6 de octubre de 2009, Estocolmo. Fue un momento histórico para las cámaras digitales cuando sus obturadores se abrieron durante una fracción de segundo para capturar al comité que otorgaba el codiciado Premio Nobel a quienes inventaron los ojos electrónicos. Si no fuera por el dúo formado por Willard Boyle y George Smith, estas cámaras aún podrían estar iluminando películas fotosensibles y luego secándolas sobre rieles en el cuarto oscuro. Al inventar el dispositivo de carga acoplada e imaginar sus aplicaciones en 1969, Boyle y Smith abrieron el ámbito de los dispositivos de estado sólido para aplicaciones de imágenes y memoria.
Figura 1: Una imagen del dispositivo de carga acoplada
Aunque Boyle y Smith inventaron el método para convertir la luz en una señal eléctrica, toda la investigación no habría sido posible si no fuera por la innovadora explicación de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico. Einstein explicó cómo los materiales podían absorber la radiación entrante y la eventual eliminación de electrones de la superficie. Boyle y Smith estudiaron cómo esta incidencia de la luz provocaba perturbaciones en los electrones y cómo podría utilizarse. Lo lograron agrupando varios condensadores en una matriz, algo que forma los píxeles de una imagen digital.
Inicialmente denominado Load Bubble Devices , se registró el funcionamiento del dispositivo como registro de desplazamiento y dispositivo de imágenes lineales. Se basó en un principio similar al de los dispositivos Bucket-Brigade, donde la carga se transfiere de un condensador a otro a lo largo de la superficie del semiconductor. Bell Labs logró construir la primera cámara de video de estado sólido en 1970. En 1971, Michael F. Tompsett y otros investigadores de Bell Labs pudieron capturar imágenes con imágenes lineales. Matrices CCD . Después de eso, muchas empresas de semiconductores como Texas Instruments, Fairchild Semiconductors, Sony, etc. Tecnologías CCD . Uno de los primeros dispositivos CCD comerciales fue construido por Fairchild en 1974, que era un dispositivo de 100 x 100 píxeles con aproximadamente 500 CCD. El primer satélite de reconocimiento basado en CCD, el KH-11 KENNAN, se lanzó en 1976. En 1983, los CCD también empezaron a sustituir las placas fotográficas en los telescopios astronómicos. Empresas como Kodak habían estado fabricando cámaras profesionales basadas en CCD desde 1985, pero en 1995, las cámaras CCD rentables y de alta resolución comenzaron a inundar los mercados.
Se puede considerar un CCD como un subconjunto de dispositivos de transferencia de carga. Se basan en condensadores semiconductores de óxido metálico (MOS). En CCD se han utilizado dos tipos, condensadores MOS de canal de superficie y de canal enterrado, pero para la fabricación se han utilizado principalmente condensadores de canal enterrado ya que no tienen problemas causados por irregularidades en la superficie en la interfaz de óxido-semiconductor. Se forma un canal delgado enterrado de tipo n sobre un sustrato de tipo p mediante implantación de iones. La capa aislante de dióxido de silicio se coloca encima de la región ne; para completar el condensador, se colocan puertas metálicas o silicio policristalino fuertemente dopado encima del SiO aislante. 2 mediante proceso CVD. Para aislar los paquetes de carga de una columna de la otra, se colocan "topes de canal" de óxido cultivado térmicamente paralelos a los canales.
Figura 2: Imagen gráfica del condensador MOS de canal enterrado
Pero si una celda CCD transmitiera cargas, sería cualquier otro condensador MOS. La propiedad adicional de ser sensible a la luz hace que el CCD sea único. La respuesta a los fotones se produce a través de las capas epitaxiales de silicio dopado que crecen sobre el sustrato. Cuando los fotones golpean la superficie del semiconductor, desalojan electrones que crean una carga proporcional a la luz que incide sobre la superficie. Una sola celda CCD realiza cuatro funciones:
1. Reciba carga de la celda que se encuentra encima en la matriz.
2. Mantenga esta carga durante algún tiempo sin mucha pérdida.
3. Pase esta carga a la celda debajo de ella en la matriz.
4. Responde a estímulos externos como la luz y genera tu propia carga.
Elementos y continuación. de trabajo.
