Comparación entre sensores CCD y CMOS: ¿Cuál es el mejor para la captura de imágenes?

¿Deberías usar un sensor CCD o CMOS en esta cámara? Aquí te explicamos cómo puedes comparar estos sensores.

Cualquier diseño para aplicaciones de imagen, visión por computadora y fotónica necesitará algún tipo de ensamblaje óptico y sensor para funcionar correctamente. Tu próximo sistema óptico incorporará una amplia gama de componentes ópticos, y los sensores de imagen son el puente entre los mundos óptico y electrónico.

La selección cuidadosa de sensores requiere considerar una serie de factores. Algunos de estos factores se relacionan con el tiempo de respuesta, el factor de forma, la resolución y la aplicación. La elección entre un sensor CCD vs. CMOS puede ser difícil, pero determinará qué tan rápido tu sistema puede resolver imágenes evitando la saturación. Si necesitas trabajar fuera del rango visible, necesitarás considerar materiales alternativos al Si para una imagen efectiva. En algunas aplicaciones, puede tener más sentido trabajar con un arreglo de fotodiodos. Aquí te explicamos lo que necesitas saber sobre estos diferentes tipos de sensores y cómo elegir el componente adecuado para tu aplicación.

Requisitos del Sensor y Sistema de Imagen

Cualquier sistema de imagen debe ser diseñado para cumplir con ciertos requisitos particulares, y muchos de ellos se centran en la elección del sensor óptico. Para comenzar, considera el material que necesitas para tu rango de longitud de onda, luego compara aspectos como la resolución, el tiempo de respuesta y la linealidad.

Material Activo y Rango de Detección

El material activo utilizado en tu sensor determinará el rango de longitud de onda sensible, las pérdidas en la cola de banda y la sensibilidad a la temperatura. Puedes estar trabajando en los rangos infrarrojo, visible o UV, dependiendo de tu aplicación. Para sistemas de cámaras, querrás sensibilidad a lo largo del rango visible, a menos que estés trabajando en un sistema de imagen térmica. Para aplicaciones de imagen especializadas, como la imagen de fluorescencia, puedes estar trabajando desde el IR hasta el rango UV.

Algunos materiales activos aún están en la etapa de investigación, mientras que algunos están disponibles como componentes comercializados. Si estás comparando componentes de sensor CCD vs. CMOS, el material activo es un buen punto de partida al seleccionar sensores candidatos.

• Si: Este es el material más común utilizado en sensores de imagen. Su banda prohibida indirecta de 1.1 eV (~1100 nm de borde de absorción) lo hace más adecuado para longitudes de onda visibles y NIR.
• InGaAs: Este material III-V proporciona detección IR hasta ~2600 nm. Su baja capacitancia de unión de <1 nF hace que los sensores InGaAs sean ideales para aplicaciones en longitudes de onda SMF (1310 y 1550 nm). La sintonización se logra alterando la estequiometría de In(1-x)GaxAs. Los sensores CCD InGaAs están disponibles en el mercado de proveedores de fotónica, y compañías como IBM han demostrado la compatibilidad de InGaAs con procesos CMOS.
• Ge: Este material es menos común en cámaras y sensores CCD debido a su mayor costo que el Si, y los sensores CMOS de Ge y SiGe siguen siendo un tema de investigación importante.

TRANSLATE:

Existen otros materiales disponibles para su uso como sensores de imagen, aunque estos se utilizan normalmente en fotodiodos y no están muy comercializados. Si estás trabajando en el rango visible, Si es la ruta a seguir ya que tendrás sensibilidad en longitudes de onda de ~400 nm a ~1050 nm. Si estás trabajando profundamente en el rango IR, querrás usar InGaAs. Los sensores Si CCD y CMOS pueden usarse para longitudes de onda UV, pero solo cuando el sensor tiene un tratamiento superficial especial para prevenir la ablación.

Los filtros de color se usan a menudo en sensores CCD y CMOS para formar imágenes monocromáticas o filtrar longitudes de onda específicas. Es común ver CCDs y sensores CMOS con un filtro de vidrio de corte agudo o película delgada para eliminar longitudes de onda IR.

Tasa de Cuadros, Resolución y Ruido

La tasa de cuadros está determinada por la manera en que se lee la información del detector. El detector está compuesto por píxeles discretos, y los datos deben leerse secuencialmente de los píxeles. El método para leer píxeles determina la velocidad a la que se pueden adquirir imágenes o mediciones. Los sensores CMOS utilizan un esquema de direccionamiento, donde el sensor y cada píxel se leen individualmente. En contraste, los CCDs usan exposición global y leen cada columna de píxeles con un par de registros de desplazamiento y un ADC.

Debido a que estos sensores utilizan diferentes métodos de lectura, varios módulos de sensores requieren diferentes componentes integrados. Aquí es donde comienza la verdadera comparación ya que la electrónica integrada determinará las cifras de ruido, linealidad, responsividad, profundidad de color (número de colores que se pueden reproducir) y límite de detección. La tabla a continuación muestra una breve comparación de las métricas de imagen importantes para sensores CCD y CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Resolución | Hasta 100+ Megapíxeles | Hasta 100+ Megapíxeles | | Tasa de cuadros | Mejor para tasas de cuadros más bajas | Mejor para tasas de cuadros más altas | | Cifra de ruido | Piso de ruido más bajo → Mayor calidad de imagen | Piso de ruido más alto → Menor calidad de imagen | | Responsividad y linealidad | Menor responsividad, rango lineal más amplio | Mayor responsividad, rango lineal más bajo (satura temprano) | | Límite de detección | Bajo (más sensible a baja intensidad) | Alto (menos sensible a baja intensidad) | | Profundidad de color | Mayor (16+ bits es típico para CCDs caros) | Menor, aunque se está volviendo comparable a los CCDs (12-16 bits es típico) |

¿Qué pasa con los fotodiodos?

Esta es una pregunta justa ya que los arreglos de fotodiodos también pueden usarse para recopilar mediciones de intensidad 1D o 2D. Es importante señalar que un fotodiodo es el elemento activo en un sensor CCD o CMOS; los tres tipos de sensores difieren en la forma en que se lee la información del dispositivo. Un arreglo de fotodiodos se construye con una configuración de cátodo común, por lo que los datos se leen del dispositivo en paralelo. Esto hace que los fotodiodos sean más rápidos que los sensores CCD y CMOS. Sin embargo, el uso de dos cables por fotodiodo significa que tendrás un pequeño número de fotodiodos en un arreglo; un fotodiodo de 100x100 píxeles tendría 20,000 conexiones eléctricas. Se puede ver cómo esto rápidamente se vuelve impráctico.

La otra opción para usar fotodiodos es escanear mecánicamente el campo de visión con un diodo láser y recoger la luz reflejada/dispersada. Este enfoque de medición puntual se utiliza en UAV y sistemas lidar automotrices. De esta manera, puedes formar una imagen de baja resolución, donde la tasa de cuadros está limitada por la tasa de escaneo y el tiempo de promediación. En esta aplicación, los sensores CCD y CMOS aún ganan gracias a su mayor resolución y tasas de cuadros similares.

Ejemplo de una imagen lidar escaneada en trama para un vehículo autónomo. Nota el autobús en el lado derecho de la imagen. Crédito de la imagen: Baraja.

Encontrar y evaluar arreglos de sensores CCD vs. CMOS son pasos críticos en el diseño de sistemas de imagen. Puedes encontrar estos componentes y muchos más en Octopart.

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