Apuntes universitarios (VII): dispositivos de transferencia de carga (CID, CCD)
Aquí tenéis una nueva entrega de mis trabajos universitarios, en este capítulo veremos los dispositivos de transferencia de carga. El tema central de todos los apuntes, como ya sabeis, se refiere a la Instrumentación en Química.
Detectores de fotones multicanal
Consisten en una alineación de diminutos detectores fotosensibles dispuestos en una estructura que puede medir a la vez todos los elementos de un haz de radiación que han sido dispersados por una red.
En la actualidad se utilizan tres tipos de dispositivos multicanal en los instrumentos espectrescópicos:
- Fotodiodos en serie (PDA)
- Dispositivos de inyección de carga (CID)
- Dispositivos de acoplamiento de carga (CCD)
Fotodiodo en serie: Consiste en una descarga de fotodiodos sobre un circuito integrado. Para el caso de espectroscopía se coloca la imagen plana de un espectrómetro en un rango de longitud de onda para ser detectado simultáneamente.
Los elementos fotosensibles individuales son pequeños fotodiodos de silicio, cada uno de los cuales constituye una parte de un circuito integrado a gran escala montado sobre un único chip de silicio.
Los fotodiodos en serie no pueden compararse con el funcionamiento de los tubos fotomultiplicadores en término de sensibilidad, intervalo dinámico y relación señal/ruido. Por tanto, su uso se limita a circunstancias en las que las ventajas del multicanal superen a sus inconvenientes.
(En este trabajo voy a explicar sobretodo los dispositivos CID y CCD)
Dispositivos de transferencia de carga
A diferencia de los fotodiodos en serie, parecen aproximarse a las características de los tubos fotomultiplicadores y, además, tienen la ventaja de ser multicanal. Por ello, este tipo de detectores se emplea cada vez más en los instrumentos espectroscópicos.
Otra ventaja es que son bidimensionales, es decir, sus elementos de detección individuales están dispuestos en filas y columnas.
Los dispositivos de transferencia de carga se parecen en la forma de trabajar, a una película fotográfica en cuanto a que integran la señal en información a medida que la radiación incide sobre ellos. En el caso, el píxel consta de dos electrodos conductores que se sitúan por encima de la capa aislante de sílice. La capa de sílice separa los electrodos de una región de silicio. Este montaje constituye un condensador semiconductor de óxido de metal que almacena las cargas formadas mientras la radiación incide sobre el silicio dopado. Cuando se aplica una carga negativa a los electrodos, se crea una región de inversión de carga bajo los electrodos, que es muy favorable al almacenamiento de los huecos. Los huecos móviles creados por la absorción de fotones migran y se recogen en esta región, denominada pozo de potencial que es capaz de mantener de 105 a 106cargas antes de que pasen al píxel contiguo.
La cantidad de carga generada durante la exposición a la radiación se mide de dos maneras. En un dispositivo de inyección de carga, se mide el cambio de potencial resultante del movimiento de la carga desde la región bajo uno de lo electrodos hasta la región debajo del otro. En un dispositivo de acoplamiento de carga, la carga se mueve hasta un amplificador sensible a la carga para su medida.
Dispositivos de inyección de carga (CID)
La figura representa un diagrama que muestra las etapas implicadas en la recogida, almacenamiento y medida de la carga generada cuando un píxel de un semiconductor se expone a los fotones.
En la etapa (a), se aplican a los dos electrodos potenciales negativos, que dan lugar a la formación de pozos de potencial que recogen y almacenan los huecos formados en la capa n al absorber los fotones. Todos los huecos se retienen inicialmente en el electrodo de la derecha, ya que está a un potencial más negativo. La magnitud de la carga recogida en un breve intervalo de tiempo se determina en las etapas (b) y (c).
En (b), el potencial del condensador de la izquierda (V1) se determina después de la eliminación del potencial aplicado.
En la etapa (c), los huecos acumulados en el electrodo de la derecha se transfieren al pozo de potencial debajo del electrodo de la izquierda al conmutar de negativo a positivo el potencial aplicado al primero. Se mide el nuevo potencial del electrodo V2. La magnitud de la carga acumulada se determina a partir de la diferencia de potencial (V1-V2).
