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Ingeniería Óptica

Tema 4: Detección de luz

¤ Detección de luz¤ Detectores térmicos¤ Detectores fotónicos¤ Detectores de imagen

Ingeniería ÓpticaTema 4: Detección óptica

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Detección de luz

Hasta el momento se ha estudiado la naturaleza de la luz, su interacción conla materia y las fuentes de luz. Para finalizar el estudio de los componentesmínimos que debería tener un sistema de ingeniería óptica hace falta estudiar ladetección óptica, esto es, la conversión de la potencia óptica a una señaleléctrica.

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

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Parámetros importantes

Responsividad: es el cociente entre la salida eléctrica de un detector (medidaen amperios o voltios) sometido a una potencia óptica determinada (medida envatios). Se suele dar en A/W. La responsividad es función de la longitud de ondaen general, aunque veremos que no es así para detectores térmicos.

Eficiencia cuántica (sólo fotodetectores): Mide la eficiencia del detector en elsentido de que nos da el número de electrones generados por cada fotón quellega. Las mejores eficiencias están entorno al 80%

Tiempo de respuesta: cuando enviamos una onda cuadrada de luz al detectorél no responderá de forma general con una señal cuadrada sino que la respuestala impulso de un detector (y de toda la circuitería posterior) es exponencial.Ante picos más pequeños temporalmente que el tiempo de respuesta, seperderá señal en el receptor.

Ruido: Los detectores siempre introducen algode ruido cuando detectan las señales. Este ruidopuede ser debido a la propia generación decorrientes por el dispositivo detector (ruido deoscuridad) aunque la presencia de luz tambiénda lugar a ruido en el detector (ruido shot)

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Detectores térmicos

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 latemperatura para obtener información de la potencia óptica recibida.

Por lo tanto la salida de un detector térmico es directamente proporcional a laenergía absorbida por unidad de tiempo independientemente de su longitud deonda. Veremos posteriormente que en detectores fotónicos no es así.

Sumidero de calorTs

Contacto térmico

Sensor: suele ser una tira metálica recubiertade oro (da buena absorción desde UV a IR)

Ts+ΔT: Es este ΔT el que provoca cambios enalgún parámetro que dependa de T

Para que la sensibilidad y el tiempo de respuesta sean adecuados el elementosensor debe ser bastante pequeño. La mínima potencia que se puede medir estáen el rango de los 50 pW. Los tiempos de respuesta son del orden de ms.

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Detectores térmicos

Detectores termoeléctricos: se basan en termopares sometidos a radiaciónluminosa. El termopar está formado por una unión entre dos metales de formaque cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos fluye una corrienteeléctrica proporcional a la diferencia de Tª entre los metales. Necesitan unareferencia.Bolómetro: se basa en el cambio de resistencia de un material (generalmentemetálico, platino o níquel) al ser calentado. Para medir el cambio de resistenciase utiliza generalmente un puente de Wheatstone. No sirve para medir altasintensidades.

I

sensor

Unión fría

Unión calienteI

sensor

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Detectores piroeléctricos

P

TTC

Son detectores relativamente nuevos quepueden ser fabricados de forma compacta, sonmuy robustos y pueden soportar tiempos demedida relativamente cortos.Se basan en un efecto que se manifiesta sobremateriales ferroeléctricos, para el cual lapolarización en ese material disminuye con latemperatura, hasta una temperaturadenominada de Curie por debajo de la cual lapolarización es cero.Si el ferroeléctrico se calienta, varía lapolarización (número de dipolos por u. de vol.)y por tanto la carga que se deposita en doselectrodos. Este desplazamiento de carga dalugar a una intensidad eléctrica que se puedemedir

Sus tiempos de respuesta son del orden del msy se utilizan sobre todo en sensores depresencia o de fuego.

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Detectores piroeléctricos

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Detectores piroeléctricos

Barrido lateral

Barrido vertical

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Detectores fotónicos

El efecto de detección fotónica se basa en la interacción partícula-partículaentre fotones y electrones del material detector, donde el fotón cede su energíaa un electrón que posteriormente debe ser acelerado mediante un campoeléctrico para dar lugar a una corriente eléctrica.

Por el hecho de ser interacciones fotón-electrón, la responsividad de losdetectores fotónicos es fuertemente dependiente de la longitud de onda: unadeterminada potencia óptica lleva más o menos fotones dependiendo de sufrecuencia (o longitud de onda). Esto hace que la responsividad crezca segúncrece la longitud de onda (menos frecuencia->menos energía por fotón-> másfotones por watio).

Dicha responsividad no crece indefinidamente, ya que suele llegar un momentoen que la energía por fotón es tan pequeña que dicho fotón es incapaz deexcitar un electrón, de cederle su energía. Se llega así a su longitud de onda decorte.

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Responsividad de detectores fotónicos

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Fotocélulas de vacío

En determinados materiales, la energía de los fotones es suficiente paraarrancar los electrones del material: con ellos hacemos lo que denominamosdetectores fotoemisivos. Dado que los procesos se realizan partícula apartícula, siempre que el fotón tenga una energía igual o mayor a la energíade extracción se generarán fotoelectrones.

