Sensores cámaras digitales     VOLVER

 

 

El sensor de imágenes es un semiconductor diseñado a capturar fotones, luz en definitiva, y convertirlos en electrones. Es el corazón de cualquier cámara digital, como escáneres y otros dispositivos como astronómicos, científicos, militares y médicos.

Los electrones, una vez convertido, deben ser transferidos y convertidos de nuevo en voltaje, el cual puede ser medido y transformado en datos de tipo digital. Para conseguir esto, algunos aspectos de ingeniería se requieren a nivel microscópico.

Las cuestiones básicas de los sensores de imagen fueron establecidos en las décadas de los 60 y 70. Hay unas claves componentes en dispositivos digitales visuales, los cuales están proliferando en una gran medida en los últimos años.

Y estos dispositivos digitales están vendiéndose cada vez más debido a que los sensores continúan mejorando y siendo rediseñados y reinventados cada día que pasa, haciendo los aparatos más baratos, útiles, con mejores prestaciones y económicos.

Aunque han sido redefinidos a lo largo de los años, el CCD, o dispositivo sensor, que fue inventado hace más de tres décadas sigue siendo el estándar de calidad de imagen contra los nuevos sensores con los que intentamos compararlo.

Enfocaremos la mayor parte de este artículo en las tecnologías de sensores de imágenes que exploran en la tecnología CCD y se diseñan basándose en sensores CMOS. Intentaremos explicar algunos de estos aparatos y cómo funcionan en las cámaras.

El ímpetu por el desarrollo de los sensores de imagen provino por la inteligencia gubernamental y los programas espaciales. Los satélites durante la guerra fría monitorizaban la unión soviética y se necesitaba un mejor método de vigilancia.

En 1960, la agencia de inteligencia CIA lanzó un programa satélite espía. Estos satélites fueron equipados con las mejores cámaras del mercado KH que utilizaban lentes largas y nuevos tipos de películas plásticas. Eventualmente, el plástico se denominaba Mylar.

Al calibrar las fotos para escala, se introducían en una especie de carrete, que cuando estaba lleno, se dejaba caer sobre la tierra sobre Hawai en un contenedor cerámico que era lanzado en paracaídas. Estos eran recuperados en tierra.

A pesar de este sistema tan arcaico, el sistema basado en un espía satélite era un método seguro de supervisión y vigilancia sobre globos y aviones. Pero bueno, era un intento interesante de acercar la tecnología a un uso práctico de la misma.

El siguiente avance tecnológico en fotografía de este estilo envolvía procesar el film a bordo, escaseándolo mediante una luz láser, y convertir las ondas luminosas en señales eléctricas analógicas. Estas señales se enviaban a estaciones receptoras. Una vez en tierra firme, se trasladaban en imágenes. 

La fotografía digital no tiene una fecha exacta de nacimiento. Pero en estos años mencionados varios científicos descubrieron que algunos Metales Semiconductores (CMOS) eran fotosensibles. Después, el CCD fue inventado en 1969 en los laboratorios Bell.

 

 

 

 

CCD vs CMOS

 


 Por consiguiente, encontramos mejor calidad en los CCD que en los CMOS. En este artículo intentaremos explicar las tecnologías increíbles y los principios físicos que subyacen que nos permiten mediante una pieza de silicio capturar una imagen.

Las cámaras digitales y sus sensores están basados tanto en CCD como en CMOS, aunque varias diferentes ramas han estado envueltas a lo largo de los años. Las importancias más importantes entre ellos se basan en cómo los electrones se transfieren del sensor al CMOS.

En 1966 los laboratorios Bell crearon una memoria de burbujas la cual nos haría tener esperanza en memoria no volátil, o sea, que no perderemos los datos cuando el ordenador o el dispositivo se apague o no tenga electricidad del exterior.

De ese modo, el CCD era un dispositivo de lectura. El desarrollo de más eficiente y más rápida memoria no volátil como la EEPROM, hacía que los CCD utilizaran esta nueva tecnología para aprovecharse de ella y de este modo conseguir mejores resultados.

Debido a la poca necesidad de electricidad, su bajo consumo y su tecnología semiconductora versátil, la fabricación de CMOS continúa para ser usada en memoria, procesamiento y otras funciones digitales. Estas distinciones críticas están en el corazón de las diferencias de coste y fabricación entre los sensores de imágenes.

Los CCDs son chips especializados, usados solamente para captura de imágenes. Son fabricados solamente por un puñado de fabricas muy especializadas, incluso tanto que se les suele denominar laboratorios. Algunas de estas son Sony, Phillips, Kodak, Fuji, etc...

Pero los CMOS se utilizan en muchos más tipos de dispositivos, incluyendo los PC, chips, y la mayoría de dispositivos electrónicos de consumo personal. Por esto, dado que los CMOS tienden a ser producidos usando procesos estándar, las economías de escala dicen que esta tecnología es menos costosa para fabricar.

Otros factores, más allá de su bajo coste de fabricación, añaden a los sensores de imagen CMOS varias ventajas. Debido a que esta arquitectura puede incluir procesamiento de datos y conversores analógico-digitales justo en el chip, las cámaras digitales y otros dispositivos que usan CMOS en vez de CCD son mas fáciles de montar.

