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Un dispositivo de carga acoplada ( CCD ) es un circuito integrado que contiene una serie de condensadores conectados o acoplados . Bajo el control de un circuito externo, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a un condensador vecino. Los sensores CCD son una tecnología importante utilizada en imágenes digitales .
En un sensor de imagen CCD , los píxeles están representados por condensadores semiconductores de óxido metálico (MOS) dopados con p . Estos condensadores MOS , los componentes básicos de un CCD, [1] están polarizados por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de imágenes, lo que permite la conversión de los fotones entrantes en cargas de electrones en la interfaz semiconductor-óxido; Luego se utiliza el CCD para leer estos cargos.
Aunque los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se utilizan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imágenes de alta calidad.
En aplicaciones con exigencias de calidad menos exigentes, como cámaras digitales de consumo y profesionales , generalmente se utilizan sensores de píxeles activos , también conocidos como sensores CMOS (sensores MOS complementarios).
Sin embargo, la gran ventaja de calidad que disfrutaron los CCD al principio se ha reducido con el tiempo y, desde finales de la década de 2010, los sensores CMOS son la tecnología dominante, habiendo reemplazado en gran medida, si no completamente, a los sensores de imagen CCD.
La base del CCD es la estructura semiconductora de óxido metálico (MOS), [2] siendo los condensadores MOS los componentes básicos de un CCD, [1] [3] y una estructura MOS empobrecida utilizada como fotodetector en los primeros CCD. dispositivos. [2] [4]
A finales de la década de 1960, Willard Boyle y George E. Smith en Bell Labs investigaban la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbujas semiconductoras . Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS seguidos, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. [3] Esto llevó a la invención del dispositivo de carga acoplada por Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que denominaron, en su cuaderno, "Dispositivos de carga 'burbuja'". [5] [6]
El artículo inicial que describía el concepto en abril de 1970 enumeraba posibles usos como memoria , línea de retardo y dispositivo de imágenes. [7] El dispositivo también podría utilizarse como registro de desplazamiento . La esencia del diseño era la capacidad de transferir carga a lo largo de la superficie de un semiconductor de un condensador de almacenamiento al siguiente. El concepto era similar en principio al dispositivo de brigada de cubos (BBD), que se desarrolló en los laboratorios de investigación de Philips a finales de los años 1960.
El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una fila de cuadrados metálicos muy próximos entre sí sobre una superficie de silicio oxidado a la que se accedía eléctricamente mediante uniones de cables. Fue demostrado por Gil Amelio , Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. [8] Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en tecnología de sensores de imagen y utilizó una estructura MOS empobrecida como fotodetector. [2] La primera patente ( patente estadounidense 4.085.456 ) sobre la aplicación de CCD a la obtención de imágenes fue asignada a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971. [9]
El primer CCD funcional fabricado con tecnología de circuito integrado fue un registro de desplazamiento simple de 8 bits, informado por Tompsett, Amelio y Smith en agosto de 1970. [10] Este dispositivo tenía circuitos de entrada y salida y se utilizó para demostrar su uso como registro de desplazamiento. y como un tosco dispositivo de imágenes lineales de ocho píxeles . El desarrollo del dispositivo avanzó a un ritmo rápido. En 1971, los investigadores de Bell dirigidos por Michael Tompsett pudieron capturar imágenes con dispositivos lineales simples. [11] Varias empresas, incluidas Fairchild Semiconductor , RCA y Texas Instruments , retomaron la invención y comenzaron programas de desarrollo. El esfuerzo de Fairchild, dirigido por el ex investigador de Bell Gil Amelio, fue el primero con dispositivos comerciales, y en 1974 tenía un dispositivo lineal de 500 elementos y un dispositivo 2D de 100 × 100 píxeles. Peter Dillon, científico de Kodak Research Labs, inventó el primer sensor de imagen CCD en color superponiendo una matriz de filtros de color en este CCD interlineal Fairchild de 100 x 100 píxeles a partir de 1974. [12] Steven Sasson , ingeniero eléctrico que trabaja para Kodak Apparatus Division, inventó una cámara fotográfica digital utilizando este mismo Fairchild 100 × 100 CCD en 1975. [13]