En la etapa (d) al aplicar potenciales positivos a ambos electrones, el detector vuelve a su estado original, lo que hace que los huecos migren al sustrato. Sin embargo, como alternativa a la etapa (d), el detector puede volver a las condiciones de ala etapa (a) sin pérdida de la carga que ya ha acumulado. Este proceso se denomina modalidad de lectura no destructiva (NDRO).
¿Qué es un píxel?
Píxel, abreviatura de Picture Element, es un único punto en una imagen gráfica. Los monitores gráficos muestran imágenes dividiendo la pantalla en miles (o millones) de píxeles, dispuestos en filas y columnas. Los píxeles están tan juntos que parece que estén conectados.
El número de bits usados para representar cada píxel determina cuántos colores o gamas de gris pueden ser mostrados. Por ejemplo, en modo color de 8-bits, el monitor en color utiliza 8 bits para cada píxel, permitiendo mostrar 2 elevado a 8 (256) colores diferentes o gamas de gris. En monitores de color, cada píxel se compone realmente de tres puntos: uno rojo, uno azul, y uno verde. Idealmente, los tres puntos convergen en el mismo punto, pero todos los monitores tienen cierto error de convergencia que puede hacer que el color los píxeles aparezca borroso.
La calidad de un sistema de visualización depende en gran medida de su resolución, es decir, cuántos bits utilizan para representar cada píxel.
Un megapíxel equivale a 1 millón de píxeles (para ser exactos 1.048.576 píxeles). Usualmente se utiliza esta unidad para expresar la resolución de imagen de cámaras digitales, por ejemplo, una cámara que puede tomar fotografías con una resolución de 2048 × 1536 píxeles se dice que tiene 3,1 mega píxeles (2048 × 1536 = 3.145.728).
Las cámaras digitales usan una electrónica fotosensible, como CCDs (del inglés Charge-Coupled Device) o sensores CMOS, que graban niveles de brillo en una base por-píxel. En la mayoría de las cámaras digitales, el CCD esta cubierto con un filtro coloreado, teniendo regiones color rojo, verde y azul (RGB) organizadas en mosaico según el filtro de Bayer, así que cada píxel-sensor puede grabar el brillo de un solo color primario. La cámara interpola la información de color de los píxeles vecinos, mediante un proceso llamado «de-mosaicing», para crear la imagen final.
Dispositivos de acoplamiento de carga (CCD)
La respuesta espectral de CCD para espectroscopía óptica se extiende en el intervalo desde infrarrojo cercano hasta ultravioleta e incluso en la región de rayos X.
Diversos fabricantes comercializan una gran variedad de estos dispositivos tanto de forma como de composición. Una disposición típica de los detectores es la serie compuesta por 512 x 320 píxeles. En este caso el semiconductor está formado por silicio tipo p y el condensador está polarizado positivamente, de manera que los electrones formados por la absorción de radiación se recogen en el pozo debajo del electrodo, mientras que los huecos migran de la capa tipo n hacia el sustrato. Destacar que cada píxel está compuesto de tres electrodos.
Los tamaños del píxel generalmente en el intervalo de 15-30 μm cuadrados, se colocan en una matriz, o en fila geométrica parecida a un peine. El mayor número de electrones que puede almacenar un píxel está en el intervalo 50000-500000. Los cambios generados por la luz se acumulan tanto como se desea, y entonces los paquetes de carga de cada píxel se leen y se amplifican. Es decir, un CCD integra automáticamente la cantidad de luz que cae en él. Mientras el número máximo de cargas no excede en cualquier píxel, el CCD puede continuar permitiendo guardar cargas.
Después de terminar el tiempo de recogida, las cargas en los píxeles de CCD se cambian a una fila simple a través de la matriz del píxel, una cada vez, donde los cambios para cada píxel se alcanzan cargando el condensador y amplificando el potencial a lo largo del mismo.
Los movimientos de los paquetes de carga pasan de un píxel al siguiente y finalmente a la sección de lectura.
Comparación de estos dispositivos
La principal ventaja de los dispositivos de inyección de carga frente a los dispositivos de acoplamiento de carga es que se pueden realizar medidas sucesivas mientras se produce la integración.