Ahí radica el principal desafío: leer estas acusaciones. Se utilizaron muchos esquemas llamados binning, bifásico, trifásico, cuatrifásico, etc., correspondientes al tipo de reloj utilizado, para transferir los paquetes de carga útil de una celda a otra en un estilo de brigada de cubos, protegiendo la integridad de cada uno. paquete. Considerando un esquema trifásico, habría 3 cables de control pasando por cada celda, con cada cable conectado a una fase del reloj. Estos cables controlan la altura de los pozos potenciales que empujan y tiran de los paquetes de carga a lo largo de la línea. Para un esquema trifásico, cada píxel contiene un puerto de almacenamiento y dos de barrera. Cada puerto de almacenamiento está conectado a la misma fase y, secuencialmente, cada puerto de barrera está conectado a sus respectivos relojes de fase. Un paquete de carga se mueve de una región a la siguiente cuando el segundo puerto alcanza un potencial más alto y el primer puerto baja. Este movimiento secuencial de cargas se puede demostrar como en la siguiente figura.
Figura 3: Figura Gráfica del Movimiento Secuencial de Cargas en el CCD
Se han realizado intentos de utilizar dispositivos CCD como dispositivos de memoria. Pero poco después, otras técnicas se hicieron cargo y los dispositivos CCD se utilizaron principalmente en escaneo, microscopía y fotografía. La matriz unidimensional se ha utilizado en escáneres de superficie plana donde se escanea una línea a la vez y luego se leen las cargas. La matriz se mueve mecánicamente a lo largo de la página para crear imágenes escaneadas bidimensionales. Se utilizaron matrices bidimensionales para capturar toda la escena a la vez y luego transferir las cargas a la salida.
Fig. 4: Una imagen de matriz unidimensional
Arquitectura
Para leer el conjunto CCD se utilizaron tres arquitecturas:
Figura 5: Diagrama que muestra la arquitectura CCD de fotograma completo
1. Lectura de fotograma completo: toda la matriz CCD actúa como un área activa. Este tipo de dispositivo utiliza un mecanismo de obturador mecánico para impedir que la luz llegue al elemento, evitando que las cargas pasen a través de los CCD verticales en paralelo y posteriormente se muevan en serie utilizando los CCD horizontales. Este proceso lleva bastante tiempo.
Figura 6: Imagen gráfica que representa/diagrama que muestra la arquitectura CCD de transferencia de cuadros
Arquitectura continuación.
2. Transferencia de fotograma: la mitad del área contigua de la matriz se utiliza para la exposición y la mitad restante es opaca. Las cargas se transfieren del área activa al área opaca en mucho menos tiempo y luego se leen desde allí. Este proceso es más rápido que leer el fotograma completo porque durante el tiempo que se leen las cargas en el área opaca, el área activa se puede utilizar para capturar una nueva imagen. También tiene la ventaja de reducir las manchas y la contaminación lumínica durante el traslado de carga. Sin embargo, esto tiene la desventaja de utilizar el doble de superficie de silicio.
Figura 7: Imagen gráfica que representa/diagrama que muestra la arquitectura CCD de transferencia entre líneas
3. Transferencia entre líneas: En este tipo de arquitectura, cada píxel tiene un área activa y un área opaca adyacente. La carga se transfiere rápidamente desde el fotodiodo sensible a la luz a la unidad CCD vertical adyacente. Esto utiliza solo un ciclo de transferencia para ocultar la imagen completa, lo que permite velocidades de obturación muy altas y un desenfoque mínimo. Esto también tiene la desventaja de aumentar el estado del silicio, pero los avances modernos han intentado aumentar la eficiencia cuántica de la matriz utilizando microlentes que redirigen la luz lejos de las regiones opacas. El uso de microlentes aumentó el factor de relleno a alrededor del 90 % de otras arquitecturas sin comprometer la velocidad.
Laboral
Los principales parámetros de rendimiento de un dispositivo CCD son la velocidad, la sensibilidad, la resolución y el costo. Sin embargo, la elección de la arquitectura depende de la aplicación de los dispositivos. Aunque la astronomía requiere capturar la máxima luz, el precio rara vez es una limitación, se utilizan dispositivos CCD con arquitectura de lectura de fotograma completo. Pero en el caso de las cámaras tipo apuntar y disparar, donde la velocidad de obturación y el costo son más importantes, la arquitectura interlínea es la más popular.
Las matrices CCD sólo son sensibles a la intensidad y no al color. Entonces, para obtener una imagen colorida, se utilizan filtros. Se pueden obtener imágenes en color utilizando el patrón Bayer o 3CCD y un prisma divisor de haz dicroico.
Figura 8: Imagen representativa del patrón Bayer
Bayer Pattern es una cuadrícula de colores especial que se coloca sobre la matriz de la imagen. Dado que el ojo humano es más sensible al color verde, dos de cada cuatro rejillas tienen un filtro verde. Los demás tienen azul y rojo, formando el patrón de color RGB. Un procesador de señal digital interpola los dos colores que faltan de los valores de píxeles vecinos. El patrón Bayer, aunque simple y barato, desecha información que compromete la resolución de la imagen. Además, cuando se utiliza en lugares con cambios abruptos en la intensidad de la luz, el patrón Bayer crea artefactos. Algunas cámaras también pueden utilizar diferentes patrones de color para la generación de color. La resolución se puede mejorar en aplicaciones específicas mediante la tecnología de microescaneo.