El dispositivo CCD de transferencia entre líneas (ILT) fue propuesto por L. Walsh y R. Dyck en Fairchild en 1973 para reducir las manchas y eliminar un obturador mecánico . Para reducir aún más la mancha de fuentes de luz brillante, K. Horii, T. Kuroda y T. Kunii desarrollaron la arquitectura CCD de transferencia entre líneas de cuadros (FIT) en Matsushita (ahora Panasonic) en 1981. [2]
El primer satélite de reconocimiento KH-11 KENNEN equipado con tecnología de dispositivo de carga acoplada ( 800 × 800 píxeles) [ cita necesaria ] para imágenes se lanzó en diciembre de 1976. [14] Bajo el liderazgo de Kazuo Iwama , Sony inició un gran esfuerzo de desarrollo sobre CCD que supongan una inversión importante. Con el tiempo, Sony logró producir en masa CCD para sus videocámaras . Antes de que esto sucediera, Iwama murió en agosto de 1982. Posteriormente se colocó un chip CCD en su lápida en reconocimiento a su contribución. [15] La primera cámara de vídeo CCD de consumo producida en masa , la CCD-G5, fue lanzada por Sony en 1983, basada en un prototipo desarrollado por Yoshiaki Hagiwara en 1981. [16]
Los primeros sensores CCD sufrían un retraso del obturador . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijo (PPD). [2] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. [2] [17] Reconocieron que el retraso puede eliminarse si las portadoras de señal pudieran transferirse del fotodiodo al CCD. Esto los llevó a la invención del fotodiodo fijado, una estructura de fotodetector con bajo retraso, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . [2] Fue informado públicamente por primera vez por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti-floración. [2] [18] La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijo" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse a la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en cámaras de vídeo electrónicas de consumo y luego cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS . [2]
En enero de 2006, Boyle y Smith recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería , [19] y en 2009 recibieron el Premio Nobel de Física [20] por su invención del concepto CCD. Michael Tompsett recibió la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación de 2010 , por su trabajo pionero y tecnologías electrónicas, incluido el diseño y desarrollo de los primeros generadores de imágenes CCD. También recibió la medalla IEEE Edison 2012 por "contribuciones pioneras a dispositivos de imágenes, incluidas cámaras CCD, cámaras y cámaras termográficas".
En un CCD para capturar imágenes, hay una región fotoactiva (una capa epitaxial de silicio) y una región de transmisión formada por un registro de desplazamiento (el CCD, propiamente dicho).
Se proyecta una imagen a través de una lente sobre el conjunto de condensadores (la región fotoactiva), lo que hace que cada condensador acumule una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en ese lugar. Una matriz unidimensional, utilizada en cámaras de escaneo lineal, captura una sola porción de la imagen, mientras que una matriz bidimensional, utilizada en cámaras de vídeo y fotografías, captura una imagen bidimensional correspondiente a la escena proyectada en el plano focal. del sensor. Una vez que la matriz ha sido expuesta a la imagen, un circuito de control hace que cada capacitor transfiera su contenido a su vecino (operando como un registro de desplazamiento). El último condensador del conjunto descarga su carga en un amplificador de carga , que convierte la carga en voltaje . Al repetir este proceso, el circuito de control convierte todo el contenido de la matriz en el semiconductor en una secuencia de voltajes. En un dispositivo digital, estos voltajes luego se muestrean, se digitalizan y generalmente se almacenan en la memoria; en un dispositivo analógico (como una cámara de vídeo analógica), se procesan en una señal analógica continua (por ejemplo, alimentando la salida del amplificador de carga a un filtro de paso bajo), que luego se procesa y se envía a otros circuitos para transmisión, grabación u otro procesamiento. [21]