Los dispositivos de acoplamiento de carga ofrecen la ventaja de una mayor sensibilidad a niveles bajos de luz. Sin embargo, en algunos casos, la naturaleza destructiva de su proceso de lectura es una desventaja.
La diferencia entre CCD y CID, es que el píxel de CID se puede leer independientemente, no se tienen que mover a lo largo de la matriz o leerse fuera.
Ya que el modo de operación de CCD es distinto al del fotomultiplicador, las fuentes de ruido también serán distintas, así como las expresiones que los describen. El ruido se expresa como la raíz cuadrado (rms) en electrones. Así en los CCD el ruido leído es 4 electrones rms. Esto alcanza a los tres tipos de ruido: ruido de lectura, ruido de impacto y patrón de ruido fijo. Para los niveles más bajos de intensidad de luz, el ruido leído es la aleatoriedad del potencial a la salida del condensador. El ruido de lectura resulta de las diferencias térmicas inducidas píxel a píxel en la sensibilidad de la salida. En el intervalo medio de intensidad de luz, el ruido dominante es el de impacto. En este caso, manifiesta por sí mismo variación en el número de electrones generados por fotón en los píxeles individuales. En el intervalo alto de intensidad de luz, el ruido píxel a píxel alcanza la heterogeneidad de la respuesta en las regiones de los píxeles: este es el patrón de ruido fijo. Sin embargo, ya que el patrón de ruido fijo es la mayor parte del error determinado, se puede corregir calibrando los píxeles individualmente. La calibración se lleva a cabo iluminando el dispositivo en su totalidad al mismo nivel. La respuesta de todos los píxeles se almacena, y cuando se lleva a cabo un experimento, los niveles de lectura a la salida de cada uno de los píxeles se multiplican por el inverso de su respuesta homogénea. Sin embargo, esta corrección se obtendrá solamente para longitudes de onda calibradas. Se produce el límite de calibración de la longitud de onda ya que CCD tienen respuestas de salida que dependen de la longitud de onda.
Conceptos sobre la tecnología de la imagen digital
CCD más al detalle
Los CCD (charge-coupled devices), como los microprocesadores y los circuitos de memoria integrados, están fabricados en láminas de silicio en una serie de pasos elaborados utilizando la fotolitografía para definir y construir diferentes elementos funcionales dentro del microcircuito. Cada lámina contiene entre decenas y centenares de dispositivos idénticos, cada uno de ellos totalmente capaz de producir un único chip de CCD para su uso en cámaras digitales. Esta sección contiene vínculos relacionados con documentos acerca de importantes conceptos sobre los CCD, que son de importancia fundamental para formarse una completa comprensión de las técnicas de producción de imágenes digitales.
La tecnología de un sensor de imagen digital se centra en torno al semiconductor CCD, que tiene un proceso de fabricación similar al utilizado en la producción de circuitos integrados abarcando desde microprocesadores a chips de memoria.
Los CCDs son circuitos integrados basados en silicio que consisten en una densa matriz de fotodiodos que operan convirtiendo la energía de la luz en forma de fotones en carga electrónica. Los electrones generados por la interacción de los fotones con los átomos de silicio se almacenan en un pozo potencial y posteriormente se pueden pasar/transferir desde el chip a través de registros y sacarlos a un amplificador. El esquema de la figura 1 muestra varios componentes que constituyen la anatomía de un CCD típico:
Los CCDs fueron inventados a finales de los años 60 por investigadores de los Laboratorios Bell que inicialmente concibieron la idea como un nuevo tipo de circuito de memoria para ordenadores. Estudios posteriores, indicaron que el dispositivo también sería útil para otras aplicaciones como el procesamiento de señales e imágenes gracias a su capacidad para transferir cargas y la interacción fotoeléctrica con la luz. Sin embargo, aquellas primeras esperanzas por un nuevo dispositivo de memoria han desparecido, aunque el CCD se revela como un candidato líder para un importantísimo proyecto de un detector de imágenes electrónico capaz de sustituir la película en el emergente campo de la fotomicrografía digital.
