25/07/31Si bien en 2025 los sensores CMOS dominan tanto la imagen científica como la de consumo, este no siempre fue el caso.
CCD significa "Dispositivo de Carga Acoplada" (Charge-Coupled Device), y los sensores CCD fueron los sensores originales de las cámaras digitales, desarrollados por primera vez en 1970. Hasta hace pocos años, las cámaras basadas en CCD y EMCCD se recomendaban comúnmente para aplicaciones científicas. Ambas tecnologías siguen vigentes hoy en día, aunque sus usos se han vuelto nicho.
El ritmo de mejora y desarrollo de los sensores CMOS continúa en aumento. 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 captura la luz y la convierte en señales digitales. Consiste en un conjunto de píxeles fotosensibles que captan fotones y los convierten en cargas eléctricas.
La lectura del sensor CCD difiere de la del CMOS en tres formas importantes:
● Transferencia de carga:Los fotoelectrones capturados se mueven electrostáticamente píxel a píxel a través del sensor hasta un área de lectura en la parte inferior.
● Mecanismo de lectura:En lugar de una fila entera de convertidores analógicos a digitales (ADC) que operan en paralelo, los CCD utilizan sólo uno o dos ADC (o a veces más) que leen píxeles secuencialmente.
Ubicación de capacitores y amplificadores: en lugar de capacitores y amplificadores en cada píxel, cada ADC tiene un capacitor y un amplificador.
¿Cómo funciona un sensor CCD?
Así es como funciona un sensor CCD para adquirir y procesar una imagen:
Figura: Proceso de lectura de un sensor CCD
Al finalizar la exposición, los sensores CCD trasladan 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. Columna por columna, las cargas dentro del registro de lectura se leen.
1. Compensación de cargos:Para comenzar la adquisición, se borra simultáneamente la carga de todo el sensor (obturador global).
2. Acumulación de carga:La carga se acumula durante la exposición.
3. Almacenamiento de carga:Al 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 la lectura sin que se cuenten los nuevos fotones detectados.
4. Exposición del siguiente fotograma:Con 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:Una fila a la vez, las cargas de cada fila del marco terminado se mueven a un 'registro de lectura'.
6. Lectura final:Una columna a la vez, las cargas de cada píxel se envían al nodo de lectura para su lectura en el ADC.
7. Repetición:Este proceso se repite hasta que se cuenten las cargas detectadas en todos los píxeles.
Este cuello de botella causado por todas las cargas detectadas que son leídas por un pequeño número (a veces uno) de puntos de lectura, genera graves limitaciones en el rendimiento de los datos de los sensores CCD en comparación con los CMOS.
Pros y contras de los sensores CCD
| Ventajas | Contras |
| Corriente oscura baja Generalmente ~0,001 e⁻/p/s cuando se enfría. | Velocidad limitada Rendimiento típico ~20 MP/s, mucho más lento que CMOS. |
| Los cargos por agrupamiento en píxeles se suman antes de la lectura, lo que reduce el ruido. | El ruido de lectura alto de 5 a 10 e⁻ es común debido a la lectura del ADC de punto único. |
| Obturador global Obturador global real o casi global en CCD con transferencia entre líneas/fotogramas. | Los tamaños de píxeles más grandes no pueden igualar la miniaturización que ofrece CMOS. |
| Alta uniformidad de imagen Excelente para imágenes cuantitativas. | Alto consumo de energía Requiere más energía para el cambio de carga y la lectura. |
Ventajas del sensor CCD
● Baja corriente oscura:Como tecnología inherente, los sensores CCD tienden a tener una corriente oscura muy baja, típicamente del orden de 0,001 e-/p/s cuando se enfrían.
● Binning 'en píxeles'Al agrupar, los CCD añaden cargas antes de la lectura, no después, lo que significa que no se introduce ruido de lectura adicional. La corriente oscura aumenta, pero, como se mencionó anteriormente, suele ser muy baja.
● Obturador globalLos sensores CCD de interlínea 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 simultáneo, sino que 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), equivalente a una imagen de 4 MP a 5 fps. Esto es aproximadamente 20 veces más lento que un CMOS equivalente y al menos 100 veces más lento que un CMOS de alta velocidad.
● Alto ruido de lectura:El ruido de lectura en los CCD es alto, en gran medida debido a la necesidad de ejecutar los ADC a una velocidad alta para lograr una velocidad de cámara utilizable. De 5 a 10 e- es común para las cámaras CCD de alta gama.
● Píxeles más grandesEn muchas aplicaciones, los píxeles más pequeños ofrecen ventajas. La arquitectura CMOS típica permite tamaños de píxel mínimos más pequeños que los CCD.
● Alto consumo de energía:Los requisitos de energía para el funcionamiento de los sensores CCD son mucho mayores que los de los CMOS.
Aplicaciones de los sensores CCD en la imagen científica
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 en condiciones de poca luz con mínimo ruido los hace ideales para aplicaciones de precisión.
Astronomía
Los sensores CCD son fundamentales en la obtención de imágenes astronómicas gracias a su capacidad para capturar la tenue luz de estrellas y galaxias distantes. Se utilizan ampliamente tanto en observatorios como en 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 ideales para aplicaciones como la microscopía de fluorescencia, la obtención de imágenes de células vivas y la patología digital. Su respuesta luminosa lineal garantiza un análisis cuantitativo preciso.
Inspección de semiconductores
Los sensores CCD son cruciales en la fabricación de semiconductores, en particular para la inspección de obleas. Su alta resolución y calidad de imagen constante son esenciales para identificar defectos microscópicos en chips, garantizando así la precisión necesaria 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 especializadas de imagen. Su capacidad para mantener una alta relación señal-ruido, especialmente en condiciones de refrigeración, es vital para obtener imágenes nítidas en condiciones exigentes como la cristalografía, el análisis de materiales y los ensayos no destructivos.
¿Son todavía 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 estar obsoletos. Siguen siendo la opción preferida para tareas de imagen de alta precisión y con luz ultrabaja, donde su inigualable calidad de imagen y características de ruido son cruciales. En campos como la astronomía espacial profunda 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 escasos hoy que hace diez años, ya que la tecnología CMOS empieza a superar 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 nivel de ruido y alta sensibilidad, ofrezca una ventaja.
¿Por qué las cámaras científicas utilizan sensores CCD refrigerados?
La refrigeración reduce el ruido térmico durante la captura de imágenes, lo que mejora su claridad y sensibilidad. Esto es especialmente importante para imágenes científicas con poca luz y exposición prolongada, razón por la cual muchos equipos de alta gama...cámaras científicasConfíe en 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 tener 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 genera un ciclo de trabajo elevado (casi el 100 %), lo que significa que se pierde un tiempo mínimo sin exponer los fotogramas a la luz y, por lo tanto, velocidades de fotogramas más altas.
Nota: El modo de superposición tiene un significado diferente para los sensores de persiana enrollable.
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