Tiempo de lectura: 7 minutos

ccd-vs-cmos

Los sensores CMOS están sustituyendo a los CCD en muchas aplicaciones. Sin embargo, ambas tecnologías tienen sus respectivas ventajas e inconvenientes. Al final, qué sensor es el mejor dependerá del objetivo y de las necesidades de cada aplicación.

Cuando Sony anunció la descontinuación de sus sensores CCD generó muchas dudas en el mercado. En el campo de la inspección industrial, el sensor CCD viene utilizándose ampliamente debido a que ofrece una calidad de imagen superior y también por la funcionalidad del Global Shutter. El hecho de que Sony, al igual que muchos otros fabricantes de sensores, haya enfocado su esfuerzo en el desarrollo de la tecnología del sensor CMOS, podría ser un indicio de que dicho desarrollo ha llegado a un punto en el que la mayoría de aplicaciones ya se pueden resolver mediante sensores CMOS.

CCD y CMOS: Tecnología de sensores para el espectro visible

Tanto los sensores  CCD como los CMOS son sensores cuánticos. Ambas tecnologías están basadas en el Silicio, un material semiconductor y son sensibles en el espectro visible, comprendido entre los 300 y 1000nm.

 

Sensor óptico y el espectro electromagnético

Sensor óptico y el espectro electromagnético

Pero, ¿en qué se diferencian las dos tecnologías? La principal diferencia reside en el elemento semiconductor en el que la carga se convierte en voltaje. En el sensor CCD, primero se realiza el transporte de la carga vertical y horizontal. La conversión de la carga en voltaje de todos los píxeles se produce fuera del sensor, en la electrónica de la cámara. La carga de todos los píxeles se convierte en un voltaje analógico fuera del sensor. En cambio, la conversión de la carga en un sensor CMOS se ejecuta en cada píxel en el mismo sensor. Correspondiendo con la línea activada, la señal se amplía a través del circuito de lectura, se minimiza el ruido, se digitaliza y finalmente se transmite en paralelo a través de un número de cables LVDS configurable (Low Voltage Differential Signaling).

Principio de transferencia interlínea de los sensores CCD y CMOS

Principio de transferencia interlínea de los sensores CCD y CMOS

 

 

New Call-to-action

Ventajas e inconvenientes del sensor CCD

En el sensor CCD, todos los píxeles cargados se convierten en un voltaje analógico, amplificado y digitalizado. De esta forma, se consigue una alta calidad de imagen con alta homogeneidad de píxeles, bajo nivel de ruido y bajo dark current.

Es más, los sensores CCDs consiguen una alta sensibilidad y una alta calidad en la señal en condiciones de baja luminosidad, debido al factor de relleno de los píxeles (relación entre el área fotosensible y el área total del pixel).

Otra ventaja reside en el uso del Global Shutter, es decir, la iluminación simultánea de todos los píxeles. Por esta razón, los CCD se utilizan frecuentemente en aplicaciones de visión artificial, especialmente en aquellas que requieren tiempos de exposición muy cortos.

Uno de los inconvenientes de los sensores CCD reside en la limitación en la velocidad de lectura del flujo de datos serie. Por ello, los CCDs modernos de muy alta resolución se diseñan con tecnología multi-tap, que consiste en dividir el sensor en diversas áreas, para aumentar la velocidad de lectura en comparación con un sensor single-tap.

Sin embargo, dicha tecnología requiere un ajuste de señal (corrección de offset de la ganancia) en cada tap, debido a que la mínima desviación provoca diferencias visibles en el límite entre taps.

Otro inconveniente de los sensores CCD está relacionada con que la carga que excede la capacidad del pozo de electrones de cada píxel afecta a los píxeles vecinos. Este efecto se conoce como “blooming”. La única forma de corregir dicho blooming es reducir la cantidad de luz que llega al sensor. Además, durante la lectura de una carga transportada en serie en el registro de desplazamiento vertical, los photones incidentes pueden producir portadores de carga adicionales – lo que resulta en un fenómeno conocido como “smearing”.

El smearing se puede prevenir utilizando un shutter mecánico delante del sensor o una iluminación estroboscópica.