Antes de exponer los condensadores MOS a la luz, se polarizan hacia la región de agotamiento; en los CCD de canal n, el silicio debajo de la puerta de polarización está ligeramente dopado con p o es intrínseco. Luego, la puerta se polariza a un potencial positivo, por encima del umbral de inversión fuerte, lo que eventualmente dará como resultado la creación de un canal n debajo de la puerta como en un MOSFET . Sin embargo, se necesita tiempo para alcanzar este equilibrio térmico: hasta horas en cámaras científicas de alta gama enfriadas a baja temperatura. [22] Inicialmente, después de la polarización, los agujeros se empujan profundamente hacia el sustrato y no hay electrones móviles en la superficie o cerca de ella; Por lo tanto, el CCD opera en un estado de no equilibrio llamado agotamiento profundo. [23] Luego, cuando se generan pares electrón-hueco en la región de agotamiento, son separados por el campo eléctrico, los electrones se mueven hacia la superficie y los agujeros se mueven hacia el sustrato. Se pueden identificar cuatro procesos de generación de pares:
Los últimos tres procesos se conocen como generación de corriente oscura y añaden ruido a la imagen; pueden limitar el tiempo total de integración utilizable. La acumulación de electrones en la superficie o cerca de ella puede continuar hasta que termina la integración de la imagen y comienza a transferirse la carga, o hasta que se alcanza el equilibrio térmico. En este caso se dice que el pozo está lleno. La capacidad máxima de cada pozo se conoce como profundidad del pozo, [24] típicamente alrededor de 10 5 electrones por píxel. [23] Los CCD normalmente son susceptibles a la radiación ionizante y a las partículas energéticas que provocan ruido en la salida del CCD, y esto debe tenerse en cuenta en los satélites que utilizan CCD. [25] [26]
La región fotoactiva de un CCD es, generalmente, una capa epitaxial de silicio . Está ligeramente dopado con p (generalmente con boro ) y se cultiva sobre un material de sustrato , a menudo p++. En los dispositivos de canal enterrado, el tipo de diseño utilizado en la mayoría de los CCD modernos, ciertas áreas de la superficie del silicio están implantadas con iones de fósforo , lo que les da una designación n-dopada. Esta región define el canal en el que viajarán los paquetes de carga fotogenerados. Simon Sze detalla las ventajas de un dispositivo de canal enterrado: [23]
Esta fina capa (= 0,2–0,3 micrones) se agota por completo y la carga fotogenerada acumulada se mantiene alejada de la superficie. Esta estructura tiene las ventajas de una mayor eficiencia de transferencia y una menor corriente oscura, debido a una recombinación superficial reducida. La penalización es una menor capacidad de carga, en un factor de 2 a 3 en comparación con el CCD de canal de superficie.
El óxido de puerta, es decir, el dieléctrico del condensador , crece encima de la capa epitaxial y el sustrato.
Más adelante en el proceso, las puertas de polisilicio se depositan mediante deposición química de vapor , se modelan con fotolitografía y se graban de tal manera que las puertas en fases separadas queden perpendiculares a los canales. Los canales se definen además mediante la utilización del proceso LOCOS para producir la región de parada del canal .
Los topes de canal son óxidos cultivados térmicamente que sirven para aislar los paquetes de carga en una columna de los de otra. Estos topes de canal se producen antes que las puertas de polisilicio, ya que el proceso LOCOS utiliza un paso de alta temperatura que destruiría el material de la puerta. Las paradas del canal son paralelas y exclusivas del canal o regiones "portadoras de carga".
Las paradas de canal a menudo tienen una región dopada con p+ subyacente, lo que proporciona una barrera adicional a los electrones en los paquetes de carga (esta discusión sobre la física de los dispositivos CCD supone un dispositivo de transferencia de electrones , aunque la transferencia de huecos es posible).
La sincronización de las compuertas, alternativamente alta y baja, polarizará hacia adelante y hacia atrás el diodo proporcionado por el canal enterrado (dopado n) y la capa epitaxial (dopada p). Esto hará que el CCD se agote, cerca de la unión p-n , y recogerá y moverá los paquetes de carga debajo de las puertas (y dentro de los canales) del dispositivo.
