Universitatea Politehnica din Bucureti

Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Master Optoelectronica

Proiect

Camere pentru aplicaii tiinifice

Conductor tiinific, Student,

Prof. Marian VLADESCU Alexandra Ctlina CAPT

Anul 2014-2015

Cuprins

1. Introducere .............................................................................................................................................................. 3

2. Senzorul camerei foto: CCD vs. CMOS ................................................................................................................... 4

3. Tehnologia CCD ........................................................................................................................................................ 7

3.1 Mod de functionare .................................................................................................................................. 9

3.2 Exemple de CCD ..................................................................................................................................... 12

4. Tehnologia CMOS .................................................................................................................................................. 14

4.1 Exemple de camere CMOS .......................................................................................................................... 17

5. Exemple de alte camere folosite in aplicatii stiintifice ........................................................................................ 20

6. Concluzii ................................................................................................................................................................ 24

7. Bibliografie ............................................................................................................................................................ 25

3

1. Introducere

In ziua de astazi, camerele foto si video au numeroase aplicatii intr-o multitudine de domenii.

Camerele sunt impartite dupa senzorii pe care ii detin: de tip CCD sau de tip CMOS. O data cu

imbunatatirea tehnologiei, diferenta dintre acesti doi tipi de senzori a scazut, ei devenind tot mai

perfomanti, redand imagini calitative.

Utilizarea acestor camere performante se face in aplicatiile stiintifice din numeroase domenii:

medicina, industrie, astrofotografie, holografie digitala, etc. In aceste domenii mai folosite sunt cele cu

senzor de tip CMOS, deoarece redau mai bine imaginile necesare.

Exista si alte tipuri de camere folosite in aplicatii stiintifice precum: sisteme

termografice,camere de termoviziune, camere folosite in medicina: CT, PET, PET-CT si camere

miscroscopice.

Tehnologia din ziua de astazi avanseaza tot mai repede, iar camerele foto si video devin din ce

in ce mai performante, redand imagini cat mai clare si precise, care sunt necesare avansarii domeniilor

in care acestea sunt folosite.

4

2. Senzorul camerei: CCD vs. CMOS

Toti utilizatorii folosesc camere foto, insa electronica din interiorul aparatului este un subiect

mai putin cunoscut. Complexitatea modulului de focusare, a celui de masurare si a senzorului deseori

sunt mai greu de inteles.

Senzorul camerei foto este un dispozitiv electronic care transforma lumina in semnal electric.In

principal, el poate fi de doua tipuri: CCD sau CMOS. Poate ati observat ca in ultimii ani, producatorii

de camere foto au migrat de la productia in masa a senzorilor CCD la productia senzorilor CMOS.

Mai jos, dupa ce veti citi diferentele dintre cei doi senzori, veti intelege motivul.

In lume sunt doi mari producatori de senzori pentru aparate foto destinate publicului larg:

Sony (care echipeaza atat camerele proprii cat si ale altor companii cum ar fi Nikon) si Canon (care

echipeaza propriile camere compacte sau DSLR). Canon a luat decizia de a inlocui senzorii CCD

acum multi ani si a investit sume mari de bani pentru dezvoltarea tehnologica a noilor senzori CMOS.

Aceasta mutare inteleapta la vremea respectiva i-a permis ocuparea unui loc fruntas mai ales in gama

DSLR-urilor, camerele foto Canon remarcandu-se prin imagini cu zgomot redus la sensibilitati mari

ale ISO-ului. In prezent, cele doua tipuri de senzori se fabrica in paralel, senzorii CCD fiind utilizati

cu precadere in camerele compacte, iar senzorii CMOS in aparatele foto DSLR.

In viitorul apropiat se prevede o inlocuire a senzorilor CCD din camerele compacte avansate

cu senzori CMOS pentru imagini de calitate la ISO mare. Dar se vedem care sunt diferentele dintre

aceste doua tipuri de senzor.

Desi viitorul pare a senzorilor CMOS, senzorul CCD are cateva avantaje incontestabile:

1. Daca comparam exclusiv arhitectura interna a senzorilor, cei de tip CCD creaza imagini cu mai

putin zgomot, iar vechimea acestora arata ca tehnologia realizarii lor este suficient de matura pentru a

fi utilizati in aplicatii stiintifice importante.

2. Senzorii CCD sunt mai eficienti in convertirea luminii(fotonilor) in semnal electric

Problema cu acesti senzori consta in faptul ca se incalzesc extrem de usor. Incalzirea se

produce in cazul unei expuneri prelungite (exemplu imagini de noapte in care senzorul este expus la

lumina timp de 30 secunde sau chiar cateva minute). Aceasta incalzire conduce la aparitia

zgomotului. Bazandu-se pe raportul bun de conversie a luminii in electroni, pe care senzorii CCD il

au, in aplicatii stiintifice in care precizia si acuratetea rezultatelor este esentiala, s-au folosit si inca se

folosesc senzori CCD, care, pentru micsorarea zgomotului si pentru imbunatatirea senzitivitatii la

niveluri scazute de lumina, sunt raciti in camere speciale cu azot lichid.

