Câmara fotográfica

O espectro de emissão do silício encontra-se localizado na região do infravermelho. A maioria das câmaras fotográficas estão equipadas com um filtro infravermelho, que impende a captura deste tipo de radiação. De modo a obter imagens de electroluminescência dos módulos foi necessária a remoção prévia deste filtro.

A captura de imagem é feita com uma câmara fotográfica Nikon D40. As imagens foram todas obtidas com o formato NEF (formato comprimido da Nikon) com uma profundidade de 48 bits, 12 por cada canal de cor. As características da máquina fotográfica encontram-se descritas na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 - Características físicas da Nikon D40 [38]. Nikon D40 Resolução Máxima 3008 × 2000

Pixels Efetivos 6 × 106

Tamanho do Sensor [mm] APS-C 23,7 × 15,5

Tipo do Sensor Si – CCD

Sensibilidade ISO 200 – 1600 Velocidade de Disparo [s] 1/4000 – 30 Compensação de Exposição [EV] ± 5

O ISO corresponde à sensibilidade do sensor à luz. Quanto maior o valor do ISO maior a sensibilidade do sensor e menos luz é necessária para obter uma imagem clara. Valores de sensibilidade ISO muito elevados produzem ruído na imagem, prejudicando a nitidez dos detalhes. Nesta dissertação a sensibilidade ISO selecionada foi igual a 200.

O tempo de exposição selecionado varia entre 1 a 30 segundos, dependendo das condições de teste. Para tempos de exposição superiores a 30 segundos a câmara deixa de fazer uma aquisição automática da imagem e a velocidade de disparo fica em modo “bulb”. Este modo obriga a que o botão de disparo seja pressionado durante o intervalo de tempo pretendido, uma vez não existia nenhum comando remoto o disparo tinha de ser feito manualmente, o que resultava em imagens tremidas.

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O sensor CCD da câmara é da marca Sony e o modelo é o ICX-453-AQ [39]. De forma a determinar a curva de resposta do sensor realizou-se um teste que consiste na aquisição de 18 imagens iguais, com tempos de exposição de 1/100 a 25 segundos. Este teste analisa o comportamento do sensor para comprimentos de onda na região do infravermelho do espectro eletromagnético, dado que a radiação emitida por uma célula de silício se encontra nesta zona do espectro.

A experiência foi realizada três vezes com os seguintes valores de compensação de exposição: -4 EV, 0 EV e +4 EV. Dentro destas 18 imagens foram selecionados dois pixels, um numa área luminosa da imagem e outro numa área mais escurecida da imagem. A Figura 3.2 corresponde a uma das 18 imagens adquiridas. Esta tem o objetivo de localizar os dois pixels escolhidos (caso o leitor deseje visualizar as restantes fotografias consultar o Anexo A.3).

Figura 3.2 - Localização dos dois pixels selecionados (assinalados a vermelho), um posicionado no módulo numa área mais luminosa e outro numa zona mais escura fora do módulo. Imagem RGB obtida em formato NEF 12 bits convertida para TIFF 8 bits, com ISO igual a 200, abertura igual a f/4,

distância focal igual a 35 mm, compensação de exposição de -4 EV e tempo de exposição de 2,5 s.

Foi traçada uma curva para cada canal de cor (vermelho, verde e azul) da intensidade luminosa do pixel em função do tempo de exposição. Os gráficos da Figura 3.3 a), b) e c) correspondem ao pixel na área luminosa e os gráficos da Figura 3.4 a), b) e c) correspondem ao pixel na área escura.

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a) b)

c)

Figura 3.3 - Curva de resposta do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona luminosa. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul.

a) b)

c)

Figura 3.4 - Curva de resposto do sensor de cada canal de cor para o pixel localizado na zona escurecida. a) Canal Vermelho, b) Canal Verde e c) Canal Azul.