En la fotocélula de vacío, el material esgeneralmente Cesio, cuya energía deextracción es pequeña. La corrientefoto-generada es generalmente muypequeña, por lo que si se quiereaumentar la corriente debeamplificarse 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 foto-multiplicador.

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FotomultiplicadorEn los fotomultiplicadores los fotoelectrones generados son acelerados haciaotros electrodos llamados dínodos los cuales son capaces de generar nuevoselectrones debido al impacto del electrón acelerado.Cada electrón genera electrones secundarios por impacto que aumentan lacorriente. Si aparecen δ electrones secundarios por cada impacto y tengo Ndínodos, la ganancia es de G = δN. Si δ = 5 y N = 9 la ganancia es de 2 106.

Los fotomultiplicadores seutilizan en aplicaciones queprecisan mucha sensibilidad,pero tienen que estar muyprotegidos para evitar ruidoambiente.Se necesitan fuentes devoltaje del orden de kV. Estohace que sólo se puedanemplear en montajes fijos.

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Detectores fotoconductivosA diferencia de un aislante o un metal, los semiconductores presentan atemperatura ambiente un número de electrones libres, de forma que puedenconducir la corriente eléctrica. Pero el número de e- libres es pequeño, por loque la resistencia que presentan es elevada.

Par electrón-huecohν

Ahora bien, cuando un fotón llega a un materialsemiconductor es capaz de cederle su energíapara generar un nuevo par electrón hueco: esdecir, es capaz de aumentar el número deelectrones libres y, por tanto, reducir suconductividad. En esto se basan los detectoresfotoconductivos.

Materiales:• Sulfuro de Cadmio• Seleniuro de Cadmio

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FotodiodosLos fotodiodos son uniones p-n en lascuales por el hecho de absorberse fotonesse generan corrientes en inversaproporcionales a los fotones absorbidos.Son los detectores más utilizados.

Sus tiempos de respuesta son rápidos ytienen elevadas eficiencias cuánticas.

Se estudiarán en detalle en la asignaturade Comunicaciones Ópticas.

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Fotodiodos: materiales

Silicio InGaAs

El fotodiodo de silicio es el detector preferido para la medida de cualquier señalóptica en el visible e infrarrojo cercano. Para infrarrojo lejano, ver trans.4-10.En el caso de las comunicaciones ópticas, el que se usa es el de InGaAs.

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Detectores de imagen

La misión de los instrumentos ópticos es generalmente formar una imagen,que posteriormente puede ser observada por el ojo o registrada en un sensorde imagen. Estos sensores de imagen pueden ser muy variados y los podemosdividir 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 entradaforma la imagen sobre un soporte que generalmente es plano y que bien esuna película fotográfica o bien un sensor electrónico. La parte ópticaimportante en un detector de imagen es el objetivo, que en general estáformado por un número elevado de lentes y ha de tener una esmeradacorrección de aberraciones (aunque depende mucho de la aplicación y de lacalidad final que se quiere obtener).

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Objetivo: formación de imágenes

A pesar de que los objetivos formadores de imagen tienenestructuras parecidas a la que se muestra a la izquierda,para obtener algún dato vamos a sustituir el objetivo poruna lente delgada (sabemos que, en cualquier caso, elobjetivo se podrá sustituir por un par de planos principales)

d

f

w

Rayos que vienen del infinito focalizan enel plano focal, cerca del cual se va acolocar el plano de imagen, típicamenteuna película fotográfica o un sensordigital. Si el objetivo tiene una focal f y elsensor unas dimensiones 2d, el campo devisión 2w que tiene es:

f

dtan =!

Para un mismo tamaño de sensor, mayores focales implican ángulos de cobertu-ra más pequeños y viceversa. Asimismo, para sensores más pequeños se debe-rán tener lentes de focales más pequeñas para soportar el mismo campo devisión.

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Objetivos: focales

36mm

24mm 17mm: Gran angular

35mm: angular

200mm: teleobjetivo

50mm: normal

En película fotográfica las dimensiones estándar son de24x36 mm. Con este tamaño de objetivo, las focalesque presentan determinados ángulos de cobertura soncomo las mostradas a la derecha. El objetivo de 50mmtiene un ángulo de cobertura que se asemeja bastanteal de nuestro ojo por lo que se denomina normal (enrealidad, el ángulo de cobertura del ojo es bastantemás grande, pero la apariencia de las cosas, superspectiva, es muy similar a la que vemos con el ojo).Las focales más pequeñas se llaman angulares (venmás zona que nuestro ojo, alejan la imagen) y lasfocales mayores son teleobjetivos (toman una pequeñazona de nuestro campo de visión, acercan la imagen).

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Focal y perspectiva

Evidentemente, no es lo mismoacercarse con un angular paracubrir el mismo campo que unteleobjetivo: la perspectivacambia.