De exemplu, in astronomie exista camere dedicate care folosesc senzori CCD raciti cu azot

lichid si care au o sensibilitate mult crescuta fata de cei mai buni senzori actuali din camerele foto

DSLR profesionale. Cu ajutorul unor astfel de senzori s-au creat cele mai performante camere

astronomice existente. Este vorba de cele montate pe telescopul spatial HUBBLE, care, dupa ce au

fotografiat prin expuneri extrem de lungi(zile) mici zone din univers ce pareau complet negre(si fara

materie) , au creat uimire in comunitatea stiintifica, aratand ca, de fapt, respectivul colt de univers era

plin de galaxii aflate in plina evolutie.

5

De asemenea si camerele profesionale de format mare folosesc senzori CCD de inalta calitate,

ajungand sa depaseasca 50 MP, insa sensibilitatea ISO este, de obicei, limitata la 800. Calitatea

imaginilor acestor senzori pofesionali CCD, la iso mic, este net superioara chiar si senzorilor

FullFrame CMOS atat prin acuratetea culorilor si multitudinea detaliior dar mai ales prin gama

dinamica de nuante prezenta in imagine(Dynamic range). Dar daca senzorul CCD are atatea avantaje

si este folosit in aplicatii stiintifice sau in cele militare (vedere nocturna), de ce marile companii,

totusi, inlocuiesc acesti senzori cu cei CMOS ?

Desi senzorul CMOS este mai zgomotos decat cel CCD, designul acestui tip de senzor permite

implementarea in senzor a unor circuite de control al zgomotului mai performante. In final, datorita

acestor mici "siretlicuri" electronice, raportul semnal/zgomot final ajunge sa fie similar cu raportul

semnal/zgomot al unui senzor CCD de inalta calitate. In plus senzorul CMOS consuma mai putina

electricitate decat cel CCD, si se incalzeste mai putin in cazul expunerilor prelungite. Consumand mai

putin curent, inseamna ca se pot realiza mai multe imagini cu aceasi baterie.

Un alt avantaj este ca, desi arhitectura unui senzor CMOS este complicata si necesita un cost

ridicat de productie, in cazul realizarii automatizate a unui numar foarte mare de astfel de senzori,

pretul ajunge sa fie rezonabil.

Evident, cu cat creste dimensiunea senzorului, cu atat si pretul este mai ridicat. Din acest

motiv, un senzor fullframe este mai scump (dar si mai performant) decat unul de tip APS-C(cu factor

de crop 1.6 Canon sau unul cu crop 1.5-Nikon).

In zilele noastre senzorul nu mai este suficient pentru realizarea unor imagini de calitate. Asa

cum am aratat mai sus, senzorul este doar unul din elementele necesare obtinerii unui raport

semnal/zgomot eficient. Cel putin teoretic, cu cat un senzor este mai mare si are o densitate mai mica

de puncte, cu atat inseamna ca punctul (pixelul) din senzor care capteaza lumina este mai mare si deci

pe el exista o cantitate mai mare de lumina pe care acesta o preia si o transforma in semnal

electric...deci este mai sensibil la lumina.

In ultimii ani, Canon a reusit sa elimine spatiul care apare intre aceste puncte si astfel a

"ingramadit" pe aceasi suprafata mai multi pixeli, astfel ajungand la rezolutii record: 15 MP in Canon

50D si 18 MP in Canon 7D. Desi densitatea acestor senzori este foarte mare zgomotul a fost mentinut

in limite acceptabile.

Alti parametrii care influenteaza calitatea imaginii sunt: modul de implementare a circuitelor de

filtrare a zgomotului, calitatea microlentilelor si circuitelor electronice pentru citirea si prelucrarea

semnalului si nu in utimul rand algoritmii implementati in procesorul de imagine. Un exemplu

relevant este oferit de Nikon, care desi in anumite aparate utilizeaza senzori realizati de Sony, a reusit

sa extraga un raport semnal/zgomot mai bun decat producatorul senzorilor datorita electronicii si

algoritmilor folositi in procesare.

In prezent, in camerele DSLR de top, Canon a fost putin devansat de Nikon din punct de vedere al

calitatii imaginii finale la ISO mare. Astfel, Nikon a reusit cu un senzor de dimensiuni mari

(FullFrame) si neingramadind prea multi pixeli (doar 12 MP) sa realizeze un senzor excelent care

echipeaza camerele Nikon D700 si Nikon D3.

Interesant in competitia celor doua mari firme este ca, din timp in timp, stacheta este ridicata

de una dintre companii, apoi cealalta companie lanseaza un model revolutionar de aparat si detine

6

suprematia cativa ani la rand. Aceasta alternanta in topul realizarii camerelor foto DSLR este extrem

de benefica pentru cumparator. De asemenea, in prezent competitia devine si mai acerba, datorita

lansarilor multiple pe piata DSLR-urilor din partea celui de-al 3-lea mare jucator, gigantul Sony.

