25/07/31Embora em 2025 os sensores CMOS dominem tanto a imagem científica quanto a de consumo, nem sempre foi assim.
CCD significa "Dispositivo de Carga Acoplada" (Charge-Coupled Device), e os sensores CCD foram os sensores originais das câmeras digitais, desenvolvidos pela primeira vez em 1970. Câmeras baseadas em CCD e EMCCD eram comumente recomendadas para aplicações científicas até poucos anos atrás. Ambas as tecnologias sobrevivem até hoje, embora seus usos tenham se tornado um nicho.
O ritmo de aprimoramento e desenvolvimento dos sensores CMOS continua a aumentar. A diferença entre essas tecnologias reside principalmente na maneira como processam e leem a carga eletrônica detectada.
O que é um sensor CCD?
O sensor CCD é um tipo de sensor de imagem usado para capturar luz e convertê-la em sinais digitais. Consiste em uma matriz de pixels sensíveis à luz que coletam fótons e os transformam em cargas elétricas.
A leitura do sensor CCD difere do CMOS em três maneiras significativas:
● Transferência de cobrança:Os fotoelétrons capturados são movidos eletrostaticamente pixel a pixel através do sensor até uma área de leitura na parte inferior.
● Mecanismo de leitura: Em vez de uma linha inteira de conversores analógico-digitais (ADCs) operando em paralelo, os CCDs usam apenas um ou dois ADCs (ou às vezes mais) que leem pixels sequencialmente.
Posicionamento do capacitor e do amplificador: No lugar de capacitores e amplificadores em cada pixel, cada ADC tem um capacitor e um amplificador.
Como funciona um sensor CCD?
Veja como um sensor CCD funciona para adquirir e processar uma imagem:
Figura: Processo de leitura para um sensor CCD
Ao final da exposição, os sensores CCD primeiro movem as cargas coletadas para uma área de armazenamento mascarada dentro de cada pixel (não mostrado). Em seguida, uma linha de cada vez, as cargas são movidas para um registrador de leitura. Uma coluna de cada vez, as cargas dentro do registrador de leitura são lidas.
1. Compensação de cobrança: Para iniciar a aquisição, a carga é simultaneamente removida de todo o sensor (obturador global).
2. Acúmulo de carga: A carga se acumula durante a exposição.
3. Armazenamento de carga:No final da exposição, as cargas coletadas são movidas para uma área mascarada dentro de cada pixel (chamada CCD de transferência entre linhas), onde podem aguardar a leitura sem que novos fótons detectados sejam contados.
4. Exposição do próximo quadro: Com as cargas detectadas armazenadas na área mascarada de pixels, a área ativa de pixels pode iniciar a exposição do próximo quadro (modo de sobreposição).
5. Leitura sequencial:Uma linha de cada vez, as cargas de cada linha do quadro finalizado são movidas para um 'registrador de leitura'.
6. Leitura final: Uma coluna por vez, cargas de cada pixel são enviadas para o nó de leitura para leitura no ADC.
7. Repetição: Este processo se repete até que as cargas detectadas em todos os pixels sejam contadas.
Esse gargalo causado pelo fato de todas as cargas detectadas serem lidas por um pequeno número (às vezes um) de pontos de leitura, leva a severas limitações na taxa de transferência de dados dos sensores CCD em comparação aos CMOS.
Prós e contras dos sensores CCD
| Prós | Contras |
| Baixa corrente escura Normalmente ~0,001 e⁻/p/s quando resfriada. | Velocidade limitada Taxa de transferência típica ~20 MP/s — muito mais lenta que CMOS. |
| As taxas de binning em pixels são somadas antes da leitura, reduzindo o ruído. | Ruído de leitura alto de 5 a 10 e⁻ é comum devido à leitura do ADC de ponto único. |
| Obturador global Obturador global verdadeiro ou quase global em CCDs de transferência de quadros/interlinha. | Tamanhos maiores de pixels não podem corresponder à miniaturização oferecida pelo CMOS. |
| Alta uniformidade de imagem Excelente para imagens quantitativas. | Alto consumo de energia Requer mais energia para deslocamento de carga e leitura. |
Prós do sensor CCD
● Corrente escura baixa:Essencialmente como uma tecnologia, os sensores CCD tendem a ter uma corrente escura muito baixa, normalmente na ordem de 0,001 e-/p/s quando resfriados.
● Binning 'em pixel': Ao binarizar, os CCDs adicionam cargas antes da leitura, não depois, o que significa que não há introdução de ruído de leitura adicional. A corrente escura aumenta, mas, como observado acima, geralmente é muito baixa.
● Obturador global: Os sensores CCD 'Interline' operam com um obturador global verdadeiro. Os sensores CCD 'Frame Transfer' utilizam um obturador 'metade global' (veja a região 'Mascarada' da Figura 45) – o processo de transferência de quadros para iniciar e terminar a exposição não é verdadeiramente simultâneo, mas normalmente leva de 1 a 10 microssegundos. Alguns CCDs utilizam obturador mecânico.
