05/08/2025Desde teléfonos inteligentes hasta instrumentos científicos, los sensores de imagen son fundamentales para la tecnología visual actual. Entre ellos, los sensores CMOS se han convertido en la tecnología dominante, presentes en todo tipo de aplicaciones, desde fotografías cotidianas hasta microscopía avanzada e inspección de semiconductores.
La tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) es una arquitectura electrónica y un conjunto de procesos de fabricación cuyas aplicaciones son increíblemente amplias. De hecho, podría decirse que la tecnología CMOS es la base de la era digital moderna.
¿Qué es un sensor CMOS?
Los sensores de imagen CMOS (CIS) utilizan píxeles activos, lo que significa que cada píxel de la cámara contiene tres o más transistores. Los píxeles CCD y EMCCD no contienen transistores.
Los transistores en cada píxel permiten controlar estos píxeles "activos", amplificar las señales mediante transistores de "efecto de campo" y acceder a sus datos, todo en paralelo. En lugar de una única ruta de lectura para un sensor completo o una fracción significativa de un sensor, se utiliza un sistema de transistores de efecto de campo.cámara CMOSIncluye al menos una fila completa de convertidores analógico-digitales (ADC) de lectura, uno (o más) ADC por cada columna del sensor. Cada uno de ellos puede leer el valor de su columna simultáneamente. Además, estos sensores de píxeles activos son compatibles con la lógica digital CMOS, lo que aumenta su funcionalidad potencial.
En conjunto, estas cualidades confieren a los sensores CMOS su velocidad. Sin embargo, gracias a este aumento del paralelismo, los convertidores analógico-digitales (ADC) individuales pueden medir con mayor precisión las señales detectadas durante más tiempo. Estos tiempos de conversión más prolongados permiten un funcionamiento con muy bajo nivel de ruido, incluso con un mayor número de píxeles. Gracias a esto y a otras innovaciones, el ruido de lectura de los sensores CMOS suele ser entre 5 y 10 veces menor que el de los CCD.
Las cámaras CMOS científicas modernas (sCMOS) son un subtipo especializado de CMOS diseñado para obtener imágenes de alta velocidad y bajo nivel de ruido en aplicaciones de investigación.
¿Cómo funcionan los sensores CMOS? (Incluyendo obturador rodante frente a obturador global)
El funcionamiento de un sensor CMOS típico se muestra en la figura y se describe a continuación. Tenga en cuenta que, debido a las diferencias operativas que se detallan más adelante, la temporización y el funcionamiento de la exposición variarán entre las cámaras CMOS con obturador global y las de obturador rodante.
NOTA: El proceso de lectura de las cámaras CMOS difiere entre las cámaras de obturador rodante y las de obturador global, como se explica en el texto. En ambos casos, cada píxel contiene un condensador y un amplificador que generan un voltaje en función del número de fotoelectrones detectados. Para cada fila, los voltajes de cada columna se miden simultáneamente mediante convertidores analógico-digitales.
Persiana enrollable
1. Para un sensor CMOS de obturador rodante, comenzando por la fila superior (o el centro para cámaras con sensor dividido), borre la carga de la fila para comenzar la exposición de esa fila.
2. Una vez transcurrido el "tiempo de línea" (normalmente de 5 a 20 μs), pase a la siguiente fila y repita desde el paso 1 hasta que todo el sensor esté expuesto.
3. En cada fila, las cargas se acumulan durante la exposición, hasta que dicha fila finaliza su tiempo de exposición. La primera fila en comenzar será la primera en terminar.
4. Una vez finalizada la exposición de una fila, transfiera las cargas al condensador de lectura y al amplificador.
5. A continuación, se conecta el voltaje de cada amplificador de esa fila al convertidor analógico-digital (ADC) de la columna y se mide la señal para cada píxel de la fila.
