por Doug George.
El dispositivo de carga acoplada (conocido como CCD) ha dominado la astronomía y la electrónica de consumo durante casi cinco décadas. Eso está cambiando.
el Premio Nobel CCD fue inventado en 1969 y se convirtió en una tecnología madura después de unos 20 años. Las cámaras CCD ganaron una amplia aceptación para imágenes fijas, video y mediciones fotométricas, reemplazando a las generaciones anteriores de equipos voluminosos de tubos de vacío., El Telescopio Espacial Hubble, lanzado en 1990, utiliza la famosa tecnología CCD para producir sus impresionantes vistas y datos científicos. En el frente doméstico, los consumidores compraron videocámaras portátiles basadas en CCD para grabar la vida familiar, y las empresas las usaron para cámaras de seguridad y equipos de inspección.
a mediados de la década de 1980, los sensores de píxeles activos se inventaron como una alternativa de bajo costo a la tecnología CCD dominante. A principios de la década de 2000, estos sensores se actualizaron para usar la tecnología de transistores CMOS, ahora estándar., Aunque los primeros sensores CMOS Active Pixel solo se usaban en aplicaciones de bajo rendimiento, la llegada de los teléfonos inteligentes empujó a los fabricantes a mejorar rápidamente su rendimiento. En 2007, los CMOS habían alcanzado la paridad del mercado con los sensores CCD, y en 2019 aparecieron los primeros sensores capaces de superar el rendimiento del CCD. Hoy en día, CMOS ha madurado hasta el punto en que está reemplazando CCD en todas las aplicaciones menos en las más especializadas.
primero comparemos cómo funcionan los dos tipos de sensores.
Los sensores de cámara utilizan elementos de imagen conocidos como» píxeles » para detectar la luz., Una analogía común cuando se habla de píxeles es imaginar una serie de cubos que recogen agua de lluvia. Se puede determinar la forma y la densidad de la nube por encima de la superficie por la cantidad de agua que termina en cada cubo.
la analogía del cubo
CMOS y CCD utilizan matrices de píxeles de silicio («cubos») para detectar la luz. Cuando un fotón de luz golpea un átomo de silicio, golpea a un electrón en un estado de energía superior. Esto libera el electrón para moverse a través del material. Ahora se conoce como fotoelectrón («gota de lluvia»).,
la gran diferencia ocurre cuando lees el sensor. En un dispositivo de carga acoplada (CCD), electrodos especiales atraen y repelen electrones, arrastrándolos uno por uno a una esquina del chip. En nuestra analogía, el agua se vierte de un cubo a otro, como un cuerpo de bomberos a la antigua usanza, hasta que llega a una esquina de la matriz donde se mide. En un sensor real, un par de transistores a bordo hacen esta medición convirtiendo el número de electrones de un píxel en un voltaje. Luego va a algunos dispositivos electrónicos fuera del sensor, que incluyen un convertidor analógico a digital., El resultado es un número para cada píxel, describiendo cuánta luz se detectó. Dado que todos los píxeles se miden exactamente por la misma electrónica, las cámaras CCD se pueden hacer muy consistentes y precisas.
Los sensores CCD se construyen utilizando la tecnología NMOS o PMOS, que era popular en los años 70, pero rara vez se usa hoy en día. La mayoría de la electrónica moderna se construye utilizando la tecnología complementaria de semiconductores de óxido metálico (CMOS), que es una combinación de NMOS y PMOS. Mediante el uso de CMOS es mucho más fácil construir electrónica compleja directamente en el propio sensor., Esto puede ser un importante ahorro de costos y espacio, especialmente para una cámara de teléfono celular miniaturizada.
En un detector CMOS, hay transistores en cada píxel. Convierten la señal en un voltaje, que se conecta a través de cables internos a algunos componentes electrónicos complejos a bordo. Los sensores CMOS típicos tienen uno o dos convertidores analógicos a digitales para cada columna en el sensor. En lugar de un par de transistores a bordo, puede haber millones.,
Los sensores CCD tienen una lectura en la esquina,
Los sensores CMOS tienen una lectura en cada píxel
al incorporar todos estos componentes electrónicos en el sensor, el chip en sí se hace mucho más complejo, pero la cámara se simplifica enormemente. Los sensores CCD solo tienen una, dos o, a veces, cuatro lecturas, potencialmente una en cada esquina. Los sensores CMOS tienen miles. Esto significa que las cámaras CMOS pueden leer increíblemente rápido, incluso 100 veces más rápido que un CCD comparable., Para aplicaciones de larga exposición que no es tan importante, pero es especialmente importante para las cámaras de vídeo.
estas miles de lecturas en un sensor CMOS tienen una gran ventaja de velocidad, pero hay un alto precio a pagar en términos de brillo del amplificador y ruido de patrón. Los usuarios de CCD han visto un poco de brillo en las esquinas del sensor; los primeros usuarios de los sensores CMOS se sintieron abrumados por el brillo y los problemas de exposición prolongada de estos nuevos sensores.