En la imagen de la izquierda, blooming y smearing en un sensor CCD. En la derecha, un sensor CMOS sin estos fenómenos.

En la imagen de la izquierda, blooming y smearing en un sensor CCD. En la derecha, un sensor CMOS sin estos fenómenos.

 

Ventajas e inconvenientes del sensor CMOS

En un sensor CMOS, la conversión de la carga en voltaje tiene lugar en cada píxel y la imagen se transforma en información digital en el mismo sensor. Este funcionamiento requiere un diseño con un elevado grado de complejidad. Existen sensores CMOS de diseño más complejo, con global shutter y CDS (Correlated Double Sampling) para reducir el patrón de ruido fijo, que se basan en píxeles con de 5 a 8 transistores, lo que disminuye el área sensible a la luz en cada píxel. Cada columna de píxeles tiene un amplificador que funciona de forma independiente de los demás. Debido a las desviaciones causadas por la tecnología que se utiliza, aparecen disparidades en la uniformidad entre los píxeles de las diversas columnas, lo cual produce nuevamente un incremento en el patrón de ruido fijo. Para aplicaciones de objetos en movimiento, la función Global Shutter es necesaria. Para ello se requiere que el sensor CMOS contenga una zona de almacenamiento en cada píxel que esté lo más protegida posible de la luz. En la práctica, esto no funciona así en los antiguos sensores CMOS – la zona es más o menos sensible a la luz y muestra sensibilidad a la luz parasitaria durante la lectura de la información del píxel. Especialmente en tiempos de iluminación cortos del orden de microsegundos, esto resulta claramente visible como un valor de gris vertical.

Sin embargo, la lectura en paralelo de la información en los sensores CMOS ofrece la ventaja de conseguir elevadas tasas de captura en comparación con un sensor CCD con la misma resolución, de acuerdo con el número de cables LVDS. Además, es posible alcanzar una lectura más rápida y flexible mediante el direccionamiento de píxeles a través de varias regiones de interés. Como las cargas en los sensores CMOS no se pueden intercambiar vertical ni horizontalmente, sino que se convierten en voltaje directamente en el píxel, en estos sensores nunca se producen ni blooming ni smearing. Así, los sensores CMOS pueden trabajar en situaciones de sobreexposición. Mediante un modo de trabajo de Alto Rango Dinámico, es posible obtener un gran contraste y visualizar tanto objetos extremadamente luminosos, como zonas oscuras.

Otra ventaja adicional en la tecnología de los sensores CMOS es la integración de los circuitos de control (generación del reloj interno, amplificador, conversor A/D) en el mismo sensor.

Todos estos factores hacen que la fabricación de cámaras CMOS tenga un coste inferior y un menor consumo de energía en comparación con la fabricación de cámaras CCD.

 

En la imagen de la derecha, el modo HDR activado en la cámara Mako G-030 con sensor CMOS CMV300

En la imagen de la derecha, el modo HDR activado en la cámara Mako G-030 con sensor CMOS CMV300

 

Aplicaciones para sensores CMOS

Si las aplicaciones industriales precisan altas tasas de transferencia y alta resolución, los sensores CMOS serán nuestra primera opción. Un buen ejemplo de aplicación en este caso sería la triangulación láser para mediciones 3D, en la cual una cámara con un sensor CMOS de alta velocidad captura con 2320×128 píxeles de resolución a una velocidad de 5.200 imágenes por segundo. Para este tipo de uso resulta crucial que, además de una elevada tasa de transferencia, el sensor CMOS funcione bien con una alta intensidad de luz, especialmente cuando están involucradas superficies altamente reflectantes.

Triangulación láser para medición 3D con luz estructurada

Triangulación láser para medición 3D con luz estructurada

 

En los últimos años, la tecnología CMOS ha mostrado claros avances en la calidad de imagen junto con la ventaja de proporcionar elevadas tasas de captura. Fabricantes como Sony, CMOSIS, e2V, On Semi entre otros, fueron capaces de mejorar claramente sus diseños. Los sensores CMOS modernos con Global Shutter están disponibles en diferentes resoluciones y elevadas tasas de transferencia, como 500fps con una resolución VGA. Reduciendo la corriente oscura, el patrón de ruido fijo, y aumentando la eficiencia cuántica, estos sensores proporcionan una buena calidad de imagen incluso en condiciones de baja luminosidad.