6. La operación de lectura y reinicio tardará el 'tiempo de línea' en completarse, después de lo cual la siguiente fila que comience la exposición habrá llegado al final de su tiempo de exposición, y el proceso se repetirá desde el paso 4.
7. Una vez completada la lectura de la fila superior, siempre que la fila inferior haya comenzado a exponer el fotograma actual, la fila superior puede iniciar la exposición del siguiente fotograma (modo de superposición). Si el tiempo de exposición es menor que el tiempo del fotograma, la fila superior debe esperar a que la fila inferior comience la exposición. El tiempo de exposición mínimo suele ser de una línea.
Cámara CMOS refrigerada FL 26BW de Tucson, que incorpora el sensor Sony IMX533, utiliza esta tecnología de obturador rodante.
Obturador global
1. Para iniciar la adquisición, se elimina simultáneamente la carga de todo el sensor (reinicio global del pozo de píxeles).
2. La carga se acumula durante la exposición.
3. Al finalizar la exposición, las cargas recolectadas se transfieren a un pozo enmascarado dentro de cada píxel, donde pueden esperar a ser leídas sin que se contabilicen nuevos fotones detectados. Algunas cámaras transfieren las cargas al condensador del píxel en esta etapa.
4. Con las cargas detectadas almacenadas en el área enmascarada de cada píxel, el área activa del píxel puede comenzar la exposición del siguiente fotograma (modo de superposición).
5. El proceso de lectura del área enmascarada se lleva a cabo como en los sensores de obturador rodante: fila por fila, desde la parte superior del sensor, las cargas se transfieren desde el pozo enmascarado al condensador y al amplificador de lectura.
6. El voltaje de cada amplificador en esa fila está conectado al ADC de la columna, y la señal se mide para cada píxel en la fila.
7. La operación de lectura y reinicio tardará el 'tiempo de línea' en completarse, tras lo cual el proceso se repetirá para la siguiente fila del paso 5.
8. Una vez leídas todas las filas, la cámara está lista para leer el siguiente fotograma y el proceso puede repetirse desde el paso 2, o desde el paso 3 si ya ha transcurrido el tiempo de exposición.
Cámara sCMOS monocromática Libra 3412M de TucsonUtiliza tecnología de obturador global, lo que permite una captura clara y rápida de muestras en movimiento.
Ventajas y desventajas de los sensores CMOS
Ventajas
● Mayores velocidadesLos sensores CMOS suelen ser entre uno y dos órdenes de magnitud más rápidos en la transmisión de datos que los sensores CCD o EMCCD.
● Sensores más grandesUna mayor velocidad de transmisión de datos permite un mayor número de píxeles y campos de visión más amplios, de hasta decenas o cientos de megapíxeles.
● Bajo nivel de ruidoAlgunos sensores CMOS pueden tener un ruido de lectura tan bajo como 0,25e-, rivalizando con los EMCCD sin necesidad de multiplicación de carga, que añade fuentes de ruido adicionales.
● Flexibilidad en el tamaño de los píxelesLos sensores de las cámaras de los dispositivos de consumo y los teléfonos inteligentes reducen el tamaño de los píxeles hasta aproximadamente 1 μm, mientras que las cámaras científicas con tamaños de píxel de hasta 11 μm son comunes, y existen opciones de hasta 16 μm.
● Menor consumo de energíaLos bajos requisitos de energía de las cámaras CMOS permiten su uso en una mayor variedad de aplicaciones científicas e industriales.
● Precio y vida útilLas cámaras CMOS de gama baja suelen tener un coste similar o inferior al de las cámaras CCD, mientras que las de gama alta son mucho más económicas que las EMCCD. Su vida útil esperada debería ser muy superior a la de una cámara EMCCD.
Desventajas
● Persiana enrollableLa mayoría de las cámaras CMOS científicas tienen un obturador rodante, lo que puede añadir complejidad a los flujos de trabajo experimentales o descartar algunas aplicaciones.
