CCD

Un dispositivo de carga acoplada es un circuito integrado sensible a la luz que convierte fotones en carga eléctrica. Dentro del chip se encuentra una cuadrícula de fotodiodos, que generalmente van desde unos pocos cientos de miles hasta varios millones de píxeles individuales. Cuando la luz incide en cada fotodiodo, genera una carga eléctrica proporcional al brillo de ese punto. Luego, el chip desplaza estas cargas secuencialmente a través del silicio a un amplificador de lectura, que convierte cada pulso de carga en un voltaje que puede digitalizarse.

Los CCD se convirtieron en el sensor estándar para cámaras digitales, grabadoras de video y sistemas de visión artificial desde la década de 1980 en adelante porque ofrecen alta sensibilidad a la luz y bajo ruido en comparación con las alternativas iniciales. Un CCD típico en inspección industrial podría tener 2048 por 1536 píxeles, cada uno midiendo 4.4 micrómetros cuadrados, con un rango dinámico de 60 a 65 decibelios. Las variantes de color usan un patrón de filtro Bayer, superponiendo filtros rojos, verdes y azules a través de la matriz de píxeles para que cada píxel capture un canal de color; el procesador de la cámara luego interpola los colores faltantes de los píxeles vecinos. Los CCD monocromáticos, sin filtros de color, tienen mejor sensibilidad en condiciones de poca luz.

Cómo funciona realmente el acoplamiento de carga

La palabra acoplado se refiere al mecanismo: la carga de cada píxel se transfiere al siguiente píxel en una cadena, al estilo de una brigada de cubos, utilizando pulsos de reloj cronometrados con precisión aplicados a electrodos metálicos sobre la superficie de silicio. Este método de desplazamiento en serie es lento pero extraordinariamente limpio, introduciendo un ruido mínimo porque la carga nunca toca una superficie de silicio mientras se mueve. Las cámaras modernas suelen leer una matriz de 2048 por 1536 en aproximadamente 33 milisegundos, lo que corresponde a una velocidad de fotogramas de 30 Hz. La frecuencia del reloj y la oscilación de voltaje determinan la velocidad y las características de ruido; los sistemas industriales a menudo permiten a los usuarios ajustar la frecuencia del reloj de lectura para intercambiar la velocidad de fotogramas por el rendimiento de ruido.

Los CCD sufren dos modos de degradación comunes. Los impactos de rayos cósmicos en la superficie de silicio pueden llevar un píxel a la saturación, creando píxeles calientes que aparecen como puntos brillantes en la oscuridad. La exposición repetida a la luz ultravioleta o los rayos X daña la red de silicio, aumentando la corriente oscura, una carga generada térmicamente que se acumula incluso en completa oscuridad. El enfriamiento a largo plazo a menos 5 o menos 10 grados Celsius ralentiza la generación de corriente oscura y mejora la calidad de los datos en aplicaciones sensibles como la astronomía o la microscopía.

Los sensores de imagen CMOS, que compiten con los CCD en los diseños modernos, leen la carga en paralelo en lugar de en serie, lo que permite velocidades de fotogramas más rápidas y un menor consumo de energía. Sin embargo, los CCD siguen siendo superiores en aplicaciones donde la sensibilidad y el ruido importan más que la velocidad, como la espectroscopia, el escaneo de documentos y la vigilancia con poca luz. Los proveedores industriales todavía fabrican matrices CCD en formatos estándar, especialmente en configuraciones de escaneo lineal para inspección web e imágenes de documentos, donde la física y el factor de forma permanecen casi sin cambios desde la invención de la tecnología en 1969.