La sensibilidad a la luz parasitaria durante la lectura se ha reducido considerablemente. El resultado es una eficiencia mejorada del Global Shutter, con valores en el rango de 10000:1 o incluso mejor. Los CMOS modernos son adecuados para aplicaciones con objetos en movimiento. En un tiempo de lectura estimado de 10ms (a 100fps), la sensibilidad a la luz parasitaria sería de tan sólo 1μs, lo cual no sería crítico para la mayoría de casos en los que hay objetos en movimiento.

El Exmor y el Exmor R de Sony, con las arquitecturas de píxel sCMOS Pregius y Starvi, lideran el proceso. Pregius se ha optimizado según las exigencias de la tecnología Global Shutter, la cual, basándose en la tecnología de píxel del CCD de Sony, tiene una memoria analógica blindada que protege las cargas generadas de la luz parasitaria no deseada y garantiza un Global Shutter perfecto. Una capa CDS analógica antes, así como una capa CDS adicional después de la conversión analógico/digital, lleva a cabo una doble supresión de ruido debido a la cual la lectura y el patrón de ruido fijo se reducen al mínimo. De esta forma, resulta posible obtener imágenes de objetos en movimiento rápido con un aspecto menos borroso utilizando tiempos de iluminación cortos.

El Sony IMX 174 es representativo de esta tecnología, con un pozo de electrones de más de 30.000e- y un rango dinámico por encima de los 70dB, así como valores del ruido de lectura muy bajos.

El desarrollo de la tecnología Pregius, con una mayor reducción en el diseño del píxel, muestra un ruido de lectura mínimo. Además, una capa epitaxial de Silicio más gruesa en el fotodiodo consigue una sensibilidad mayor en la banda espectral del infrarrojo cercano.

Así, los CMOS modernos resultan adecuados para aplicaciones industriales y para aplicaciones en exteriores, incluidas la seguridad y los sistemas de transporte inteligentes.

 

Aplicaciones en las que el sensor CCD todavía se utiliza

Gracias a su homogénea calidad de imagen con un patrón de ruido fijo bajo, los sensores CCD tienen algunas ventajas en aplicaciones médicas y científicas, particularmente en microscopía de fluorescencia y microscopía de alta resolución. También resultan útiles en aplicaciones en campo que requieren alta resolución, como la imagen aérea. Asimismo, ofrecen ventajas en aplicaciones con largos tiempos de exposición, como en astronomía, debido a que tienen una corriente oscura mínima.

Fabricantes como OnSemi, Sharp y e2V, por ejemplo, siguen desarrollando la tecnología CCD y ofreciendo sensores especiales con resoluciones superiores, por ejemplo, de 50MP, y con alta sensibilidad, para aplicaciones exigentes en el campo de la ciencia, especialmente para en metrología, en la que se necesita una alta homogeneidad en alta resolución.

Los sensores especiales CCD, como los EMCCD (Electron Multiplication CCD) con un rango dinámico muy elevado, están pensados para capturar imágenes durante el día y la noche, y también en condiciones de muy baja luminosidad o aplicaciones como la inspección de células y moléculas.

Aplicaciones utilizando cámaras CCD (microscopía de fluorescencia, microscopía de alta resolución, astronomía y mapeo aéreo.)

Aplicaciones utilizando cámaras CCD (microscopía de fluorescencia, microscopía de alta resolución, astronomía y mapeo aéreo.)

 

Conclusión

Junto a la resolución, velocidad de captura y calidad de imagen, el precio juega un papel muy importante en la elección del sensor. Como resultado de las ventajas existentes en relación a la alta velocidad de captura, y las mejoras en la calidad de imagen mencionados anteriormente, combinados con una eficiencia mejorada del Global Shutter, podemos constatar que la tendencia a implementar sensores CMOS cada vez más a menudo como alternativa a los CCDs en aplicaciones industriales es muy evidente.

Sin embargo, existen algunas aplicaciones especiales, citadas anteriormente, en las que el sensor CCD todavía tiene ventajas en comparación con los sensores CMOS.

New Call-to-action

Fuente: Allied Vision Technologies