● Corriente oscura más altat: La mayoría de las cámaras CMOS tienen una corriente oscura mucho mayor que los sensores CCD y EMCCD, lo que a veces introduce un ruido significativo en exposiciones largas (> 1 segundo).
Dónde se utilizan hoy los sensores CMOS
Gracias a su versatilidad, los sensores CMOS se encuentran en una amplia gama de aplicaciones:
● Electrónica de consumo: Smartphones, webcams, DSLRs, cámaras de acción.
● Ciencias de la vida: Alimentación de sensores CMOScámaras de microscopíaSe utiliza en imágenes de fluorescencia y diagnóstico médico.
● AstronomíaLos telescopios y los dispositivos de imágenes espaciales suelen utilizar tecnología CMOS científica (sCMOS) para lograr alta resolución y bajo nivel de ruido.
● Inspección industrial: Inspección óptica automatizada (AOI), robótica ycámaras para inspección de semiconductoresConfía en los sensores CMOS para obtener velocidad y precisión.
● Automotriz: Sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), cámaras de visión trasera y de estacionamiento.
● Vigilancia y seguridad: Sistemas de detección de movimiento y de baja luminosidad.
Su velocidad y rentabilidad convierten a la tecnología CMOS en la solución ideal tanto para el uso comercial a gran escala como para el trabajo científico especializado.
Por qué CMOS es ahora el estándar moderno
El cambio de CCD a CMOS no se produjo de la noche a la mañana, pero era inevitable. He aquí por qué CMOS es ahora la piedra angular de la industria de la imagen:
● Ventaja de fabricación: Fabricado sobre líneas de producción de semiconductores estándar, lo que reduce los costes y mejora la escalabilidad.
● Mejoras en el rendimientoOpciones de obturador progresivo y global, sensibilidad mejorada en condiciones de poca luz y velocidades de fotogramas más altas.
● Integración e inteligenciaLos sensores CMOS ahora admiten procesamiento de IA en el chip, computación perimetral y análisis en tiempo real.
● InnovaciónLos nuevos tipos de sensores, como los CMOS apilados, los sensores de imagen cuántica y los sensores curvos, se basan en plataformas CMOS.
Desde teléfonos inteligentes hastacámaras científicasLa tecnología CMOS ha demostrado ser adaptable, potente y estar preparada para el futuro.
Conclusión
Los sensores CMOS se han convertido en el estándar moderno para la mayoría de las aplicaciones de imagen, gracias a su equilibrio entre rendimiento, eficiencia y coste. Ya sea para capturar recuerdos cotidianos o para realizar análisis científicos de alta velocidad, la tecnología CMOS constituye la base del mundo visual actual.
A medida que innovaciones como el CMOS de obturador global y el sCMOS sigan ampliando las capacidades de la tecnología, su dominio continuará durante los próximos años.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una persiana enrollable y una persiana global?
El obturador rodante lee los datos de la imagen línea por línea, lo que puede provocar artefactos de movimiento (por ejemplo, distorsión o vibración) al capturar sujetos en movimiento rápido.
El obturador global captura todo el fotograma simultáneamente, eliminando la distorsión causada por el movimiento. Es ideal para aplicaciones de imagen de alta velocidad, como la visión artificial y los experimentos científicos.
¿Qué es el modo de superposición CMOS con obturador rodante?
En las cámaras CMOS con obturador rodante, en el modo de superposición, la exposición del siguiente fotograma puede comenzar antes de que el actual haya finalizado por completo, lo que permite mayores velocidades de fotogramas. Esto es posible porque la exposición y la lectura de cada fila se realizan de forma escalonada.
Este modo resulta útil en aplicaciones donde la velocidad de fotogramas y el rendimiento máximos son cruciales, como en la inspección a alta velocidad o el seguimiento en tiempo real. Sin embargo, puede aumentar ligeramente la complejidad de la sincronización.
