31/07/2025Si bien en 2025 los sensores CMOS dominan tanto la imagen científica como la de consumo, no siempre fue así.
CCD significa «Dispositivo de Carga Acoplada», y los sensores CCD fueron los sensores originales de las cámaras digitales, desarrollados por primera vez en 1970. Las cámaras basadas en CCD y EMCCD se recomendaban comúnmente para aplicaciones científicas hasta hace pocos años. Ambas tecnologías aún se utilizan hoy en día, aunque su uso se ha vuelto más especializado.
El ritmo de mejora y desarrollo de los sensores CMOS sigue aumentando. La diferencia entre estas tecnologías radica principalmente en la forma en que procesan y leen la carga electrónica detectada.
¿Qué es un sensor CCD?
El sensor CCD es un tipo de sensor de imagen que se utiliza para capturar la luz y convertirla en señales digitales. Consta de una matriz de píxeles fotosensibles que recogen fotones y los transforman en cargas eléctricas.
La lectura del sensor CCD difiere de la del CMOS en tres aspectos importantes:
● Transferencia de cargosLos fotoelectrones capturados se mueven electrostáticamente píxel a píxel a través del sensor hasta un área de lectura en la parte inferior.
● Mecanismo de lecturaEn lugar de una fila completa de convertidores analógico-digitales (ADC) que operan en paralelo, los CCD utilizan solo uno o dos ADC (o a veces más) que leen los píxeles secuencialmente.
Ubicación de condensadores y amplificadores: En lugar de condensadores y amplificadores en cada píxel, cada ADC tiene un condensador y un amplificador.
¿Cómo funciona un sensor CCD?
Así es como funciona un sensor CCD para adquirir y procesar una imagen:
Al finalizar su exposición, los sensores CCD transfieren las cargas recolectadas a un área de almacenamiento protegida dentro de cada píxel (no se muestra). Luego, fila por fila, las cargas se transfieren a un registro de lectura. Finalmente, columna por columna, se leen las cargas del registro de lectura.
1. Liquidación de cargosPara comenzar la adquisición, se borra simultáneamente la carga de todo el sensor (obturador global).
2. Acumulación de cargaLa carga se acumula durante la exposición.
3. Almacenamiento de cargaAl final de la exposición, las cargas recolectadas se trasladan a un área enmascarada dentro de cada píxel (llamada CCD de transferencia interlínea), donde pueden esperar la lectura sin que se cuenten los nuevos fotones detectados.
4. Exposición del siguiente fotogramaCon las cargas detectadas almacenadas en el área enmascarada de píxeles, el área activa de píxeles puede comenzar la exposición del siguiente fotograma (modo de superposición).
5. Lectura secuencialFila por fila, las cargas de cada fila del marco terminado se transfieren a un 'registro de lectura'.
6. Lectura final: Una columna a la vez, las cargas de cada píxel se transportan al nodo de lectura para su lectura en el ADC.
7. RepeticiónEste proceso se repite hasta que se contabilizan las cargas detectadas en todos los píxeles.
Este cuello de botella, causado por el hecho de que todas las cargas detectadas sean leídas por un pequeño número (a veces uno) de puntos de lectura, conduce a graves limitaciones en el rendimiento de datos de los sensores CCD en comparación con los CMOS.
Ventajas y desventajas de los sensores CCD
| Ventajas | Contras |
| Baja corriente oscura, típicamente ~0,001 e⁻/p/s cuando se enfría. | Velocidad limitada. Rendimiento típico ~20 MP/s — mucho más lento que CMOS. |
| Las cargas de agrupación de píxeles se suman antes de la lectura, lo que reduce el ruido. | El alto ruido de lectura de 5–10 e⁻ es común debido a la lectura ADC de un solo punto. |
| Obturador global. Obturador global verdadero o casi global en CCD de transferencia de fotogramas/interlínea. | Los píxeles de mayor tamaño no pueden igualar la miniaturización que ofrece la tecnología CMOS. |
| Alta uniformidad de imagen. Excelente para imágenes cuantitativas. | Alto consumo de energía: Requiere más energía para la transferencia de carga y la lectura. |
Ventajas del sensor CCD
● Baja corriente oscuraPor su naturaleza tecnológica, los sensores CCD tienden a tener una corriente oscura muy baja, típicamente del orden de 0,001 e-/p/s cuando se enfrían.
● Agrupación de píxelesDurante el proceso de agrupamiento de píxeles, los CCD añaden carga antes de la lectura, no después, lo que evita la introducción de ruido de lectura adicional. La corriente oscura aumenta, pero, como se mencionó anteriormente, suele ser muy baja.
● Obturador globalLos sensores CCD de interconexión funcionan con un obturador global real. Los sensores CCD de transferencia de fotogramas utilizan un obturador semiglobal (véase la región enmascarada de la figura 45); el proceso de transferencia de fotogramas para iniciar y finalizar la exposición no es totalmente simultáneo, pero suele durar entre 1 y 10 microsegundos. Algunos CCD utilizan obturador mecánico.