Un prisma divisor de haz dicroico divide la imagen en componentes rojo, verde y azul que luego pueden incidir por separado en dispositivos de tres CCD. Esto ofrece una mayor eficiencia cuántica en comparación con la máscara de Bayer, ya que la mayor parte de la luz es capturada por los sensores y no absorbida por las capas intermedias de la máscara. Estos dispositivos se han utilizado en videocámaras profesionales.
Un dispositivo CCD, a pesar de todas las buenas características que ofrece, también tiene algunas desventajas. El acoplamiento de cargas a lo largo de una fila de muchos píxeles da como resultado la pérdida de una cantidad considerable de carga, lo que provoca un desvanecimiento. Un control inadecuado del obturador o condiciones de brillo excesivo que hacen que demasiados fotones golpeen el elemento CCD provocan una fuga de carga al píxel vecino, lo que provoca floración.
Figura 9: Imagen gráfica que representa el funcionamiento/diagrama que muestra el funcionamiento del prisma divisor de haz dicroico
Además, si los fotones golpean los sensores mientras se transfiere la carga debido a una sincronización inadecuada, puede producirse pérdida de datos en forma de manchas. La sensibilidad de un dispositivo CCD suele ser función de la temperatura de funcionamiento. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta la corriente de fuga oscura, reduciendo así la sensibilidad. El ruido es inherente a todos los equipos electrónicos y, en el caso de los dispositivos basados en CCD, la degradación de la SNR puede ocurrir debido al ruido de fotones, ruido oscuro o ruido de lectura o una combinación de estos. Sin embargo, un intenso trabajo de investigación en este campo ha dado resultados positivos y el desarrollo de muchas variantes mejoradas. Dispositivos como los CCD de multiplicación de electrones (EMCCD), que incorporan ganancia de multiplicación en el chip, han ayudado a lograr sensibilidades de detección de fotón único sin comprometer la resolución o la eficiencia de la estructura del CCD, al tiempo que reducen los costos. Estas características son típicas de los costosos CCD bombardeados con electrones, que utilizan un intensificador de imagen con un dispositivo CCD.
CCD x CMOS
Ha habido competencia directa entre las tecnologías de imágenes CCD y CMOS. Las imágenes CCD y CMOS se inventaron casi al mismo tiempo y en unos pocos años. Sin embargo, los CCD se volvieron dominantes debido a los resultados superiores de la tecnología de fabricación disponible en ese momento. Las tecnologías CMOS se centraron en la uniformidad y tamaños de características más pequeños, lo que no sucedió hasta la década de 1990, cuando la litografía avanzó lo suficiente como para admitir tamaños de características pequeños. Fue después de esto que los generadores de imágenes CMOS regresaron y desde entonces ambas tecnologías han luchado por el dominio del mercado. Si bien se sabe que los sensores CCD ofrecen las mejores calidades de imagen, los lectores de imágenes CMOS ofrecen más funciones en el chip y características atractivas, como un menor consumo de energía, lo que los hace más populares en las cámaras de los teléfonos móviles, etc. La decisión se tomará dependiendo de los requisitos de la solicitud.
|
Factor
|
CCD
|
CMOS
|
|
Sensibilidad
|
Moderado
|
Más alto
|
|
Gama dinámica
|
Alto
|
Moderado
|
|
Uniformidad
|
Alto
|
Bajo
|
|
Velocidad
|
Moderado
|
Más alto
|
|
Anti-floración
|
Alto
|
Alto
|
|
Señal fuera del píxel/chip
|
Paquete de electrones/voltaje
|
Voltaje/Bits
|
|
Complejidad del sistema/sensor
|
Alto bajo
|
Bajo Alto
|
|
Ruido
|
Bajo
|
Alto
|
Los mercados han visto una rápida disminución en la proporción de CCD debido a la creciente popularidad de los sensores CMOS en teléfonos celulares y cámaras de apuntar y disparar, e incluso los incondicionales de la industria como Canon y Sony, que usaban principalmente productos CCD, ahora están migrando a CMOS. lectores de imágenes. Se espera que más del 95% del mercado de cámaras cambie a sensores CMOS para 2014. Pero sigue siendo y seguirá siendo un segmento predominante que seguirá dependiendo de los sensores CCD, la investigación científica y la comunidad de astrónomos, la mayor Ejemplo de ello es el Telescopio Espacial Hubble. Entonces, aunque la luz de los CCD pueda estar desapareciendo de la Tierra, todavía necesitaríamos un CCD para ver qué hay ahí fuera.