Fabricados en láminas de silicio, como muchos otros circuitos integrados, los CCDs siguen un proceso que consiste en una serie de complejas etapas fotolitográficas que incluyen grabado al ácido, implantación de iones, deposición de una película fina, metalización y pasivación para definir diferentes funciones dentro del dispositivo. El substrato de silicio está pulido electrónicamente para formar un silicio de tipo p, material en el que los portadores/transmisores/conductores principales son agujeros de electrones positivamente cargados. En cada lámina se fabrican múltiples hileras/matrices, cada una de ellas capaces de producir un dispositivo de trabajo, después se cortan con una sierra de dientes adiamantados, se prueban y se revisten con cerámica o polímero dejando una ventana de cristal o cuarzo a través de la cual la luz puede penetrar para iluminar la matriz fotodiodica de la superficie del CCD. Explore los pasos empleados en la construcción de un CCD a medida que una porción de la puerta individual de un píxel se fabrica en una lámina de silicio simultáneamente con miles o incluso millones de elementos circundantes.
Cuando un fotón ultravioleta, visible o infrarrojo llega a un átomo de silicio que está cerca o dentro de un fotodiodo del CCD, producirá normalmente un electrón libre y un “agujero” creado por la ausencia temporal del electrón en el retículo cristalino de silicio. El electrón libre se guarda entonces en un pozo potencial (situado dentro del área de silicio conocida como capa de depleción), mientras que el agujero es trasladado del pozo y eventualmente desplazado al substrato de silicio. Los fotodiodos se aíslan electrónicamente de sus vecinos con un canal de parada, que se forma difuminando iones de boro a través de una máscara en un substrato de silicio tipo p.
La característica principal de la arquitectura de un CCD es una matriz amplísima de registros de desplazamiento consecutivos construidos con una capa conductiva apilada en vertical de polisilicona pulida y separada de un substrato semiconductor de silicio por una fina película aislante de dióxido de silicio (Figura 2). Tras haber acumulado los electrones dentro de cada fotodiodo de la matriz, se aplica un potencial de tensión a las capas de electrodos de polisilicio (denominadas puertas) con el fin de cambiar el potencial electrostático del silicio subyacente. El substrato de silicio colocado directamente debajo de la puerta de electrodos se convierte entonces en un pozo potencial capaz de recoger los electrones generados localmente y creados por la luz incidente. Las puertas vecinas ayudan a encerrar los electrones dentro del pozo potencial mediante la formación de potenciales más altos, denominados barreras de potencial, que rodean el pozo. La modulación de la tensión aplicada a las puertas de polisilicio se puede manipular para bien formar un pozo potencial o una barrera para la carga integrada recogida por el fotodiodo.
El diseño de CCD más común se compone de una serie de puertas que subdividen cada píxel en tercios/terceros mediante tres pozos potenciales orientados en una fila horizontal. Cada pozo potencial de fotodiodos en capaz de contener un número de electrones que determina el límite superior del rango dinámico del CCD. Tras ser iluminados por los fotones entrantes durante un periodo denominado integración, los pozos potenciales en la matriz de fotodiodos del CCD se rellenan con electrones producidos en la capa de depleción del substrato de silicio. La medición de la carga almacenada se realiza mediante una combinación de transferencias en serie o en paralelo de la carga acumulada a un único nodo de salida localizado en un extremo del chip. La velocidad de la transferencia de carga en paralelo es generalmente suficiente para que ésta se complete durante el periodo de integración de carga para la siguiente imagen.
Circuito integrado de la matriz de fotodiodos del CCD
Tras ser recogidos en los pozos potenciales, los electrones se cambian a paralelo, una fila en una vez, a través de una señal generada desde el reloj de cambio de registro vertical. Los electrones se transmiten a través de cada fotodiodo en un proceso de múltiples etapas/pasos (entre dos y cuatro pasos). Este cambio se realiza pasando el potencial del pozo de retención a negativo, mientras que simultáneamente se aumenta la polarización del siguiente electrodo a un valor positivo. El reloj de cambio de registro vertical opera en ciclos para cambiar las tensiones en electrodos alternos de las puertas verticales para mover la carga acumulada a través del CCD. La Figura 1 ilustra un pozo potencial de fotodiodos adyacente a una puerta de transmisión colocada dentro de una fila de puertas del CCD.