en los últimos años, los mejores sensores CMOS finalmente se están acercando o incluso superando los niveles de rendimiento CCD, pero no en todos los aspectos., Let’s compare CCD to the highest-performing CMOS sensors available today:
| Parameter | CCD | Scientific CMOS | Winner | |||
| Availability | Some major CCD sensor lines are being obsoleted. Very expensive specialty sensors made by companies like Teledyne e2v are here to stay., | las empresas están haciendo grandes inversiones, y la tecnología ha estado mejorando rápidamente. Nuevos sensores aparecen todo el tiempo. | CMOS es el futuro para la mayoría de las aplicaciones. CCD continuará sirviendo nichos de especialidad tales como instrumentos científicos. | |||
| costo – tanto el sensor como la cámara en sí. | los sensores CCD grandes son caros, y la electrónica de cámaras analógicas y digitales externas son complejas. | los sensores CMOS grandes son igualmente caros., La electrónica analógica se elimina, pero la electrónica digital es más compleja. | para cámaras simples, CMOS es mucho más barato. Para las cámaras de imagen refrigeradas con poca luz, hay poca o ninguna diferencia.,tter is more expensive | No major advantage | ||
| Mechanical Shutter | Required for full-frame sensors; very helpful for image calibration | Very helpful for image calibration | No major advantage | |||
| Pixel Size | 3 to 25 microns | 2 to 9 microns | Larger pixels are a better match for long focal length telescopes., La mayoría de los sensores CMOS tienen píxeles pequeños, pero están apareciendo algunos modelos de píxeles más grandes. | |||
| la Profundidad del Pozo – ¿cuántos electrones puede cada píxel de retención muy importante para la fotometría | 40,000 200,000 | 30.000 75.000 dólares. Se puede mitigar a través de apilamiento dado bajo ruido de lectura. | CCD, pero el apilamiento puede dar a CMOS la ventaja.,ombining pixels for sensitivity or resolution matching | fácilmente logrado a un nivel analógico con cero ruido añadido | la mayoría de las arquitecturas realizan binning digital, lo que resulta en un mayor ruido de lectura | CCD |
| amp glow – on-board electronics crea algo de luz a través del efecto LED | fácilmente mitigado apagando transistores de lectura | este es un problema más grande con CMOS, ya que puede haber millones de transistores a bordo., CMOS | CCD | |||
| Fixed Pattern Noise | Occasional hot columns, easily mitigated | Fixed pattern noise can be a significant problem, but technology is improving rapidly | No major advantage with newer sensors | |||
| Calibration – how «clean” an image can be created | Techniques for CCDs are well established and effective | Can be more complex, e.,g. modos HDR, falta de datos de sobreexplotación; las técnicas aún se están perfeccionando | CCD |
como puede ver, los CCD todavía tienen algunas ventajas significativas poco a poco están siendo desmenuzados por la nueva tecnología CMOS.
algunos de nuestros clientes necesitan detectar fuentes de luz extremadamente débiles, que requieren exposiciones de una hora o factores de binning muy altos para lograr una relación señal-ruido suficiente., Para estas aplicaciones, los sensores CCD tienen una ventaja masiva sobre la nueva tecnología CMOS; tienen mucho menos «amp glow» y tienen capacidades de binning analógicas mucho mejores. El sensor CMOS simplemente no funciona en estas aplicaciones.
¿Por qué, entonces, las principales empresas están cambiando a CMOS ahora? La realidad es que la mayoría de las aplicaciones de imágenes (no científicas) requieren video o exposiciones cortas; en esas situaciones, CMOS es superior tanto en costo como en rendimiento. Esto ha socavado la propuesta económica para la fabricación de sensores CCD en volumen.,
como resultado, ON Semiconductor comenzó a discontinuar los antiguos dispositivos Kodak / Truesense en 2019. Pero no es el fin de la tecnología CCD. Algunos sensores CCD de SONY estarán disponibles hasta 2026. Para los mercados de astronomía y espectroscopia de gama alta, compañías como Teledyne e2v continuarán fabricando sensores CCD muy caros y de rendimiento extremo durante los próximos años.
Las aplicaciones astronómicas serias como la fotometría y el espectroscopio o las aplicaciones de Ciencias de la vida como la bioluminiscencia y la fluorescencia seguirán necesitando tecnología CCD a corto plazo., Las imágenes menos exigentes o las que necesitan imágenes de mayor velocidad cambiarán a los sensores CMOS. Dentro de 5 años, predecimos que el estado de la técnica en CMOS suplantará aún más aplicaciones. Para satisfacer sus necesidades de hoy y mañana, la línea de cámaras SBIG de Difraction Limited ahora incluye tanto sensores CCD de alto rendimiento como sensores CMOS modernos.