Comparatia imaginilor dintre doi senzori se realizeaza in doua moduri:

a) la nivel de pixel

b) la nivel de imagine intreaga

a) La nivel de pixel: desi imaginile pot avea dimensiuni diferite, cele 2 imagini se privesc la

dimensiunea originala (ca si cum am vedea un crop 100%) si se analizeaza calitata pixelilor si nivelul

de zgomot.

b) La nivel de imagine intreaga(sau la nivel de print final): imaginea mai mare este micsorata astfel

incat sa ajunga la dimensiunea imaginii mai mici. Apoi cele doua poze sunt comparate.

Probabil inginerii sunt mai mult interesati de comparatia la nivel de pixel care arata exact

calitatea raportului semnal/zgomot, iar fotografii de cum arata printul final. Desi nu suntem "fani ai

rezolutiei" in exces, trebuie sa recunoastem ca, in cadrul unui print de dimensiuni mari(peste A3),

rezolutia conteaza.

In prezent, senzorii beneficiaza de suficienta rezolutie si foarte putini realizeaza printuri de

dimensiuni peste A3/A2, iar progresul ar trebui sa se axeze pe imbunatatirea gamei dinamice, a

acuratetii culorilor, a balansului de alb in lumina incandescenta si in obtinerea unor imagini clare la

sensibilitati mari ale ISO-ului sau la expuneri prelungite.

7

3. Tehnologia CCD

Intr-un senzor CCD, lumina care cade pe pixelii senzorului este transferata de la cip printr-un

nou de iesire, sau doar prin cateva noduri de iesire. Incarcarile sunt apoi convertite la nivele de voltaj,

tamponate, si trimise apoi unui semnal analog. Acest semnal este apoi amplificat si convertit in

numere utilizand un convertor A/D la iesirea senzorului, vezi figura 3 a.

Tehnologia CCD a fost dezvoltata specific pentru a fi utilizata la camere, si senzorii CCD au

fost utilizati pentru mai bine de 30 ani. Traditional, senzorii CCD au avut unele avantaje comparativ

cu senzorii CMOS, precum o sensibilitate mai buna la lumina si zgomot redus. In ultimii ani, toate

aceste diferente au disparut.

Photodiodes (pixels)

Vertical shift registers

A/ D converter

Output Horizontal shift register ampli er

Figure 3. a) Operatii CCD operation (Video CCD)

Dezavantajul senzorilor CCD este acela ca detine componente analogice care necesita mai

multe circuite electronice in afara senzorului, care sunt mult mai scumpe de produs si pot consuma

pana la 100 de ori mai multa putere decat senzorii CMOS. Aceasta consum de putere crescuta poate

duce la incalziri ale camerei, care nu vor afecta doar calitatea imaginii negativ, ci va si mari costul si

impactul asupra mediului a produsului.

Senzorii CCD de asemenea folosesc o rata mare de date, deoarece totul trebuie sa treaca prin

doar un singur amplificator de iesire, sau mai multe.

8

Figure 3. b) Senzor CCD montat pe un PCB

9

3.1 Mod de functionare

Dispozitivele cu cuplaj de sarcin (CCD) au fost inventate n anii aizeci a ultimului secol de

ctre cercettori de la Laboratoarele Bell. Un CCD este un dispozitiv electric care este utilizat pentru a

crea imagini ale obiectelor, a stoca informaii sau a transfera sarcini electrice. Cea mai popular

aplicaie folosit n ziua de azi este aceea de a nregistra imagini. CCD-urile sunt folosite dispozitive

de imagini n aparatele de fotografiat electronice i scanere. Ele sunt disponibile ca dispozitive de

scanat, constnd ntr-o singura linie de detectoare de lumin, i ca dispozitive a zonei scanate,

constnd ntr-o matrice dreptunghiular a receptorilor de lumin.

Imagistica CCD este ndeplinit printr-un proces de trei etape:

1. Expunerea luminii Lumina incident separ sarcina de efectele pozei interne. Acest efect convertete lumina ntr-o

sarcin electronic la detectoare individuale numite pixeli.

2. Transferul sarcinii Funcia de transfer de sarcin mut pachetele ncrcate n cadrul substratului semiconductor la

celulele de memorie.

3. Incarcarea tensiunii de conversie i amplificarea de ieire.

Condensatorul matricii a celulelor de memorie convertete transferul sarcinii la o tensiune. Un

amplificator adapteaz tensiunea de la cerinele de la ieire.

Cele trei arhitecturi de baz a CCD sunt numite dispozitive de tranfer a cadrului imaginii,

dispozitive de transfer a cadrelor i a dispozitivelor de tranfer interlinie.