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Através de uma análise dos gráficos da Figura 3.3verifica-se que, a partir de um determinado tempo de exposição, o pixel começa a ficar com uma intensidade perto do valor de saturação, 255, e que o tempo em que tal ocorre varia para os três canais.

O canal vermelho corresponde aquele em que a saturação ocorre com um tempo de exposição menor, aproximadamente 10 segundos. O canal verde corresponde aquele em que a saturação ocorre num tempo de exposição maior, de aproximadamente 25 segundos. O canal azul tem comportamento idêntico ao verde, com a saturação a ocorrer aos 25 segundos. Pode afirmar-se que, o canal verde continua a ter valores de intensidade sensivelmente mais baixos do que o azul.

Pode afirmar-se que, o canal vermelho é o mais sensível à radiação infravermelha e que o menos sensível é o verde. Tal acontece devido à remoção prévia do filtro infravermelho da câmara, tornando o sensor CCD mais sensível a esta cor.

Também se pode concluir que a variação da compensação de exposição tem pouca influência sobre o nível de intensidade luminosa do pixel, independentemente do canal que se está a analisar. Analisando os três gráficos verifica-se que não existe relação proporcionalmente direta entre o nível de intensidade do pixel e o tempo a que este está exposto à radiação.

Através de uma análise dos gráficos da Figura 3.4 verifica-se que, ao contrário dos resultados anteriores, o nível de intensidade nunca chega a atingir níveis de saturação em nenhum dos canais. O nível de intensidade máximo é 74 aos 25 segundos, para o canal vermelho, com uma compensação de exposição de -4 EV.

Observando os três gráficos verifica-se que o canal mais sensível corresponde ao vermelho e o menos sensível ao verde, com um nível de intensidade máximo de 26 aos 25 segundos, para uma compensação de exposição de -4 EV. O canal azul atinge um nível de saturação máximo de 53 aos 25 segundos, para uma compensação de exposição de -4 EV.

Ao contrário dos resultados obtidos anteriormente verifica-se que, a compensação de exposição tem uma determinada influência sobre os níveis de intensidade luminosa, com um comportamento idêntico para o canal vermelho, verde e azul. No entanto, o seu efeito é pouco significativo para que seja analisado de forma quantitativa.

Comparativamente, aos resultados anteriores, a curva de resposta do pixel situado na área escura apresenta um comportamento linear. Isto é, existe uma relação de proporcionalidade direta entre os níveis de intensidade luminosa e o tempo de exposição ao qual o pixel está sujeito. Pode-se concluir que, em situações onde os níveis de intensidade luminosa são baixos, a curva de resposta do sensor comporta-se de forma linear.

Na Figura 3.5 encontra-se representada a curva de sensibilidade de um sensor Si-CCD a linha ponteada, e a linha tracejada a curva do espectro de emissão do silício à temperatura ambiente. O comprimento de onda da sensibilidade do sensor varia em função da sua eficiência quântica. O espectro de emissão do silício é medido em intensidade de luminescência.

O espectro de emissão do silício tem uma intensidade de luminescência máxima de 10 aos 1150 nm, que corresponde ao comprimento de onda do hiato de energia do silício. A sensibilidade do sensor Si-CCD tem um alcance de comprimento de onda máximo de 1200 nm, aproximadamente.

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A luminescência detetada é o resultado da multiplicação da sensibilidade do sensor pela luminescência do silício. Esta é representada pela linha contínua, e apresenta um máximo aos 1050 nm. Embora o sensor CCD tenha uma eficiência quântica baixa, onde a intensidade do silício é máxima, uma incrementação do tempo de exposição resulta em imagens EL com níveis de intensidade de luminescência elevados.

Figura 3.5 - Espectro de emissão de uma célula de silício à temperatura ambiente (linha a tracejado), sensibilidade de um sensor Si-CCD (linha a ponteado) e luminescência detetada pelo sensor (linha

contínua) (adaptado de Fuyuki et al. [19]).