Desventajas de los sensores CCD
● Velocidad limitadaLa velocidad de transferencia de datos típica, medida en píxeles por segundo, ronda los 20 megapíxeles por segundo (MP/s), lo que equivale a una imagen de 4 MP a 5 fps. Esto supone unas 20 veces más lento que un sensor CMOS equivalente y al menos 100 veces más lento que un sensor CMOS de alta velocidad.
● Alto ruido de lecturaEl ruido de lectura en los CCD es elevado, debido principalmente a la necesidad de que el ADC funcione a alta velocidad para lograr una velocidad de cámara útil. Un valor de 5 a 10 e- es común en cámaras CCD de gama alta.
● Píxeles más grandesEn muchas aplicaciones, los píxeles más pequeños ofrecen ventajas. La arquitectura CMOS típica permite tamaños mínimos de píxel más pequeños que los CCD.
● Alto consumo de energíaLos requisitos de energía para el funcionamiento de los sensores CCD son mucho mayores que los de los CMOS.
Aplicaciones de los sensores CCD en imágenes científicas
Aunque la tecnología CMOS ha ganado popularidad, los sensores CCD siguen siendo la opción preferida en ciertas aplicaciones de imagen científica donde la calidad, la sensibilidad y la consistencia de la imagen son fundamentales. Su capacidad superior para capturar señales con poca luz y un ruido mínimo los hace ideales para aplicaciones de precisión.
Astronomía
Los sensores CCD son fundamentales en la astrofotografía debido a su capacidad para captar la tenue luz de estrellas y galaxias distantes. Se utilizan ampliamente tanto en observatorios como en la astronomía amateur avanzada para la astrofotografía de larga exposición, proporcionando imágenes nítidas y detalladas.
Microscopía y Ciencias de la Vida
En ciencias de la vida, los sensores CCD se utilizan para capturar señales de fluorescencia débiles o estructuras celulares sutiles. Su alta sensibilidad y uniformidad los hacen perfectos para aplicaciones como la microscopía de fluorescencia, la imagen de células vivas y la patología digital. Su respuesta lineal a la luz garantiza un análisis cuantitativo preciso.
Inspección de semiconductores
Los sensores CCD son cruciales en la fabricación de semiconductores, especialmente para la inspección de obleas. Su alta resolución y calidad de imagen constante son esenciales para identificar defectos a microescala en los chips, garantizando la precisión requerida en la producción de semiconductores.
Rayos X e imágenes científicas
Los sensores CCD también se emplean en sistemas de detección de rayos X y otras aplicaciones de imagen especializadas. Su capacidad para mantener altas relaciones señal/ruido, especialmente cuando se enfrían, es vital para obtener imágenes nítidas en condiciones difíciles como la cristalografía, el análisis de materiales y los ensayos no destructivos.
¿Siguen siendo relevantes los sensores CCD hoy en día?
Cámara CCD Tucson H-694 y 674
A pesar del rápido desarrollo de la tecnología CMOS, los sensores CCD están lejos de ser obsoletos. Siguen siendo la opción preferida para tareas de imagen de alta precisión y en condiciones de luz ultrabaja, donde su inigualable calidad de imagen y sus características de ruido son cruciales. En campos como la astronomía del espacio profundo o la microscopía de fluorescencia avanzada, las cámaras CCD a menudo superan a muchas alternativas CMOS.
Comprender las fortalezas y debilidades de los sensores CCD ayuda a los investigadores e ingenieros a seleccionar la tecnología adecuada para sus necesidades específicas, garantizando un rendimiento óptimo en sus aplicaciones científicas o industriales.
Preguntas frecuentes
¿Cuándo debo elegir un sensor CCD?
Los sensores CCD son mucho menos comunes hoy que hace diez años, ya que la tecnología CMOS está empezando a alcanzar incluso su bajo rendimiento en corriente oscura. Sin embargo, siempre habrá aplicaciones donde su combinación de características de rendimiento —como una calidad de imagen superior, bajo ruido y alta sensibilidad— suponga una ventaja.
¿Por qué las cámaras científicas utilizan sensores CCD refrigerados?
La refrigeración reduce el ruido térmico durante la captura de imágenes, mejorando la nitidez y la sensibilidad. Esto es especialmente importante para la obtención de imágenes científicas con poca luz y largas exposiciones, por lo que muchos sistemas de refrigeración de alta gama utilizan este sistema.cámaras científicasConfía en los CCD refrigerados para obtener resultados más limpios y precisos.
¿Qué es el modo de superposición en los sensores CCD y EMCCD, y cómo mejora el rendimiento de la cámara?
Los sensores CCD y EMCCD suelen ser compatibles con el modo de superposición. En las cámaras con obturador global, esto se refiere a la capacidad de leer el fotograma anterior durante la exposición del siguiente. Esto conlleva un ciclo de trabajo elevado (cercano al 100%), lo que significa que se minimiza el tiempo que los fotogramas permanecen sin exposición a la luz y, por lo tanto, se obtienen velocidades de fotogramas más altas.
Nota: El modo de superposición tiene un significado diferente para los sensores de obturador electrónico.
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