Contras dos sensores CCD
● Velocidade limitada: a taxa de transferência de dados típica em pixels por segundo pode ser de cerca de 20 megapixels por segundo (MP/s), equivalente a uma imagem de 4 MP a 5 fps. Isso é cerca de 20 vezes mais lento que o CMOS equivalente e pelo menos 100 vezes mais lento que o CMOS de alta velocidade.
● Alto ruído de leitura: O ruído de leitura em CCDs é alto, em grande parte devido à necessidade de executar o(s) ADC(s) em uma taxa alta para atingir uma velocidade de câmera utilizável. 5 a 10 e- é comum para câmeras CCD de última geração.
● Pixels maiores: Para muitas aplicações, pixels menores oferecem vantagens. A arquitetura CMOS típica permite tamanhos mínimos de pixels menores que o CCD.
● Alto consumo de energia:Os requisitos de energia para executar sensores CCD são muito maiores do que os CMOS.
Aplicações de sensores CCD em imagens científicas
Embora a tecnologia CMOS tenha ganhado popularidade, os sensores CCD ainda são preferidos em certas aplicações de imagens científicas, onde a qualidade, a sensibilidade e a consistência da imagem são primordiais. Sua capacidade superior de capturar sinais de baixa luminosidade com ruído mínimo os torna ideais para aplicações de precisão.
Astronomia
Sensores CCD são essenciais em imagens astronômicas devido à sua capacidade de capturar a luz tênue de estrelas e galáxias distantes. São amplamente utilizados em observatórios e astronomia amadora avançada para astrofotografia de longa exposição, proporcionando imagens nítidas e detalhadas.
Microscopia e Ciências da Vida
Em ciências biológicas, sensores CCD são usados para capturar sinais de fluorescência fracos ou estruturas celulares sutis. Sua alta sensibilidade e uniformidade os tornam perfeitos para aplicações como microscopia de fluorescência, imagens de células vivas e patologia digital. Sua resposta linear à luz garante análises quantitativas precisas.
Inspeção de Semicondutores
Sensores CCD são cruciais na fabricação de semicondutores, especialmente para inspeção de wafers. Sua alta resolução e qualidade de imagem consistente são essenciais para identificar defeitos em microescala em chips, garantindo a precisão necessária na produção de semicondutores.
Raio X e Imagem Científica
Sensores CCD também são empregados em sistemas de detecção de raios X e outras aplicações especializadas de geração de imagens. Sua capacidade de manter altas relações sinal-ruído, especialmente quando resfriados, é vital para imagens nítidas em condições desafiadoras, como cristalografia, análise de materiais e ensaios não destrutivos.
Os sensores CCD ainda são relevantes hoje?
Câmera CCD Tucsen H-694 e 674
Apesar do rápido desenvolvimento da tecnologia CMOS, os sensores CCD estão longe de serem obsoletos. Eles continuam sendo a escolha preferida em tarefas de geração de imagens com baixíssima luminosidade e alta precisão, onde sua qualidade de imagem incomparável e características de ruído são cruciais. Em áreas como astronomia do espaço profundo ou microscopia avançada de fluorescência, as câmeras CCD frequentemente superam muitas alternativas CMOS.
Entender os pontos fortes e fracos dos sensores CCD ajuda pesquisadores e engenheiros a selecionar a tecnologia certa para suas necessidades específicas, garantindo desempenho ideal em suas aplicações científicas ou industriais.
Perguntas frequentes
Quando devo escolher um sensor CCD?
Sensores CCD são muito mais raros hoje do que há dez anos, à medida que a tecnologia CMOS começa a interferir até mesmo em seu desempenho com baixa corrente escura. No entanto, sempre haverá aplicações em que a combinação de suas características de desempenho — como qualidade de imagem superior, baixo ruído e alta sensibilidade — oferece uma vantagem.
Por que as câmeras científicas usam sensores CCD resfriados?
O resfriamento reduz o ruído térmico durante a captura da imagem, melhorando a clareza e a sensibilidade da imagem. Isso é particularmente importante para imagens científicas com pouca luz e longa exposição, e é por isso que muitos equipamentos de pontacâmeras científicasconfie em CCDs refrigerados para obter resultados mais limpos e precisos.
O que é o modo de sobreposição em sensores CCD e EMCCD e como ele melhora o desempenho da câmera?
Sensores CCD e EMCCD normalmente são compatíveis com o "modo de sobreposição". Para câmeras com obturador global, isso se refere à capacidade de ler o quadro anterior durante a exposição do próximo quadro. Isso resulta em um ciclo de trabalho alto (próximo a 100%), o que significa que o tempo mínimo é desperdiçado sem expor os quadros à luz e, portanto, em taxas de quadros mais altas.
Observação: o modo de sobreposição tem um significado diferente para sensores de obturador giratório.
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