La fabricación y el funcionamiento del CCD se pueden optimizar para diferentes usos. El proceso anterior describe un CCD de transferencia de cuadros. Si bien los CCD se pueden fabricar en una oblea p++ fuertemente dopada, también es posible fabricar un dispositivo dentro de pocillos p que se hayan colocado en una oblea n. Según se informa, este segundo método reduce la mancha, la corriente oscura y la respuesta infrarroja y roja. Este método de fabricación se utiliza en la construcción de dispositivos de transferencia entre líneas.
Otra versión de CCD se llama CCD peristáltico. En un dispositivo peristáltico de carga acoplada, la operación de transferencia de paquetes de carga es análoga a la contracción y dilatación peristáltica del sistema digestivo . El CCD peristáltico tiene un implante adicional que mantiene la carga alejada de la interfaz silicio/ dióxido de silicio y genera un gran campo eléctrico lateral de una puerta a la siguiente. Esto proporciona una fuerza impulsora adicional para ayudar en la transferencia de los paquetes de carga.
Los sensores de imagen CCD se pueden implementar en varias arquitecturas diferentes. Los más comunes son el de fotograma completo, el de transferencia de fotogramas y el interlínea. La característica distintiva de cada una de estas arquitecturas es su enfoque al problema del encofrado.
En un dispositivo de fotograma completo, toda el área de la imagen está activa y no hay obturador electrónico. Se debe agregar un obturador mecánico a este tipo de sensor o la imagen se borrará a medida que el dispositivo sincroniza o lee.
Con un CCD de transferencia de fotogramas, la mitad del área de silicio está cubierta por una máscara opaca (normalmente de aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente desde el área de la imagen al área opaca o región de almacenamiento con una mancha aceptable de un pequeño porcentaje. Luego, esa imagen se puede leer lentamente desde la región de almacenamiento mientras se integra o expone una nueva imagen en el área activa. Los dispositivos de transferencia de cuadros generalmente no requieren un obturador mecánico y eran una arquitectura común para las primeras cámaras de transmisión de estado sólido. La desventaja de la arquitectura de transferencia de fotogramas es que requiere el doble de espacio de silicio que un dispositivo de fotograma completo equivalente; por lo tanto, cuesta aproximadamente el doble.
La arquitectura interlínea amplía este concepto un paso más y enmascara cada dos columnas del sensor de imagen para su almacenamiento. En este dispositivo, sólo tiene que ocurrir un desplazamiento de píxel para transferir del área de la imagen al área de almacenamiento; por lo tanto, los tiempos de obturación pueden ser inferiores a un microsegundo y prácticamente se eliminan las manchas. Sin embargo, la ventaja no es gratuita, ya que el área de imagen ahora está cubierta por tiras opacas, lo que reduce el factor de relleno a aproximadamente el 50 por ciento y la eficiencia cuántica efectiva en una cantidad equivalente. Los diseños modernos han abordado esta característica nociva agregando microlentes en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y hacia el área activa. Las microlentes pueden recuperar el factor de relleno hasta el 90 por ciento o más, dependiendo del tamaño del píxel y del diseño óptico general del sistema.
La elección de la arquitectura se reduce a una de utilidad. Si la aplicación no puede tolerar una persiana mecánica costosa, propensa a fallas y que consume mucha energía, un dispositivo interlínea es la elección correcta. Las cámaras de instantáneas de consumo han utilizado dispositivos de interlínea. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor captación de luz posible y las cuestiones de dinero, potencia y tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la elección correcta. Los astrónomos tienden a preferir dispositivos de fotograma completo. La transferencia de tramas se encuentra en el medio y era una opción común antes de que se abordara el problema del factor de llenado de los dispositivos interlíneas. Hoy en día, la transferencia de fotogramas suele elegirse cuando no se dispone de una arquitectura interlínea, como en un dispositivo retroiluminado.
Los CCD que contienen cuadrículas de píxeles se utilizan en cámaras digitales , escáneres ópticos y cámaras de vídeo como dispositivos sensores de luz. Comúnmente responden al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de alrededor del 70 por ciento), lo que las hace mucho más eficientes que la película fotográfica , que captura sólo alrededor del 2 por ciento de la luz incidente.