Interlinia dispozitivelor de transfer a unui model cu dungi a detectoarelor sensibile la

lumin(fotodiode) i a separrii nesensibile sau a dispozitivelor adpostite de stocarea luminii, vezi

figura 3.1. Pachetele de sarcini care sunt generate n lumina sensibila a pixelilor sunt mutate n

memoria adiacent a dispozitivelor de un ceas paralel. Dup acestea sarcinile sunt mutate linie cu linie

ntr-un registru serial. Acest registru serial transfer pachetele de sarcini ntr-o sarcin de tensiune

convertit cu amplificator, care formeaz semnalul de ieire. Dezavantajul major a tranferului

interlinie a CCD-ului este complexitatea sa, care rezult din separarea fotodetectorului i funciile

stocrii.

Transferul cadrului CCD de asemenea are diferite arii pentru a converti lumina i pentru a o

stoca. i totui aceste elemente nu sunt aranjate n dungi, dar mprite n dou blocuri diferite, vezi

figura 3.2. Ideea este de a muta o imagine capturat de matricea imaginii fotosensibile la matricea de

stocare. Citirea din registrul de stocare se realizeaz similar cu citirea procesul de interlinie a

dispozitivelor de transfer.

Full-frame CCD au cele mai simple arhitecturi, vezi figura 3.3. n contrast cu transferul

interlinie i dispozitivele de transfer de cadre nu au o arie de stocare separat. Fotonii de lumin

luminat sunt convertiti n pachete de sarcin. Rndurile rezultate din informaiile imaginii sunt apoi

mutate n paralel cu registrul serial care schimb ulterior informaiile de la ieire ca un flux serial de

date. Procesul se repet pn cnd toate rndurile sunt transferate pe cip. Deoarece registrul paralel

10

este utilizat pentru ambele imagini de detecie i citire, un obturator este necesar pentru a conserva

integritatea scenei. i totui, un cadrul intreg al CCD are cea mai mare rezoluie i costurile produciei

sunt comparabil mai ieftine.

n principiu toate cele trei tipuri de CCD sunt potrivite pentru aplicatii in domeniul holografiei

digitale. Tipul full-frame al CCD-ului are avantajul acela c timpul de expunere poate fi ajustat

potrivit cererilor a unei aplicaii specifice. Chiar i timpurile de expunere n rangul de secunde sunt

posibile. Totui, obturatorul mecanic limiteaz numrul de holograme, care pot fi nregistrate pe

secund (rata cadrului). n plus, obturatorul poate cauza vibraii mecanice n setare, care pot deteriora

calitatea hologramei. Un avantaj al tipului de transfer interlinie este acela c dispozitivele sunt

echipate cu obturator electronic, permind rata cadrelor mult mai mare. Cele mai potrivite tipuri de

camere depind deci de aplicaia holografic specific.

Figura 3.1 Arhitectura transferului interlinie.

11

Figura 3.2 Arhitectura transferului cadrului.

Figura 3.3 Arhitectura Full-frame (cadrului ntreg)

12

3.2 Exemple de CCD

Camera CCD Atik 11000 este o camera de format mare, cu rezolutie inalta si cip racit, folosita

pentru astrofotografie.

ATIK 11000 este cea mai buna camera disponibilade la ATIK si este rezultatul intregii experiente

acumulate in design si constructie si al cercetarilor realizate de ATIK in domeniul dezvoltarii

camerelor pentru astrofotografie.

ATIK 1100 incorporeaza un senzor cu dimensiuni impresionante: 35mm x 24mm. Este destinata

utilizatorilor care nu sunt dispusi la niciun compromis atunci cand vine vorba de calitatea imaginlor

sau a constructiei camerei. Senzorul CCD folosit este produs de Kodak: KAI-11002 si este disponibil

in doua variante: alb-negru sau color. Este dificil de imaginat dimensiunea senzorului daca nu va aflati

in fata lui. Imaginea de mai sus (o comparatie cu senzorii camerelor ATIK 4000 si ATIK 314L+) va

poate da o idee.

Imaginile produse de aceasta camera uimitoare au detalii incredibile. Pot fi printate la dimensiuni A3

sau mai mari! Este o placere sa le privesti pe monitorul unui calculator.

Fig. 3.5 Camera CCD Atik 11000

Caracteristici ale camerei: Senzorii de imagine Kodak si-au castigat o buna reputatie in lumea

astrofotografiei, oferind calitati ce nu se regasesc la cipurile Sony. Trebuie stiut ca pentru a obtine

maximul de la un cip Kodak este nevoie si de componente electronice de control foarte sofisticate sau

de un sistem foarte eficient de racire. Aici intervine experienta si excelenta ATIK in design si

constructie.

Senzorii Kodak necesita folosirea cadrelor negre (dark-uri) pentru calibrare care trebuie luate la

aceeasi tempratura ca si imaginea primara. ATIK 11000 reuseste aceasta prin reglarea precisa a

temperaturii, folosind un sistem de racire cu elemente Peltier pe doua nivele si un ventilator.

Rezultatul este posibilitatea de a raci cu pana la 38 de grade Celsius sub temperatura mediului -

suficient pentru aproape toate situatiile.

13

Pentru situatii mai dificile se poate introduce apa in sistemul intern de racire. In acest caz, racirea

maxima depinde si de temperatura apei, rezultand o diferenta de aproximativ 45 de grade atunci cand

folositi apa la temperatura de la robinet.