Después de atravesar el sistema de puertas de cambio de registro en paralelo la carga alcanza finalmente una fila especializada de puertas conocidas como el registro de cambio en serie. Aquí, los paquetes de electrones que representan a cada píxel se cambian a horizontal en secuencias, bajo el control de un reloj de cambio de registro horizontal, hacia un amplificador de salida y off the chip. Los contenidos completos del registro de cambio horizontal se transmiten al nodo de salida antes de ser cargados con la próxima fila de paquetes de carga del registro en paralelo. En el amplificador de salida, los paquetes de electrones registran la cantidad de carga producida por sucesivos fotodiodos de la izquierda a la derecha en una única fila comenzando por la primera fila y continuando hasta la última. Esto produce una exploración de raster/trama analógico de carga foto-generada de la matriz bidimensional completa de los elementos sensores de fotodiodos.
Ejemplo de las aplicaciones dispositivo de transferencia de carga (CCD): cámaras digitales HP Photosmart
Comparación del CCD con una película
En una cámara digital se utiliza un único CCD para recopilar cada imagen. En una cámara de película cada imagen se graba en un fotograma independiente de la película. Cuando la película se expone a la luz, se forman granos de plata y nubes de tinte que dan a la imagen impresa un aspecto granular. Las películas rápidas y más sensibles están más granuladas que las más lentas y menos sensibles. Sin embargo, en un CCD se pueden capturar suficientes fotones para obtener impresiones sin granos. Además, un CCD captura la luz de forma más eficaz que una película. Un CCD de color captura el 10% de todos los fotones visibles, mientras que la película sólo captura el 1%.
Comparación entre los CCD profesionales y de aficionado
Prácticamente todas las cámaras digitales diseñadas para fotógrafos profesionales y muchas cámaras de televisión utilizan un CCD de transferencia de fotogramas. En casi todas las cámaras digitales y videocámaras de aficionados se utiliza una arquitectura de CCD distinta, denominada transferencia interlineal. Las principales ventajas de la transferencia de fotogramas son el gran intervalo dinámico y la capacidad de carga. Las principales ventajas de la transferencia interlineal son una obturación electrónica rápida y un menor difuminado. Un CCD de transferencia interlineal proporciona un mejor rendimiento de vídeo y un CCD de transferencia de fotogramas ofrece una mejor calidad general de la imagen. Esto resulta una ventaja muy importante en fotografía fija.
Ventajas de un CCD de transferencia de fotogramas profesional
El CCD de transferencia de fotogramas profesional ofrece algunas ventajas. La primera es una representación más satisfactoria de las escenas de alto intervalo dinámico, que se pueden capturar de forma efectiva con el intervalo dinámico extendido del CCD de transferencia de fotogramas. La mayor capacidad de carga del CCD de transferencia de fotogramas aporta otra ventaja: menos ruido en la imagen capturada.
Definición de la capacidad de carga
La capacidad de carga es la máxima capacidad de carga potencial de compartimientos de energía que se pueden utilizar para almacenar la carga sin que se produzca desbordamiento. La capacidad de carga aumenta con el área del píxel y es mucho mayor en un CCD de transferencia de fotogramas que en uno interlineal.
Importancia de la capacidad de carga
La capacidad de carga determina el intervalo dinámico del CCD. Asimismo, determina la cantidad de ruido presente en la imagen. La llegada aleatoria de fotones viene acompañada del ruido de disparo, que es un proceso natural que está presente en cualquier método de captura de luz. A medida que aumenta la carga de señal, disminuye el nivel relativo del ruido de disparo. Si la capacidad de carga es baja, las imágenes capturadas tendrán mucho ruido, especialmente en las áreas oscuras. Si la capacidad de carga es alta, las imágenes capturadas no tendrán ruido perceptible.
Definición de intervalo dinámico
El intervalo dinámico es el intervalo de luz que se puede capturar fidedignamente en una única escena, desde las sombras más oscuras hasta los claros más brillantes. El extremo superior del intervalo dinámico está limitado por la capacidad de carga del CCD. El extremo inferior del intervalo está limitado por el ruido de los componentes electrónicos.
Importancia del intervalo dinámico
Muchas escenas fotográficas tienen un intervalo dinámico muy amplio. Si el intervalo dinámico de la cámara es menor que el de la escena, se perderán las texturas claras y los detalles de oscuros.