Los tipos más comunes de CCD son sensibles a la luz infrarroja cercana, lo que permite la fotografía infrarroja , dispositivos de visión nocturna y grabación/fotografía de cero lux (o casi cero lux). Para los detectores normales basados en silicio, la sensibilidad está limitada a 1,1 μm. Otra consecuencia de su sensibilidad a los infrarrojos es que los infrarrojos de los controles remotos suelen aparecer en cámaras o videocámaras digitales basadas en CCD si no tienen bloqueadores de infrarrojos.
El enfriamiento reduce la corriente oscura del conjunto , mejorando la sensibilidad del CCD a intensidades de luz bajas, incluso para longitudes de onda ultravioleta y visible. Los observatorios profesionales suelen enfriar sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura, y por tanto el ruido térmico , a niveles insignificantes.
El generador de imágenes CCD con transferencia de cuadros fue la primera estructura de imágenes propuesta para CCD Imaging por Michael Tompsett en Bell Laboratories. Un CCD de transferencia de fotogramas es un CCD especializado, que se utiliza a menudo en astronomía y en algunas cámaras de vídeo profesionales , diseñado para ofrecer una alta eficiencia y corrección de exposición.
El funcionamiento normal de un CCD, astronómico o no, se puede dividir en dos fases: exposición y lectura. Durante la primera fase, el CCD recoge pasivamente los fotones entrantes y almacena los electrones en sus células. Una vez transcurrido el tiempo de exposición, las células se leen una línea a la vez. Durante la fase de lectura, las células se desplazan por toda el área del CCD. Mientras se desplazan, continúan recogiendo luz. Por lo tanto, si el cambio no es lo suficientemente rápido, pueden producirse errores debido a la luz que incide sobre una celda que mantiene la carga durante la transferencia. Estos errores se conocen como "manchas verticales" y hacen que una fuente de luz intensa cree una línea vertical por encima y por debajo de su ubicación exacta. Además, el CCD no se puede utilizar para recoger luz mientras se lee. Un cambio más rápido requiere una lectura más rápida, y una lectura más rápida puede introducir errores en la medición de la carga de la celda, lo que genera un mayor nivel de ruido.
Un CCD de transferencia de cuadros resuelve ambos problemas: tiene un área blindada, no sensible a la luz, que contiene tantas células como el área expuesta a la luz. Normalmente, esta zona está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Cuando finaliza el tiempo de exposición, las células se transfieren muy rápidamente a la zona oculta. Aquí, a salvo de cualquier luz entrante, las células se pueden leer a cualquier velocidad que se considere necesaria para medir correctamente la carga de las células. Al mismo tiempo, la parte expuesta del CCD vuelve a recoger luz, por lo que no se produce ningún retraso entre exposiciones sucesivas.
La desventaja de un CCD de este tipo es su mayor coste: el área de la celda básicamente se duplica y se necesita una electrónica de control más compleja.
Un dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) es un CCD que está conectado ópticamente a un intensificador de imagen montado frente al CCD.
Un intensificador de imágenes incluye tres elementos funcionales: un fotocátodo , una placa de microcanales (MCP) y una pantalla de fósforo . Estos tres elementos se montan uno detrás del otro en la secuencia mencionada. Los fotones que provienen de la fuente de luz caen sobre el fotocátodo, generando así fotoelectrones. Los fotoelectrones son acelerados hacia el MCP mediante un voltaje de control eléctrico, aplicado entre el fotocátodo y el MCP. Los electrones se multiplican dentro del MCP y luego se aceleran hacia la pantalla de fósforo. La pantalla de fósforo finalmente convierte los electrones multiplicados nuevamente en fotones que son guiados al CCD mediante una fibra óptica o una lente.