Hay que tener también en cuenta que las focales cambian cuando cambia eltamaño del sensor: eso hace que sea más difícil obtener ángulos de coberturamayores cuando los sensores son más pequeños ya que las focales deben serextremadamente pequeñas.

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Formar imágenes: enfocar

Si ponemos el sensor de imagen para que forme la imagen del infinito justo enel plano focal, siempre que queramos formar imagen de algo que está máscerca debemos mover o bien la lente o bien el plano del sensor: debemosenfocar. No obstante tendremos una pequeña capacidad de no estar justo enel lugar adecuado: es la profundidad de foco. Para evaluarla hay que tener encuenta dos cosas: el círculo de mínima confusión y el diafragma que vamos autilizar.

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Círculo de mínima confusión y diafragma

El círculo de mínima confusión es aquel queaun no siendo un punto es indistinguible deéste para el sistema óptico. Por ejemplo, siel sensor es digital con un píxel de 20x20micras, 20 micras es el máximo diámetroque podemos permitir al círculo para quesea indistinguible de un punto perfecto. A een la figura le llamamos profundidad defoco.

El tamaño de ese círculo depende tanto dela focal (a mayor focal, menor círculo)como del diafragma. El diafragma es unelemento que se utiliza en todos lossistemas formadores de imágenes pararestringir la entrada de luz al sistema. Alafectar al círculo de mínima confusión eldiafragma también se usa para controlar laprofundidad de foco o la profundidad decampo.

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Profundidad de foco y de campo

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

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Tipos de sensores de imagen: película

Las películas están formadas por un conjunto de microcristales de BrAg y IAgsuspendidos en una gelatina especial que se deposita sobre un acetato(dimensiones: de 0.1 a 100 micras). Cuando la luz incide sobre estos cristalesexcita de alguna forma las moléculas de manera que al someterlas a procesosquímicos (revelado) cambian de tonalidad.

Color B&N Diapositiva

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Tubos de imagen: orthicon

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

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Tubos de imagen: el vidicón

R

50 volts

Video

El vidicón tiene una granventaja sobre el orthicon: noprecisa de grandes voltajes yse basa en un materialfotoconductivo, esto es, que suresistencia varía con la luz quellega. El haz de electronessigue barriendo la pantalla y elcátodo está conectado a tierra.

Después del vidicón aparecióel plumbicón, cuya ventajasobre el vidicón es el menorruido de fondo. Se siguenutilizando en la actualidad.

RV(t)

Rs(t)

Circuito equivalente

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Detectores CCD

Hoy en día, no obstante, se utilizan masivamente sensores de imagen que noestán basados en haces de electrones barriendo pantallas sino en matrices dedetectores ópticos en cuya base está el condensador CMOS.

Está formado por una capa metálicatransparente (rojo) depositada sobre unacapa de SiO2 (azul), y esta a su vezcolocada sobre un substrato de siliciodopado p. Al llegar fotones al condensador,si éste está a potencial positivo, se generanfotoelectrones que quedan atrapados en unpozo de potencial ya que a los dos ladosotros condensadores están colocados apotencial negativo: los fotoelectrones seacumulan en una región definida, máselectrones cuantos más fotones lleguen.

El problema consiste en sacar la información de estos condensadores, ya queforman parte de una matriz de detectores…

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Detectores CCDUtilizando señales de reloj somoscapaces de ir ‘moviendo’ lascargas mediante un cambio devoltajes positivos y negativos enlos condensadores, de forma quela carga se transfiere de uncondensador al de al lado, y asísucesivamente. De hecho en unCCD se saca la información porlíneas.

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Detectores CCD

CCD son las siglas de ChargeCoupled Device (dispositivo decarga acoplada) y hacereferencia a una matriz dedetectores como los que hemosdescrito. Típicamente esosdetectores son todos en color,por lo que los píxeles suelenllevar un pequeño filtro en laparte superior de forma quesólo permite pasar luz del rojo,verde o azul. Posteriormente, elsoftware se encargará deobtener un color por píxelmediante algoritmos deinterpolación.

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Detectores CCDFinalmente, hay varias técnicas parasacar la imagen completa. Hay quellegar a un compromiso, ya que en laarquitectura 1 la imagen se saca muypoco a poco (cada ciclo de reloj llevauna línea hacia abajo y luego hay queextraer la línea completa). Para hacerlomás rápido hay dos soluciones. En laarquitectura 2 todo la matriz sedescarga de una vez a una matriz igual,pero tapada.

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2 3La arquitectura 3 es la másrápida, pues en un único ciclode reloj se transfiere toda lamatriz. La desventaja es que nopuede tener tanta resoluciónpues se necesita espacio paralas máscaras entre líneas.

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Utilización de CCD’s

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

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Intensificadores de imagen

Se utilizan para visualizaciónen entornos con muy pocaluz (visión nocturna).

Se basan en microcanalesque se comportan comofotomultiplicadores a todoslos efectos. Al final se puedetener un CCD (como en lafigura) o un material fluores-cente para visión humana.