Ventajas de utilizar un CCD de transferencia de fotogramas profesional en lugar de un CCD de aficionado
Para la misma resolución, un CCD de 0,6 pulgadas tiene píxeles mayores que los de un CCD de aficionado de 0,5 pulgadas. Los píxeles de fotogramas grandes proporcionan mayor capacidad de carga e intervalo dinámico, lo que ofrece imágenes con menos grano y una representación más satisfactoria de escenas de alto intervalo dinámico, según se manifiesta en mejores claros y detalles de oscuros. Asimismo, el CCD de transferencia de fotogramas profesional proporciona mayor sensibilidad, ya que ésta varía directamente con el área de píxel. Estos factores combinados con la tecnología de procesamiento de imagen HP proporcionan imágenes de mayor calidad a niveles bajos de luz.
CCD versus CMOS
Actualmente, en el mercado fotográfico han aparecido diversas cámaras profesionales que incorporan como sensor de imágenes dispositivos de tecnología CMOS, tecnología que ya podíamos encontrar en algunas cámaras de fotografía digital y webcams, cuya calidad dejaba mucho que desear. No obstante, con la aparición de cámaras como la Canon EOS 1DS, la Kodak DCS 14n y la Sigma SD9, se está llegando a unos niveles de calidad muy altos en cámaras cuyo sensor es el nombrado CMOS. Por esto consideramos interesante la explicación un poco más detallada de las diferencias, ventajas e inconvenientes de las dos tecnologías que existen de sensores de imagen: el CCD y el CMOS.
El sensor de imagen es un dispositivo que percibe las variaciones de intensidad de la luz, pero sin distinguir los colores de la imagen; y para que el sensor pueda captarlos, se deben emplear filtros que dividan los colores de la escena en Rojo, Verde y Azul. Esto deriva en una limitación física a la resolución —porque con cada celda de la matriz sólo podremos capturar la luz de un solo color— y, en consecuencia, en un archivo resultante muy pequeño, generándose además falta de información de color en algunos puntos. Un problema que se soluciona calculando estos puntos mediante técnicas matemáticas de interpolación, en las que el software de la cámara determina el color posible de una celda sobre la base de los colores de las celdas adyacentes.
Los sensores de un solo disparo pueden estar basados en dos tipos de tecnologías, CCD (Charged Couple Device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tradicionalmente se utilizaron los CCD para las cámaras profesionales y semi-profesionales y los CMOS para las cámaras de aficionados y las webcam. Pero esta distribución parece estar cambiando. Seguramente algunos fabricantes incorporarán sus próximos modelos la tecnología CMOS, en tanto que otros continuarán mejorando las prestaciones del CCD.
CCD (Charge Coupled Device)
En el CCD, mediante una señal de reloj procedente del circuito integrado de la cámara, la carga que posee uno de estos fotodiodos va pasando de éste al adyacente y así sucesivamente hasta llegar a un registro —también formado por dispositivos de carga acoplada— que es el encargado de ir suministrando, por orden secuencial, las diferentes cargas que poseen los distintos fotodiodos que forman el sensor. Estas cargas electrónicas se convierten en potencial eléctrico —voltaje—, que se amplifica y se recoge en el circuito integrado de la cámara, encargado de procesar estos datos y proporcionar una señal digital que se graba en memoria.
CMOS
Este dispositivo recibe su nombre del método de fabricación utilizado en su elaboración. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) no es más que una forma de fabricación de circuitos integrados que se ha convertido en la más generalizada en la fabricación de microchips, relegando la tecnología TTL con la que se fabricaban los primeros chips. Esta es su gran ventaja, ya que su fabricación es posible en cualquier planta de fabricación de memorias, microprocesadores y demás controladores sin apenas realizar cambios en la cadena de montaje, lo que repercute en un menor coste.
Estos dispositivos se caracterizan ante todo porque cada fotodiodo integrado en el sensor lleva consigo la electrónica necesaria para convertir la carga de electrones generada en voltaje, así como un registro individual de este voltaje. Esto supone que la superficie necesaria para captar la luz, a mismo tamaño de celda, es menor que en un CCD, pero tiene la gran ventaja de poder acceder a la información captada no solo en la totalidad del dispositivo sino también a una zona particular de éste. El chip sensor CMOS no sólo integra los fotodiodos sino que también integra toda la electrónica necesaria para el control y lectura de estos, así como el conversor analógico-digital, lo que se traduce en un menor tamaño de los circuitos necesarios para la captura de imágenes.