Un intensificador de imagen incluye inherentemente una función de obturador : si el voltaje de control entre el fotocátodo y el MCP se invierte, los fotoelectrones emitidos no se aceleran hacia el MCP sino que regresan al fotocátodo. Por lo tanto, el MCP no multiplica ni emite electrones, ningún electrón va a la pantalla de fósforo y no se emite luz desde el intensificador de imágenes. En este caso no incide ninguna luz sobre el CCD, por lo que la persiana está cerrada. El proceso de invertir el voltaje de control en el fotocátodo se llama activación y, por lo tanto, los ICCD también se denominan cámaras CCD controlables.
Además de la sensibilidad extremadamente alta de las cámaras ICCD, que permiten la detección de un solo fotón, la capacidad de control es una de las principales ventajas de las cámaras ICCD sobre las cámaras EMCCD. Las cámaras ICCD de mayor rendimiento permiten tiempos de obturación tan cortos como 200 picosegundos .
Las cámaras ICCD tienen en general un precio algo más elevado que las cámaras EMCCD porque necesitan un costoso intensificador de imagen. Por otro lado, las cámaras EMCCD necesitan un sistema de refrigeración para enfriar el chip EMCCD a temperaturas de alrededor de 170 K (-103 °C ). Este sistema de refrigeración añade costes adicionales a la cámara EMCCD y, a menudo, produce graves problemas de condensación en la aplicación.
Los ICCD se utilizan en dispositivos de visión nocturna y en diversas aplicaciones científicas.
Un CCD multiplicador de electrones (EMCCD, también conocido como L3Vision CCD, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ahora descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo de carga acoplada en en el cual se coloca un registro de ganancia entre el registro de desplazamiento y el amplificador de salida. El registro de ganancia se divide en una gran cantidad de etapas. En cada etapa, los electrones se multiplican mediante ionización por impacto de forma similar a un diodo de avalancha . La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña ( P < 2%), pero como el número de elementos es grande (N > 500), la ganancia general puede ser muy alta ( ), con electrones de entrada únicos que dan muchos miles de electrones de salida. La lectura de una señal de un CCD genera un ruido de fondo, normalmente unos pocos electrones. En un EMCCD, este ruido se superpone a muchos miles de electrones en lugar de a un solo electrón; La principal ventaja de estos dispositivos es, por tanto, su insignificante ruido de lectura. El uso de la descomposición de avalanchas para amplificar cargas fotográficas ya había sido descrito en la patente estadounidense 3.761.744 de 1973 por George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.
Los EMCCD muestran una sensibilidad similar a los CCD intensificados (ICCD). Sin embargo, al igual que con los ICCD, la ganancia que se aplica en el registro de ganancia es estocástica y es imposible saber la ganancia exacta que se ha aplicado a la carga de un píxel. Con ganancias altas (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto en la relación señal-ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto al funcionamiento con una ganancia unitaria. Este efecto se conoce como factor de exceso de ruido (ENF). Sin embargo, en niveles de luz muy bajos (donde la eficiencia cuántica es más importante), se puede suponer que un píxel contiene un electrón o no. Esto elimina el ruido asociado con la multiplicación estocástica a riesgo de contar múltiples electrones en el mismo píxel como un solo electrón. Para evitar recuentos múltiples en un píxel debido a fotones coincidentes en este modo de operación, son esenciales velocidades de cuadro altas. La dispersión de la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, está bien modelado mediante la ecuación:
Debido a sus menores costos y mejor resolución, los EMCCD son capaces de reemplazar a los ICCD en muchas aplicaciones. Los ICCD todavía tienen la ventaja de que pueden activarse muy rápidamente y, por lo tanto, son útiles en aplicaciones como imágenes controladas por rango . Las cámaras EMCCD necesitan indispensablemente un sistema de enfriamiento, que utilice enfriamiento termoeléctrico o nitrógeno líquido, para enfriar el chip a temperaturas en el rango de -65 a -95 °C (-85 a -139 °F). Este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales al sistema de imágenes EMCCD y puede generar problemas de condensación en la aplicación. Sin embargo, las cámaras EMCCD de alta gama están equipadas con un sistema de vacío hermético permanente que confina el chip para evitar problemas de condensación.