O astfel de racire eficienta duce zgomotul termal la un minim absolut si reduce considerabil pixelii

arsi (hot pixels). Creste in schimb riscul aparitiei condensului pe camera. De aceea, un sistem foarte

eficient este folosit pentru a usca aerul din interiorul camerei in care se afla senzorul, prevenindu-se

aparitia condensului intern. Condensul extern este evitat cu ajutorul elementelor de incalzire destinate

ferestrei camerei. Cantitatea de caldura in acest caz este controlabila prin software, astfel incat sa poata

fi adaptata la conditiile mediului.

Camera ATIK 11000 de format mare a fost conceputa si construita pentru a raspunde cerintelor celor

mai pretentiosi astrofotografi si ofera totodata simplitate in utilizare. Camera are doar doua intrari: o

mufa de 2.1mm pentru alimentarea cu energie electrica si un port USB 2.0 pentru conectarea la

calculator. Camerele ATIK 11000 sunt compatibile cu software-ul inclus, Capture, dar si cu Astroart,

CCDSoft si MaximDL.

Tipul de senzor CCD. ATIK 11000 este dotata standard cu un senzor KAI-11002 de clasa a II-a care

permite un numar mic de defecte de coloana. Optional puteti specifica faptul ca doriti un senzor de

clasa I - fara defecte de coloana. Conteaza clasa? Noi consideram ca diferenta de pret nu este

justificata in cazul fotografiei astronomice. Pe scurt, explicatia este urmatoarea: Kodak testeaza

senzorii fara ca acestia sa fie raciti, timpii de expunere sunt de fractiuni de secunda, citirile se fac de

cateva ori pe secunda. In astrofotografie conditiile sunt total diferite. Rezultatele sunt, deci,

neconcludente in ceea ce priveste performantele senzorului pentru astrofotografie.

Nota: ATIK foloseste doar senzori Kodak de ultima generatie, care au straturi anti-reflexive pe

ambele parti ale sticlei, reducandu-se reflectiile generate intre CCD si invelisul sau.

14

4. Tehnologia CMOS

In ultimii ani, chipurile CMOS au fost utilizate pentru scopul imagisticii, dar calitatea imaginii

era scazuta datorita unei sensibilitati la lumina inferioara. Senzorii moderni CMOS utilizeaza o

tehnologie mai specializata si calitatea si sensibilitatea la lumina a senzorilor a crescut rapid in ultimii

ani.

Cipurile CMOS au diferite avantaje. Spre deosebire de senzorul CCD, cipurile CMOS

incorporeaza amplificatoare si convertoare A/D, care scad costul camerei din moment ce contin tot ce

trebuie pentru a produce o imagine. Fiecare pixel CMOS contine conversii ale electronilor. Comparati

cu senzorii CCD, senzorii CMOS au o posibilitate mai buna de integrare si mai multe functii. Cu toate

acestea, acest adaos de circuit in interiorul cipului poate duce la riscul de zgomot structural, precum

dungi sau alte modele. Senzorii CMOS au o citire mai buna, consum redus de putere, imunitate mai

mare la zgomot, si un sistem de dimensiuni reduse.

Fig. 4 a) Senzor CMOS

Calibrarea unui senzor CMOS in productie, daca e necesar, poate fi mai dificil decat calibrarea

unui senzor CCD. Dar dezvoltarea tehnologiei a facut ca senzorii CMOS sa fie mai usor de calibrat, si

unele in ziua de azi chiar se calibreaza automat.

15

Fig. 4 b) Senzor CMOS montat pe un PCB

Este posibila citirea pixelilor individual a senzorului CMOS, fapt ce permite creeare de

ferestre ce implica ca partile din senzor pot fi citite, in loc de toata partea o data. Asa o rata

mai mare a cadrului poate fi obtinut printr-o limitare a unei parti ale senzorului, si functiile

digitale PTZ (pan/tilt/zoom) pot fi folosite. Este de asemenea posibila obtinerea de multiple

puncte de vedere care permit mai multe arii sa fie taiate si sa fie transmise simultan de la senzor,

simuland cateva camere virtuale.

Pentru imagini stiintifice se folosesc camere care trebuie sa aiba inalta rezolutie, rate rapide

ale cadrelor, si sensibilitate ridicata. Mai multe companii au colaborat in 2008 pentru a crea o

arhitectura de tip CMOS pentru a indeplini aceste conditii. O camera stiintifica denumita CMOS

(sCMOS) a fost introdusa ca prototip in anul urmator.

Cu un format 2560 x 2160 x 6.5 6.5 pm pixeli, camera prezinta o gam dinamic de 14 bii

la 30 fps i un zgomot citit de mai puin de doi electroni la aceast vitez.