Comparativa: CCD vs CMOS
Como se ha visto, la gran diferencia entre ambos dispositivos es su construcción. Ambos se basan en el silicio para ello, pero mientras en el CCD la carga electrónica va pasando de forma secuencial hasta el dispositivo que la convierte en voltaje, en el CMOS esta conversión se realiza en el mismo fotodiodo. No obstante, esta forma de actuar es la que marca las diferencias entre uno y otro.
Electrónica de control
La primera y esencial distinción es que, mientras en el CMOS la electrónica de control se encuentra integrada en el dispositivo de captura, en el CCD está fuera, lo que hace que sea más fácil la actualización de las cámaras basadas en este dispositivo, ya que si se demanda alguna mejora sin la necesidad de utilizar otro sensor —como sería el caso del CMOS—, variando la electrónica de control podemos cambiar el resultado de la imagen sin tener que cambiar de sensor.
Sensibilidad
No nos referimos a la sensibilidad tal y como se entiende en fotografía, nos referimos a la capacidad que tiene el sensor de generar carga eléctrica por unidad de luz que incide sobre él. En el CMOS, al amplificarse directamente la señal que incide en el fotodiodo, esta respuesta es mejor, aunque actualmente algunos fabricantes de CCD están cambiando este concepto mediante la aplicación de nuevas técnicas de amplificación de la señal.
Rango Dinámico
Nos indica el nivel de señal que es posible medir entre el umbral del fotodiodo y su saturación, lo que va a influir en la gama de luminosidad que podamos obtener del sensor. En este aspecto, el CCD supera en casi el doble al CMOS, ya que, como hemos visto en su construcción, al mismo tamaño de sensor, la superficie responsable de captar la luz es mayor.
Ruido
En este punto también sale favorecido el CCD ya que, al integrar menos electrónica en el sensor, el ruido electrónico también es menor.
Velocidad de obturación
Con un sensor CCD es posible alcanzar velocidades de obturación más elevadas que con un CMOS, debido también a la mayor integración de componentes electrónicos en éste.
Blooming
Este efecto, por el cual si un fotodiodo de un CCD se satura demasiado puede afectar a otros fotodiodos próximos a él, no se produce en el sensor CMOS ya que en él no hay transferencia de carga entre los diferentes fotodiodos.
Consumo eléctrico
Aquí también es el CMOS el que sale vencedor, ya que el consumo energético necesario es mucho menor que en un CCD.
En conclusión, los sensores CCD ofrecen mejor calidad de imagen y mayor flexibilidad que los sensores CMOS, a cambio estos consumen mucha menos energía y permiten un tamaño de integración más pequeño. De todas formas, ambas tecnologías están evolucionando hacia mayores niveles de calidad, por lo que en un futuro próximo veremos cámaras que incorporan CMOS con un nivel de calidad equiparable a los mejores CCD y, a estos niveles de calidad, sin apenas diferencia en coste entre un dispositivo y otro.
¿Qué nos depara el futuro?
Actualmente ya hay en el mercado cámaras fotográficas de gran calidad que integran un sensor CMOS de última generación. Entre éstas hay que destacar al modelo SD9 de Sigma, que es la primera cámara digital que integra un nuevo concepto de sensor CMOS, el Foveon X3, donde en cada píxel se recoge información de los tres colores mediante la colocación de fotodiodos a diferentes niveles, consiguiendo así una información de color más fiable.
Ambas tecnologías subsistirán, enfocándose las basadas en el sensor CCD a aplicaciones de imagen profesional, medicina y aplicaciones espaciales y en un porcentaje algo menor, al consumo, mientras que las cámaras basadas en CMOS se enfocarán al gran consumo, juguetes, telefonía y en un porcentaje menor a aplicaciones de imagen profesional.
Bibliografía
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Rubinson, K.A.;Rubinson, J.F., Análisis instrumental, Prentice Hall (2000)
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