Los sensores CMOS requieren también menos energía que los CCD, así que son mas eficientes y menos costosos de mantener funcionando durante un determinado tiempo. Las cámaras CMOS no requieren tampoco muchas placas o circuitos integrados.

 

 

 

Funcionamiento interno del CCD

 

De este modo, pueden ser más pequeños. Sin embargo, en sistemas para los cuales la calidad es el factor más importante, los CCD son incluso superiores. Tienen una gran sensitividad a la luz, mejor rango de tonos, incluso un rango dinámico, y menos ruido visual.

Los CMOS comenzaron a hacer avances significantes en los años 90. Esta tendencia fue incidada, en parte, por mejoras en el proceso de diseño y las tecnologías de fabricación para todos los chips CMOS. Por ejemplo, mejoras en litografía y miniaturización de transistores permitió a los CMOS usar metales más delgados para sus interconexiones.

Esto, de hecho, incrementó la sensibilidad por abrir un mayor porcentaje del silicio para recibir los fotones. También decrementó los requerimientos de energía. Pero hasta nuestros días, las cámaras basadas en sensores CMOS tenían una calidad inferior.

Cuando los avances han permitido demostrar lo contrario, hemos visto como la nueva cámara Canon D30, está construido en esta tecnología, demostrando finalmente que la tecnología CMOS está comenzando a madurar como una alternativa a la calidad del CCD.

La mayoría de los sensores de imágenes son dispositivos de silicio. Cuando los fotones chocan en el silicio, los electrones en este material son excitados. El número de electrones que se liberan, es directamente proporcional a la energía o intensidad de la luz.

El diseño de la arquitectura de los sensores de imagen están dirigidos a métodos utilizados para controlar y medir este efecto fotoeléctrico, y luego eficientemente utilizar y manipular estos electrones. Diferencias de diseño están envueltas, naturalmente.

La fabricación de silicio en semiconductores es un proceso complicado que requiere laboratorios completamente limpios y precisión microscópica. Máscaras fotoresistentes se aplican a la pieza de silicio utilizando complejo alineamiento. Otros pasos envuelven exposición a la luz y calor.

Los CCD ejecutan algunas funciones dentro del propio chip, menos que los sensores CMOS. La elegancia del CCD resulta en una imagen con más calidad. Por supuesto, solo por que una cámara tenga un sensor CCD no va a producir una imagen de calidad.

La calidad resultante es el proceso de la entera cámara incluyendo la óptica, conversión analógica-digital, y otros componentes importantes. Además, la manera en que estos componentes trabajan juntos es otro factor determinante para la calidad final.

Los CCD son también conocidos por su manera de transmitir las cargas entre pixels, y finalmente, fuera del sensor. Las cargas son alternadas entre filas de pixels a una tabla o array. Esta arquitectura de registro, con varios almacenes para registrar, aprovecha bien el espacio.

Antes de ser transmitidos fuera del CCD, cada carga del píxel es amplificado resultando en una salida analógica de voltaje variable. Esta señal se envía a un chip aparte, denominado conversor analógico digital, o ADC. El resultante digital se convierte a bytes.

 

 

 

Tipos de CCD y conclusiones

 

 

Dado que el CCD transmite carga eléctrica pura sobre el sensor, no se produce ningún proceso de contaminación, o ruido en la señal, por lo que es ciento por ciento eficiente, obteniendo toda la calidad requerida. Algunos electrones inevitablemente se perderán, pero serán los menos.

Los electrodos actuarán como porteros a todo el proceso. Los electrodos son conductores que permiten a la corriente fluir dentro o fuera de un dispositivo electrónico y pueden actuar como puertas electrónicas, que permitan o no el acceso.

En el caso de puertas de transferencias, los electrodos reciben pulsos de reloj de un voltaje variable que permite la transferencia de carga desde un pixel al resto. Esto incluye transferencia de cargas de pixels desde una columna a otra en el array de registros.

Los electrodos del CMOS funcionan diferentemente debido a las diferencias inherentes en la manera en que los dos tipos de sensores transfieren la carga. En otras palabras, CMOS no utiliza electrodos en la manera que lo hace CCD. Se usan para reducir el ruido y para no sufrir sobrecarga.

Los cuatro tipos básicos de CCD son los 

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Lineales: Consiste en una fila de píxeles en una línea solamente. Para definir una imagen, debe escanear línea por línea, toda la imagen. Es un proceso lento, y requiere motores de movimiento. 

Interlineales: Cada píxel tiene un foto detector y un almacenamiento de carga. Se denomina también CCD de área. Ofrece una apertura que puede escanear cierta superficie de la imagen.

De marco completo: Ofrecen gran densidad de captura, siendo similares a las anteriores, y llenando secuencialmente el buffer, para seguir escaneando el resto de la imagen.

De transferencia de marcos: Similar al anterior, pero con cargas temporales para aumentar la velocidad, usando buffers.

Debido a todo, si deseamos adquirir una cámara o dispositivo digital de captura de imágenes, como una cámara digital, nos decantaremos sin duda por aquellos modelos basados en el sensor CCD, debido a su calidad demostrada en este artículo.