Pentru a obtine aceasta gama dinamica si pentru a citi zgomotul, senzorul dispune o schema

de citire impartita de coloane identice si aleatorii. Dupa ce fiecare pixel din fiecare fotografie

este citit, amplificatoare duble si convertoare analog digitale sunt aplicate semnalului si

combinate pentru a obtine un castig ridicat a fotografiei. (Fig. 4.1)

16

Fig. 4.1 CMOS sensor

Designul unui asemenea sensor a fost prima data prezentat de Paul Vu si colegii sai la

Faichild Imaging in iunie 1988. Astazi multiple companii ofera senzori de imagine bazati pe

variatii ale acestei tehnologii care consta din CIS1910F, de 1920x1080, 100fps dispozitiv care

dispune de o matrice de 5T pixeli pe 6.5 m pas, si CIS2521F, de 2560 x 2160 dispozitiv cu 6.5

m pas. Ambii senzori suporta ambele moduri de functionare de rotire si de expunere globala. In

multe aplicatii, de exemplu unde produsele trebuie sa fie reprezentate in timp ce calatoresc de-a

lungul unei linii de productie, neclaritatile la miscare pot fi eliminate prin utilizarea unui

obturator global. In aplicatiile stiintifice, unde frecventa cadrelor camerei pot fi compensate

pentru orice miscare a probei, poate fi folosit un obturator de rulare.

Multe din camerele de astazi bazate pe tehnologia sCMOS, suporta ambele moduri de

operatii. Pentru a sprijini ratele mari de date produce de aceste camere, multe companii

incorporeaza interfata deja bine stabilita CameraLink. Recent, totusi, aparitia USB 3 a dus unii

vendor sa introduce camere care incorporeaza aceasta interfata. Nu la fel de rapida ca interfata

CameraLink, incorporand interfata USB 3 reduce costul unui sistem de imagini din moment ce

nu este necesar niciun capatator de cadre, deoarece interfata USB 3.0 are acum un loc comun in

sistemele de PC. In acelasi timp, viteza mica a USB duce la o citire reduca a ratelor din camera,

o limitare care nu e la fel de importanta in aplicatiile stiintifice.

In trecut, aceste aplicatii necesitau Electron-Multiplication Charge Coupled Device

(EMCCD)- bazat pe camere care dadeau un zgomot redus citit, gama mare de dinamica, si

viteza mare. Cu toate acestea, cu aparitia camerelor bazate pe sCMOS, aceste camere nu vor mai

domina domeniul stiintific.

Pentru a sublinia diferentele de performanta dintre EMCCD si sCMOS camere, Saumya

Saurabh din Departamentul de Chimie din Universitatea Carnegie Mellon (Pittsburgh,PA,USA)

si colegii sau au comparat performantele dintre cele doua camera cu trei camere bazate pe

sCMOS.

17

In studiul lui, camera Evolve 512 EMCCD de la Photometrics, si EMCCD 887 de la

Andor au fost comparate cu sCMOS de la PCO, Neo sCMOS de la Andor si ORCA Flash 2.8

CMOS de la Hamamatsu. Cand este utilizata pentru a detecta molecule singular, Saubahr a aratat

ca cele trei camere sCMOS evaluate sunt aproape de performantele camerelor EMCCD testate.

4.1 Exemple de CMOS

1. Camera folosita pentru holografie digitala Pike F421C

Un exemplu de camera video folosita in laboratoare la realizarea de holograme digitale este o

camera video stiintifica de inalta rezolutie: Pike F421C. Camera are o rezolutie inalta de

2048x2048/14bit color, rata de transfer de 100-800Mb/s, 16fps, software pentru achizitie si

prelucrare imagini, obiective Pentax, Interfata firewire IEEE1394b pentru semnale gigabit.

Aceasta camera are un senzor matriceal Photron FastCam SA1 (675000fps) de tip CMOS 12bit,

rezolutie de 1024x1024pixel, dimensiunea pixelului de 20x20 m cu o posibilitate de comanda

trigger, transfer de date: RS-422A sau Gigabit.

18

Fig. 3.4 Camera Pike F-421

2. Camere folosite in microscopie

Producatorii SPOT Imaging Solutii detin o linie complet de camere digitale tiinifice pentru

microscopie, de la uor de utilizat camere color CMOS de luminos microscopie a de imagine CCD

ultra-sensibile pentru aplicaii de fluorescen de luminozitate sczut.

Fiecare camera SPOT vine cu SPOT Software , o aplicaie uor de utilizat capturii de imagine

complet de instrumente pentru microscopists, inclusiv adnotri bar scar, masuratori, raportare

personalizat i nregistrri interval de timp. Camere rula pe ambele computere Windows i

Macintosh, precum i un Software Development Kit este disponibil pentru integrare cu software-

ul personalizat. Toate nav camere SPOT cu garanie de un productor de 2 ani i palmaresul

nostru excepional pentru construirea de camere fiabile care dureaz de ani de zile.