Las capacidades de los EMCCD en condiciones de poca luz se utilizan en astronomía e investigación biomédica, entre otros campos. En particular, su bajo ruido a altas velocidades de lectura los hace muy útiles para una variedad de aplicaciones astronómicas que involucran fuentes de poca luz y eventos transitorios, como imágenes afortunadas de estrellas débiles, fotometría de conteo de fotones de alta velocidad, espectroscopia de Fabry-Pérot y espectroscopia de alta resolución. . Más recientemente, estos tipos de CCD han irrumpido en el campo de la investigación biomédica en aplicaciones con poca luz, incluidas imágenes de animales pequeños , imágenes de una sola molécula , espectroscopia Raman , microscopía de superresolución, así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopía de fluorescencia gracias a una mayor SNR en condiciones de poca luz en comparación con los CCD e ICCD tradicionales.
En términos de ruido, las cámaras EMCCD comerciales suelen tener carga inducida por reloj (CIC) y corriente oscura (dependiendo del grado de enfriamiento) que en conjunto conducen a un ruido de lectura efectivo que oscila entre 0,01 y 1 electrón por píxel leído. Sin embargo, las recientes mejoras en la tecnología EMCCD han dado lugar a una nueva generación de cámaras capaces de producir significativamente menos CIC, una mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia EM 5 veces mayor que la disponible anteriormente. Estos avances en la detección de poca luz conducen a un ruido de fondo total efectivo de 0,001 electrones por píxel leído, un nivel de ruido incomparable con cualquier otro dispositivo de imágenes en condiciones de poca luz. [27]
Debido a las altas eficiencias cuánticas de los dispositivos de carga acoplada (CCD) (la eficiencia cuántica ideal es del 100%, un electrón generado por cada fotón incidente), la linealidad de sus salidas, la facilidad de uso en comparación con las placas fotográficas y una variedad de otras razones. , los astrónomos adoptaron muy rápidamente los CCD para casi todas las aplicaciones de UV a infrarrojo.
El ruido térmico y los rayos cósmicos pueden alterar los píxeles de la matriz CCD. Para contrarrestar estos efectos, los astrónomos realizan varias exposiciones con el obturador del CCD cerrado y abierto. Es necesario promediar las imágenes tomadas con el obturador cerrado para reducir el ruido aleatorio. Una vez revelada, la imagen promedio del cuadro oscuro se resta de la imagen con el obturador abierto para eliminar la corriente oscura y otros defectos sistemáticos ( píxeles muertos , píxeles calientes, etc.) en el CCD. Los CCD Skipper más nuevos contrarrestan el ruido recopilando datos con la misma carga recopilada varias veces y tienen aplicaciones en búsquedas precisas de materia oscura con luz y mediciones de neutrinos . [28] [29] [30]
El Telescopio Espacial Hubble , en particular, tiene una serie de pasos altamente desarrollados ("canal de reducción de datos") para convertir los datos CCD sin procesar en imágenes útiles. [31]
Las cámaras CCD utilizadas en astrofotografía a menudo requieren soportes resistentes para hacer frente a las vibraciones del viento y otras fuentes, junto con el tremendo peso de la mayoría de las plataformas de imágenes. Para realizar exposiciones prolongadas de galaxias y nebulosas, muchos astrónomos utilizan una técnica conocida como autoguiado . La mayoría de los autoguiadores utilizan un segundo chip CCD para controlar las desviaciones durante la toma de imágenes. Este chip puede detectar rápidamente errores en el seguimiento y ordenar a los motores de montaje que los corrijan.
