atrapados en un pozo de potencial ya que a los dos lados otros condensadores están colocados a potencial negativo: los fotoelectrones se acumulan en una región definida, más electrones cuantos más fotones lleguen. El problema consiste en sacar la información de estos condensadores, ya que forman parte de una matriz de detectores

27 Detectores CCD Utilizando señales de reloj somos capaces de ir moviendo las cargas mediante un cambio de voltajes positivos y negativos en los condensadores, de forma que la carga se transfiere de un condensador al de al lado, y así sucesivamente. De hecho en un CCD se saca la información por líneas. 27

28 Detectores CCD 28 CCD son las siglas de Charge Coupled Device (dispositivo de carga acoplada) y hace referencia a una matriz de detectores como los que hemos descrito. Típicamente esos detectores son todos en color, por lo que los píxeles suelen llevar un pequeño filtro en la parte superior de forma que sólo permite pasar luz del rojo, verde o azul. Posteriormente, el software se encargará de obtener un color por píxel mediante algoritmos de interpolación.

29 Detectores CCD Finalmente, hay varias técnicas para sacar la imagen completa. Hay que llegar a un compromiso, ya que en la arquitectura 1 la imagen se saca muy poco a poco (cada ciclo de reloj lleva una línea hacia abajo y luego hay que extraer la línea completa). Para hacerlo más rápido hay dos soluciones. En la arquitectura 2 todo la matriz se descarga de una vez a una matriz igual, pero tapada. 29 La arquitectura 3 es la más rápida, pues en un único ciclo de reloj se transfiere toda la matriz. La desventaja es que no puede tener tanta resolución pues se necesita espacio para las máscaras entre líneas.

30 Utilización de CCD s 30 Cámara digital Cámara de video Cámaras de video profesional (3CCDs) Imágenes espaciales (Hubble) Imágenes tomadas por telescopios Escáner-fax-fotocopiadoras (CCD s lineales)

31 Intensificadores de imagen 31 Se utilizan para visualización en entornos con muy poca luz (visión nocturna). Se basan en microcanales que se comportan como fotomultiplicadores a todos los efectos. Al final se puede tener un CCD (como en la figura) o un material fluorescente para visión humana.