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 primeros sensores de las cámaras digitales, desarrollados en 1970. Las cámaras basadas en CCD y EMCCD se recomendaban habitualmente para aplicaciones científicas hasta hace pocos años. Ambas tecnologías siguen vigentes hoy en día, aunque su uso se ha reducido considerablemente.
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 sensor 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 funcionan 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 convertidor analógico-digital (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 la exposición, los sensores CCD primero transfieren las cargas recolectadas a un área de almacenamiento enmascarada dentro de cada píxel (no se muestra). Luego, fila por fila, las cargas se transfieren a un registro de lectura. Finalmente, se leen las cargas del registro de lectura columna por columna.
1. Liquidación de cargosPara iniciar la adquisición, se elimina simultáneamente la carga de todo el sensor (obturador global).
2. Acumulación de carga: La carga se acumula durante la exposición.
3. Almacenamiento de cargaAl final de la exposición, las cargas recolectadas se mueven a un área enmascarada dentro de cada píxel (llamada CCD de transferencia entre líneas), donde pueden esperar a ser leídas 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 secuencial: Fila por fila, las cargas de cada fila del fotograma terminado se transfieren a un 'registro de lectura'.
6. Lectura finalColumna por columna, las cargas de cada píxel se transfieren al nodo de lectura para su procesamiento en el convertidor analógico-digital (ADC).
7. RepeticiónEste proceso se repite hasta que se hayan contabilizado 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 número reducido (a veces solo uno) de puntos de lectura, conlleva graves limitaciones en el rendimiento de datos de los sensores CCD en comparación con los CMOS.
Ventajas y desventajas de los sensores CCD
| Ventajas | Desventajas |
| Baja corriente oscura, típicamente ~0,001 e⁻/p/s cuando está enfriado. | Velocidad limitada. Rendimiento típico: ~20 MP/s, mucho más lento que CMOS. |
| Las cargas de agrupamiento en píxeles se suman antes de la lectura, lo que reduce el ruido. | Es común encontrar un alto nivel de ruido de lectura de 5 a 10 e⁻ debido a la lectura del convertidor analógico-digital de un solo punto. |
| Obturador global Obturador global real 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 oscura: Por su propia naturaleza tecnológica, los sensores CCD tienden a tener una corriente oscura muy baja, típicamente del orden de 0,001 e-/p/s cuando están refrigerados.
● Agrupación de píxeles 'en el píxel'Al realizar el agrupamiento de píxeles, los CCD añaden cargas antes de la lectura, no después, lo que significa que no se introduce ruido de lectura adicional. La corriente oscura sí aumenta, pero como se mencionó anteriormente, suele ser muy baja.
● Obturador globalLos sensores CCD de tipo "Interline" funcionan con un obturador global verdadero. 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 realmente simultáneo, pero suele tardar entre 1 y 10 microsegundos. Algunos CCD utilizan obturador mecánico.
Desventajas de los sensores CCD
● Velocidad limitadaEl rendimiento típico de datos en píxeles por segundo puede rondar los 20 megapíxeles por segundo (MP/s), lo que equivale a una imagen de 4 MP a 5 fps. Esto es aproximadamente 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 alto, debido principalmente a la necesidad de que los convertidores analógico-digitales (ADC) funcionen a una velocidad elevada para lograr una velocidad de cámara utilizable. Un valor de 5 a 10 e- es común en las cámaras CCD de gama alta.
● Píxeles más grandesPara 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 sensores CMOS.
Aplicaciones de los sensores CCD en la obtención de imágenes científicas
Aunque la tecnología CMOS ha ganado popularidad, los sensores CCD siguen siendo los preferidos en ciertas aplicaciones de imagen científica donde la calidad, la sensibilidad y la consistencia de la imagen son primordiales. 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 capturar 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 biológicas, los sensores CCD se utilizan para capturar señales de fluorescencia débiles o estructuras celulares sutiles. Su alta sensibilidad y uniformidad los hacen ideales para aplicaciones como la microscopía de fluorescencia, la obtención de imágenes 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 fundamentales 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, lo que garantiza 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 una alta relación señal-ruido, especialmente cuando se enfrían, es fundamental para obtener imágenes nítidas en condiciones difíciles, como en cristalografía, análisis de materiales y ensayos no destructivos.
¿Siguen siendo relevantes hoy en día los sensores CCD?
Cámara CCD Tucsen 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 en tareas de imagen de alta precisión y con muy poca luz, donde su calidad de imagen y sus características de ruido inigualables son cruciales. En campos como la astronomía de espacio profundo o la microscopía de fluorescencia avanzada, las cámaras CCD suelen superar 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 más raros hoy en día que hace diez años, ya que la tecnología CMOS comienza a invadir incluso su rendimiento de baja 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, proporciona una ventaja.
¿Por qué las cámaras científicas utilizan sensores CCD refrigerados?
El enfriamiento reduce el ruido térmico durante la captura de imágenes, mejorando la claridad y la sensibilidad de la imagen. Esto es particularmente importante para la obtención de imágenes científicas con poca luz y larga exposición, razón por la cual muchos equipos de gama alta utilizan este sistema.cámaras científicasConfíe en los sensores CCD refrigerados para obtener resultados más nítidos 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 resulta en un ciclo de trabajo elevado (cercano al 100%), lo que significa que se pierde un tiempo mínimo sin exponer los fotogramas 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 rodante.
Si desea obtener más información sobre las persianas enrollables, haga clic aquí:
Cómo funciona el modo de control de obturador rodante y cómo usarlo.