Una aplicación astronómica inusual de los CCD, llamada escaneo de deriva, utiliza un CCD para hacer que un telescopio fijo se comporte como un telescopio de seguimiento y siga el movimiento del cielo. Las cargas en el CCD se transfieren y leen en una dirección paralela al movimiento del cielo y a la misma velocidad. De esta manera, el telescopio puede obtener imágenes de una región del cielo más grande que su campo de visión normal. El Sloan Digital Sky Survey es el ejemplo más famoso de esto, ya que utiliza la técnica para producir un estudio de más de una cuarta parte del cielo. El telescopio espacial Gaia es otro instrumento que opera en este modo, gira alrededor de su eje a una velocidad constante de 1 revolución en 6 horas y explora una franja de 360° por 0,5° en el cielo durante este tiempo; una estrella recorre todo el plano focal en unos 40 segundos (tiempo de exposición efectivo).
Además de los generadores de imágenes, los CCD también se utilizan en una variedad de instrumentos analíticos, incluidos espectrómetros [32] e interferómetros . [33]
Las cámaras digitales en color, incluidas las cámaras digitales en color de los teléfonos inteligentes, generalmente utilizan un sensor de imagen en color integral, [34] que tiene una matriz de filtros de color fabricada sobre los píxeles monocromáticos del CCD. El patrón CFA más popular se conoce como filtro Bayer , que lleva el nombre de su inventor, el científico de Kodak Bryce Bayer . En el patrón de Bayer, cada cuadrado de cuatro píxeles tiene un pixel rojo filtrado, uno azul y dos verdes (el ojo humano tiene mayor agudeza para la luminancia, que tiene más peso en verde que en rojo o azul). Como resultado, la información de luminancia se recopila en cada fila y columna utilizando un patrón de tablero de ajedrez y la resolución del color es menor que la resolución de luminancia.
Se puede lograr una mejor separación de colores mediante dispositivos de tres CCD ( 3CCD ) y un prisma divisor de haz dicroico , que divide la imagen en componentes rojo , verde y azul . Cada uno de los tres CCD está dispuesto para responder a un color particular. Muchas videocámaras profesionales y algunas videocámaras semiprofesionales utilizan esta técnica, aunque los avances en la tecnología CMOS de la competencia han hecho que los sensores CMOS, tanto con divisores de haz como con filtros Bayer, sean cada vez más populares en las cámaras de vídeo y cine digital de alta gama. Otra ventaja del 3CCD sobre un dispositivo de máscara de Bayer es una mayor eficiencia cuántica (mayor sensibilidad a la luz), porque la mayor parte de la luz de la lente ingresa a uno de los sensores de silicio, mientras que una máscara de Bayer absorbe una alta proporción (más de 2/3) de la luz que cae sobre cada ubicación de píxel.
Para escenas fijas, por ejemplo en microscopía, la resolución de un dispositivo de máscara de Bayer se puede mejorar mediante tecnología de microescaneo . Durante el proceso de muestreo de color en el sitio , se producen varios fotogramas de la escena. Entre adquisiciones, el sensor se mueve en dimensiones de píxeles, de modo que cada punto del campo visual sea adquirido consecutivamente por elementos de la máscara que son sensibles a los componentes rojo, verde y azul de su color. Finalmente, cada píxel de la imagen se ha escaneado al menos una vez en cada color y la resolución de los tres canales se vuelve equivalente (las resoluciones de los canales rojo y azul se cuadriplican mientras que el canal verde se duplica).
Los sensores (CCD/CMOS) vienen en varios tamaños o formatos de sensores de imagen. Estos tamaños a menudo se denominan con una designación de fracción en pulgadas, como 1/1,8" o 2/3", llamado formato óptico . Esta medición se origina en la década de 1950 y en la época de los tubos Vidicon .
Cuando una exposición CCD es lo suficientemente larga, eventualmente los electrones que se acumulan en los "contenedores" en la parte más brillante de la imagen desbordarán el contenedor, lo que resultará en una floración. La estructura del CCD permite que los electrones fluyan más fácilmente en una dirección que en otra, lo que produce rayas verticales. [35] [36] [37]
Algunas funciones anti-floración que se pueden incorporar en un CCD reducen su sensibilidad a la luz al utilizar parte del área de píxeles para una estructura de drenaje. [38] James M. Early desarrolló un drenaje vertical anti-floración que no restaba valor al área de recolección de luz y, por lo tanto, no reducía la sensibilidad a la luz.