Fig. 3.5 Camera SPOT idea

19

5. Exemple de alte camera folosite in aplicatii stiintifice

1. Sisteme termografice

a) Sistemule termografice ofera tot ceea ce este necesar pentru o scanare medicala

profesionala. Cuplarea termografului se face direct pe interfata USB a calculatorului (nu este

necesara o sursa separata de alimentare) iar programul de analiza termica in timp real, ce asigura

si controlul camerei de la distanta, permite afisarea imaginilor termice de ecranul PC-ului cu o

rata de maxim 120Hz (imagini pe secunda). Medicul poate face orice tip de analiza radiometrica

(identificarea temperaturii in oprice punct termic din imagine, comparatii de temperatura intre

diverse pozitii etc.), de la distanta, fara a sta langa termograf.

Aplicatii termografie medicala:

- scanari termografice medicale (determinarea temperaturii corpului uman, de la distanta, fara

contact)

- detectia in faza incipienta a cancerului de piele

- montorizarea evolutiei arsurilor de piele

- detectia persoanelor ce prezinta o stare febrila in locurile aglomerate (gari, aeroporturi, scoli,

centre comerciale etc.) pentru lupta impotriva epidemiilor (gripa aviara, ebola ...)

- posibilitatea detectiei cancerului la san

- monitorizarea zonelor cu dureri musculare etc.

Fig. 3.5 Termograf

1. Camere pentru inspectii electrice si mecanice

Camerele de termoviziune sunt ideale pentru efectuarea lucrarilor de mentenanta la

instalatiile electrice, mecanice si termice. Ele au fost proiectate pentru a face scanarea termica

mai simpla, mai eficienta si in deplina siguranta.

Cu ajutorul camerelor termografice se pot:

20

- identifica rapid probleme de contact la instalatiile electrice ( suruburi nestranse, sertizarea

necorespunzatoare a cablurilor, aparitia stratului de oxid intre materialele ce realizeaza

conexiunea electrica, defecte interne ale cablurilor ),

- vizualiza traseele prin care circula agent termic pentru a vedea daca exista depuneri de material

pe interiorul acestora, scurgeri sau defecte la izolatia exterioara,

- verifica oalele de condens, pompele si schimbatoarele de caldura,

- detecta probleme de functionare la rulmenti, lagare, motoare electrice sau termice etc.

Fig. 3.6 Camere termografice

2. CAMERA PET

Dei PET se bazeaz, n esen, pe acelai principiu fizic de detecie a scintilaiilor ca i gamma camera convenional sistemele de detecie PET prezint dou modificri eseniale: tuburile fotomultiplicatoare trebuie astfel plasate nct s permit detecia n coinciden, de jur mprejurul organismului a fotonilor gamma rezultai, iar cristalul de scintilaie trebuie s fie dintr-un material care s permit conversia fotonilor gamma cu energie mai mare dect n cazul scintigrafiei convenionale (511 keV, n cazul PET, fa de intervalul 100 - 400 keV, n scintigrafia convenional) n fotoni n domeniul vizibil [4]. Ca urmare, camera PET este format din fotomultiplicatoare dispuse circular, n mai multe coroane de blocuri detectoare (ntre 2 i 8), iar cristalul de scintilaie este de germanat

21

de bismut (BGO), cel mai frecvent, sau fluorur de bariu (BaF2) spre deosebire de gammacamera

convenional al crei cristal este alctuit din iodur de sodiu (NaI). n ultimii ani a fost propus detecia n coinciden utiliznd gamma camere adaptate, cu dublu cap (dou detectoare), acestea rmnnd totodat utile pentru realizarea scintigrafiilor tradiionale. Cele dou capuri detectoare sunt plasate de o parte i de alta a pacientului. Diferena fa de gamma-camera tradiional apare la nivelul cristalului de scintilaie: acesta este nlocuit cu unul de dimensiuni duble (19 mm n loc de 9,5 mm) [11]. Spre deosebire de PET unde doza injectat este n jur de 500 MBq, utiliznd o gamma-camera cu sistem de detecie n coinciden doza optim este de 100-200 MBq (pentru eliminarea artefactelor). Imaginea tomoscintigrafic se obine prin rotirea extrem de lent a celor 2 detectoare n jurul pacientului. Seciunile pot fi apoi reconstruite n 3D. Se ncearc chiar construcia unei gamma-camere cu 3 detectoare, crescnd astfel sensibilitatea deteciei i, deci, calitatea imaginii

3. PET-CT

Principala limit a metodei PET const n rezoluia mic n comparaie cu CT i RMN, ceea ce determin imposibilitatea localizrii precise a detaliilor anatomice i, implicit, a leziunilor n ntregime sau a regiunilor metabolic active n ansamblul unor leziuni de

constituie eterogen, necesar a fi biopsiate, de exemplu. Pe de alt parte, CT este o metod imagistic care poate pune n eviden detalii

anatomice, structurale, cu o rezoluie foarte bun dar nu i diferene n fiziologia esutului respectiv, pe care PET le poate vizualiza. Ani de zile pentru a localiza cu precizie modificrile funcionale observate prin PET s-au propus dou variante: fuziunea imaginilor PET i CT folosind repere anatomice pentru a achiziiona imagini din regiuni identice i dup realinierea seturilor de imagini obinute prin cele dou metode, folosind soft-uri specializate n acest sens. Dar acest lucru era dificil din mai multe puncte de vedere, cum ar fi: diferene legate de respiraie, de distana la care se gsete detectorul n timpul achiziiei, de poziionarea pacientului etc. Aceste inconveniente au fost rezolvate prin aezarea celor dou detectoare pe acelai suport (Fig. 4), prin metoda PET-CT, iniiat de D. Townsend n anul 2000.

