Camaras para espectroscopía

Camaras para espectroscopía

Camaras para espectroscopía

Camaras para espectroscopía

Camaras para espectroscopía

Con la creciente importancia de la espectroscopía hiperespectral y multiespectral, como comentamos en uno de nuestros artículos anteriores, también ha aumentado el uso de cámaras en esta clase de aplicaciones. En este post describiremos el funcionamiento de una cámara de este tipo así como los principales tipos existentes (CCD basados ​​en silicio, sensores CMOS y sensores InGaAs), incluyendo sus ventajas y desventajas.

 

El proceso por el que una cámara genera una imagen después de ser expuesta a una fuente de luz consta de los siguientes pasos (ver Figura 1):

 

1. Los fotones son detectados por la cámara gracias al uso de fotodetectores. Estos fotones son convertidos en un número equivalente de electrones. La eficiencia de esta conversión (% de fotones que se convierten en electrones) se denomina eficiencia cuántica.

 

2. El fotodetector está dividido en pequeños cuadrados llamados píxeles. Cada píxel tiene un pozo asociado donde se almacenan los electrones generados por los fotones que han incidido en ese píxel. Para un fotodetector de un área determinada, cuanto mayor sea el número de píxeles, mayor será la resolución pero menor la sensibilidad (ya que cada píxel tiene un área menor). Por lo tanto, se requiere un compromiso entre resolución y sensibilidad.

 

3. El número de electrones por pozo (por píxel) se convierte a continuación de un nivel de tensión a una señal digital empleando un convertidor analógico a digital (ADC).

 

4. Estas señales digitales se convierten en colores de una escala de grises conocidos como niveles de gris. Cuanto más alto sea el nivel, más brillante; y cuanto más bajo es el nivel, más oscuro. El número de niveles de gris depende del rango dinámico del sensor.

 

5. Una imagen, consistente en los niveles de gris asociados a cada pixel, se obtiene al final de este proceso.

Scientific camera operation.
Figura 1. Funcionamiento de una cámara utilizada en espectroscopía.

Dependiendo de la longitud de onda de los fotones que queramos detectar, los fotodetectores deben estar hechos de un material diferente, lo que da lugar a cámaras con diferentes tipos de tecnologías:

 

  • CCDs basados ​​en silicio: CCD significa dispositivo de carga acoplada (del inglés charged-coupled device). Consisten en una superficie de silicio sobre la que se graba un circuito integrado, creando una matriz de píxeles. Los electrones generados por los fotones que golpean cada píxel se desplazan a lo largo del sensor hasta registros de lectura donde se convierten en niveles de gris. Las cámaras CCD basadas en silicio son adecuadas para el rango UV-VIS-NIR, pero no son lo suficientemente sensibles para longitudes de onda superiores a 1100 nm.

 

  • Sensores CMOS: CMOS significa semiconductor complementario de óxido metálico (del inglés complementary metal-oxide-semiconductor). Su principal diferencia con los sensores CCD es que en lugar de tener un solo ADC para todos los píxeles, tienen un condensador y un amplificador para cada píxel y un ADC para cada columna de píxeles, ver la Figura 2. Esto hace que el proceso de lectura de todo el sensor sea mucho más rápido (hasta 5 veces). Además de esto, los sensores CCD consumen menos energía (alrededor de 100 veces) y tienen menos ruido. Los sensores CMOS funcionan aproximadamente en la misma región de longitud de onda que las cámaras CCD.
Scientific cameras for spectroscopy. Comparison of the readout architecture in silicon-based CCD sensors and CMOS sensors.
Figura 2. Comparación del proceso de lectura en los sensores CCD basados en silicio y los sensores CMOS.
  • Sensores de InGaAs: consisten en un sustrato de InP (fosfuro de indio), una capa absorbente de InGaAs (arseniuro de indio y galio) debajo y una capa de cubierta ultrafina de InP. Esta última capa está conectada a través de elementos de indio a un circuito integrado de lectura. Los sensores de InGaAs son adecuados para el rango SWIR, de 900 a 1700 nm, aunque algunos sensores pueden medir hasta 2500 nm gracias a cambios en la composición del material. El peor problema presente en los sensores de InGaAs es el nivel de ruido, en particular, el ruido de la corriente oscura, que está asociado a los electrones generados térmicamente. La solución consiste en enfriar la cámara.

 

Estas cámaras se pueden combinar con fuentes de luz de amplio espectro (como nuestra fuente de luz halógena TAKHI) para aplicaciones en las que se utiliza la espectroscopía hiperespectral y multiespectral como la agricultura (seguimiento del desarrollo y salud de los cultivos), el procesamiento de alimentos (clasificación, identificación de cuerpos extraños, evaluación de calidad ), la medicina (escaneos no invasivos de la piel) o la geología (identificación de minerales).

 

Bibliografía

Fundamentals behind modern scientific cameras. Educational notes.

Scientific CMOS (sCMOS) Cameras: The Basics.

Silicon-based CCDs: The Basics. Educational Notes.

InGaAs Cameras: The Basics. Educational Notes.

 

 

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