Dispositivo de carga acoplada

Em um CCD para captura de imagens, há uma região fotoativa e uma região de transmissão feita de um registrador de deslocamento (o CCD, mais precisamente). Através de lentes, uma imagem é projetada na matriz de capacitores (a região fotoativa) e faz com que cada capacitor acumule uma carga elétrica proporcional à intensidade da luz incidente naquela localização. Um conjunto de capacitores dispostos em uma dimensão (dispostos em fileira) captura uma única fatia da imagem, enquanto que um conjunto bidimensional captura imagens bidimensionais correspondentes à cena projetada no plano focal do sensor. Uma vez que o conjunto de capacitores foi exposto à imagem, um circuito de controle faz com que cada capacitor transfira seu conteúdo ao seu vizinho, operando como um registrador de deslocamento. O último capacitor no conjunto envia sua carga a um amplificador de carga, que a converte em tensão elétrica. O processo acontece repetidamente, e o circuito controlador converte todo o conteúdo no semicondutor em uma sequência de voltagens. Em um dispositivo digital, essas voltagens são amostradas, digitalizadas e normalmente guardadas em uma memória; em um dispositivo analógico, as voltagens são processadas em um sinal analógico contínuo (por exemplo alimentando a saída do amplificador de carga para um filtro passa-baixo), que é então processado e enviado a outros circuitos para transmissão, registro, etc.

Imagem: jonycunha · BY-SA · Openverse

Mesmo antes dos capacitores MOS serem expostos à luz, eles possuem viés na região de depleção. Em CCDs com n canais, o silício abaixo do gate de viés (bias gate) é levemente intrínseco ou p-dopado. O viés do gate a um potencial positivo acima do limiar de inversão forte eventualmente resultará na criação de n canais abaixo do gate tal como em um MOSFET. No entanto, é dispendido tempo para atingir este equilíbrio térmico. Inicialmente após o viés, as vacâncias são empurradas para o substrato e não há elétrons móveis na ou perto da superfície. O CCD opera então em um estado de não-equilíbrio chamado de depleção profunda. Após, quando os pares elétron-vacância são gerados na região de depleção, são separados por um campo elétrico que faz com que os elétrons se movam em direção à superfície e as vacâncias em direção ao substrato. Quatro tipos de processos de geração de pares podem ser identificados:

Para que seja efetuado o transporte da informação do dispositivo até o armazenamento de memória do aparelho seria necessário a utilização de condutores metálicos. Entretanto, o uso desse recurso como forma de transpor a imagem de cena capturada não se configura o mais viável por conta do fator de acoplamento capacitivo. Esse fenômeno se dá em decorrência da interação dos campos elétricos dos condutores. Quando um condutor passa próximo a uma fonte de ruído, leva esse ruído até um outros circuitos por meio dos campos elétricos. A magnitude do efeito gerado por esse fenômeno submete-se proporcionalmente à frequência do sinal e inversamente proporcional à sua distância. Dessa forma, o grau de deturpação depende da oscilação da tensão e a capacitância entre o condutor perturbador e o condutor vítima.

Como o sensor só consegue capturar a intensidade da luz, ele formaria apenas imagens em preto e branco, e para que ele conseguisse gerar as imagens coloridas foi necessário separar a luz em verde, azul e vermelho. Uma das soluções mais simples, seria utilizar três sensores CCD, cada um dedicado para uma cor, combinando esses três resultados e assim gerar uma imagem colorida. Porém, essa solução sairia muito caro, por utilizar essa quantidade de sensores, com isso surgiu uma solução mais barata, onde os engenheiros utilizaram a matemática para obter o mesmo resultado com apenas um sensor. A solução criada foi cobrir o sensor com um filtro com seções do tamanho de pixels azuis, vermelhos e verdes, assim, a imagem será formada pelo mosaico dessas três cores, e utilizando um algoritmo eles conseguiram definir uma cor aproximada para cada pixel capturado. Como o pixel tem um mosaico de três cores, o algoritmo verifica o índice de cada cor, se o verde for mais alto e outros forem bem menores ou perto de zero, significa que naquele pixel predomina a cor verde. E através desse algoritmo foi possível determinar uma cor diferente das cores padrões (Verde, vermelho e azul), calculando a mistura desses três índices e gerando a cor correspondente.