¿Qué es un CCD (dispositivo de carga acoplada) y cómo se usa?

Para tomar una foto digitalmente, una cámara moderna necesita capturar la luz y convertirla en información digital. Para hacer esto, una cámara requeriría un sensor que registre con precisión y rapidez los fotones del entorno.

Probablemente ya conozca el sensor CMOS que se usa en los teléfonos inteligentes y las cámaras digitales de consumo. Pero, ¿sabías que existe otro tipo de sensor que proporciona mayores niveles de detalle y rango dinámico? Estos sensores de cámara se conocen como CCD.

Entonces, ¿qué son exactamente los CCD? ¿Cómo funciona y cómo se usa? Hablemos de eso.

¿Qué es un CCD (dispositivo de carga acoplada)?

Un CCD, o dispositivo de carga acoplada, es un sensor electrónico que convierte la luz en señales digitales a través de cargas generadas por fotones que rebotan en una fina oblea de silicio.

Los CCD fueron el estándar de oro para los sensores de cámara desde principios de los 80 hasta finales de los 2000. Esto se debe a que, alrededor de 2010, los sensores CMOS obtuvieron innovaciones tecnológicas significativas que los harían más baratos de fabricar como un sistema en un chip (SoC) mientras tenían una calidad de imagen comparable a la de un sensor CCD.

Desde que CMOS ganó popularidad, se ha vuelto raro ver sensores CCD en teléfonos inteligentes y cámaras en la última década. Sin embargo, los sensores CCD no son exactamente obsoletos. Aunque es posible que hayan sido eliminados del mercado de cámaras de consumo, los sensores CCD siguen siendo el sensor preferido que se usa en ciertas áreas de la fotografía.

Aplicaciones de la Tecnología CCD en Fotografía

Además de ser costoso de fabricar, CCD también tenía otros problemas que hicieron que se retirara gradualmente del mercado de consumo. Esto incluiría su requisito de alta potencia, que es 100 veces más de lo que usaría CMOS, y el procesamiento lento de imágenes, que es un problema cuando se toman fotos en ráfagas y se graban videos.

A pesar de todas estas desventajas, los CCD siguen prosperando en diversas aplicaciones industriales y científicas que necesitan visión artificial. Esto se debe a que los CCD aún brindan imágenes de bajo ruido de mayor calidad que requieren estas áreas de fotografía especializada. Además, el costo de comprar y operar cámaras CCD no es realmente un problema para las instituciones y empresas bien financiadas.

Entonces, ¿cuáles son exactamente estas áreas especializadas de la fotografía que todavía usan CCD? Averigüémoslo a continuación:

Microscopia óptica

Los CCD se utilizan en diversas aplicaciones de microscopía para observar alimentos, química, ingeniería y otras aplicaciones en las que se necesitan imágenes claras de objetos microscópicos. Se elige un CCD para microscopía óptica porque puede registrar objetos con más de 10 píxeles con alta sensibilidad y bajos índices de ruido.

Fotografía espacial

Tomar fotos del espacio se hace mejor con cámaras CCD. Esto se debe a que los sensores CCD tienen las eficiencias cuánticas más altas, lo que da como resultado un bajo nivel de ruido, un alto rango dinámico y una mejor uniformidad, todos aspectos críticos de la fotografía espacial.

Imágenes de infrarrojo cercano

Los CCD se utilizan en varias aplicaciones de imágenes industriales, una de las cuales es la imagen del infrarrojo cercano. Un sensor debe tener una absorción de fotones altamente eficiente para generar imágenes en el infrarrojo cercano, ya que los fotones infrarrojos son menos visibles que los fotones visibles regulares. Dado que los CCD proporcionan sensores de alta sensibilidad que pueden capturar mejor los fotones infrarrojos, siempre se utilizan en estas aplicaciones.

Los CCD prosperan en el espacio de la fotografía científica, industrial y médica principalmente debido a su alta eficiencia cuántica, imágenes de bajo ruido y alto nivel de uniformidad. Pero, ¿cómo exactamente los sensores CCD proporcionan tales cualidades? Primero deberá aprender cómo funcionan los sensores CCD para comprender esto mejor.

¿Cómo funciona un sistema CCD?

CCD es solo uno de los varios tipos de sensores de cámara. Y al igual que otros sensores de cámara, los CCD capturan la luz y la convierten en señales digitales, que luego se procesan y muestran como píxeles cuando se ven en una pantalla electrónica como un monitor.

Aunque todos los sensores de imágenes tienen la misma tarea de capturar lo analógico para generar señales digitales, el modo o proceso que se necesita para lograr dichas tareas sería diferente al de otros sensores.

Para que un sensor CCD capture imágenes, pasa por un proceso de cinco pasos, comenzando con la conversión de luz a carga, la acumulación de carga, la transferencia de carga, la conversión de carga a voltaje y luego la amplificación de la señal. Veamos el proceso paso a paso:

Paso 1: conversión de luz a carga

Un sensor CCD captura la luz al permitir que los fotones (energía de la luz) reboten en una delgada oblea de silicio que luego libera un electrón. Un pequeño condensador con carga positiva actúa como un cubo que recoge y almacena los electrones liberados. Una unidad de esta fina oblea de silicio encima de un diminuto condensador se conoce como fotosito.

Pasos 2 y 3: acumulación de cargos y transferencia de cargos

Un sensor CCD continúa recolectando y almacenando dichos electrones hasta que se cierra el obturador de la cámara. Todos los electrones almacenados en el capacitor son los que hacen la carga.

Cuando el obturador de la cámara se cierra, toda la carga de los fotositos se transfiere a un circuito de condensador de detección. La transferencia se realiza desplazando las cargas horizontalmente hacia el borde del sensor y luego verticalmente hasta que cada carga se envíe al circuito del capacitor de detección.

Los sensores CCD usan este mecanismo de registro de desplazamiento para transferir carga, mientras que los sensores CMOS usan conversión de voltaje local y amplificación de señal. Aunque esto hace que CMOS sea el sensor más rápido, también hace que su salida sea bastante ruidosa, ya que la gran cantidad de amplificadores locales crean ruido o artefactos en una imagen. Por el contrario, un CCD solo usa un circuito amplificador para amplificar las señales.

Otra desventaja de utilizar la amplificación local a altas velocidades es que provoca irregularidades en las imágenes. Los sensores CCD no tienen tales problemas debido a su proceso lineal cuando procesan cargas en cada fotosito.

Pasos 4 y 5: Conversión de carga a voltaje y amplificación de señal

Las cargas analógicas enviadas al capacitor de detección se convierten automáticamente en voltajes, lo que hace que los datos digitales sin procesar se utilicen para crear imágenes. Después de la conversión de carga a voltaje, las señales digitales aún son demasiado bajas para que las use un procesador.

Para aumentar las señales digitales, se utiliza un amplificador de señal. Esta señal amplificada luego se envía a un procesador de imágenes que luego ensambla la imagen.

Los CCD están aquí para quedarse

Una vez que el estándar de oro para los sensores de cámaras digitales, los CCD ahora están descontinuados para el uso regular del consumidor. Pero con sus altas eficiencias cuánticas, imágenes de bajo ruido, mayor rango dinámico y excelente uniformidad, los CCD todavía se usan en muchas aplicaciones científicas e industriales.

Y aunque es poco probable que los fabricantes vuelvan a traer cámaras CCD de consumo en un futuro próximo, las CCD seguirán siendo un elemento básico en la investigación científica.