Fig. 3.7 Afectiune carcinom rectal

22

Fig. 3.8 Imagini CT, PET , PET-CT normale

Rezult c PET i CT prezint avantaje complementare, iar combinarea acestora crete potenialul de localizare a leziunilor i reduce dificultile de interpretare a imaginilor obinute prin PET.

4. Camere miscroscopice

Fig. 3.9 Camere miscroscopice

Inginerii germani au creat o camer de filmat de dimensiunea unei granule de sare. Capabil s ajung n cele mai inaccesibile zone din corpul uman, microcamera este util att n medicin, ct i n industria auto. Cei de la Institutul Fraunhofer din Berlin au proiectat camera de filmat mpreun cu Awaiba, firm specializat n senzori de imagine. Cele dou instituii au ncercat s mbuntesc vechile microcamere de filmat i s le adapteze pentru noile cerine medicale.

Actualele camere de filmat folosite n industria medical sunt fabricate manual, astfel c

23

tehnicile utilizate de ctre productori duc la un pre ridicat al microcamerelor. Michael Tpper, project manager al Institutului din Berlin, mpreun cu colegii si au proiectat o metod automatizat de asamblare a camerelor de filmat, reducnd astfel foarte mult costurile produciei.

Fiecare dintre cele 3 dimensiuni ale microcamerei are o lungime de 1 mm, camera de filmat

avnd o rezoluie de 25.000 de pixeli. Dei numrul de pixeli este prea mic pentru fotografii profesionale, imaginea rezultat este foarte util n aplicaiile medicale. Pentru sterilizarea camerelor de filmat endoscopice folosite n acest moment n medicin este necesar folosirea multor substane chimice. Prin faptul c noile camere au costuri reduse de producie, nu mai este necesar curarea lor pentru reutilizare, deoarece o singur microcamer cost mai puin dect ntregul proces de curare.

De obicei folosite pentru a realiza o endoscopie sau o colonoscopie, doctorul Gregory Cooper

susine c noile microcamere sunt mai avantajoase n comparaie cu cele care se nghit ca o pastil. Acestea din urm se mic cu o vitez prea mare pentru a captura toate informaiile necesare din cei opt metri de intestin.

Compania Awaiba precizeaz c microcamerele sunt deja n teste i c n urmtorii doi ani urmeaz s fie date spre producie.

Pe lng utilizarea camerelor de filmat n industria medical, acestea pot fi foarte utile i n industria auto, microcamerele avnd scopul de a ajuta oferii s parcheze cu ajutorul unui sistem de asistare omniprezent. Pe lng acest avantaj, camerele pot ajuta la monitorizarea oferilor care ar putea adormi la volan.

Specialitii spun c acestea sunt doar cteva din aplicaiile posibile pentru aceste microcamere, iar odat ce vor fi puse pe pia alte zeci de aplicaii vor fi descoperite de companii din varii domenii.

24

6. Concluzii

In ziua de astazi, camerele foto si video au numeroase aplicatii intr-o multitudine de

domenii. Camerele sunt impartite dupa senzorii pe care ii detin: de tip CCD sau de tip CMOS.

O data cu imbunatatirea tehnologiei, diferenta dintre acesti doi tipi de senzori a scazut, ei

devenind tot mai perfomanti, redand imagini calitative.

Utilizarea acestor camere performante se face in aplicatiile stiintifice din numeroase

domenii: medicina, industrie, astrofotografie, holografie digitala, etc. In aceste domenii mai

folosite sunt cele cu senzor de tip CMOS, deoarece redau mai bine imaginile necesare.

Exista si alte tipuri de camere folosite in aplicatii stiintifice precum: sisteme

termografice,camere de termoviziune, camere folosite in medicina: CT, PET, PET-CT si

camere miscroscopice.

Tehnologia din ziua de astazi avanseaza tot mai repede, iar camerele foto si video devin

din ce in ce mai performante, redand imagini cat mai clare si precise, care sunt necesare

avansarii domeniilor in care acestea sunt folosite.

25

7. Bibliografie

1. http://www.skywatcher.ro/

2. Special : Vision 2009 , Scientific CMOS image sensors, Dr. Gerhard Holst

3. http://www.descopera.ro/

4. http://www.spotimaging.com/cameras/

5. www.sciencedaily.com

6. PET I PET-CT: PRINCIPIU FIZIC I APLICAII MEDICALE, Jurnalul de Chirurgie, Iasi, 2007, Vol. 3, Nr. 2

7. Technical white paper, Axis Communications

8. www.wikipedia.com

9. http://scholar.google.ro/

26