CCD vs. CMOS

1 04 2012

Actualmente existen dos tecnologías para la fabricación de sensores destinados a las cámaras digitales: los CCD (Charge Coupled Device o Dispositivo de Cargas Acopladas), que fueron los primeros en aparecer en el mercado, y los más recientes CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor de Óxido de Metal Complementario.
Tanto los sensores CCD como los CMOS están fabricados con materiales semiconductores, concretamente de Metal-Óxido (MOS) y están estructurados en forma de una matriz, con filas y columnas. Funcionan al acumular una carga eléctrica en cada celda de esta matriz (a la que llamaremos pixel) en proporción a la intensidad de la luz que incide sobre ella localmente. A mayor intensidad luminosa, mayor carga acumulada.
No obstante estas similitudes, existen diferencias notables entre ambas tecnologías, como veremos a lo largo de este artículo, en el que también compararemos una con otra.
Webcam con sensor CMOS. Webcam con sensor CMOS.
El CCD convierte finalmente estas cargas en voltajes y entrega una señal analógica a su salida, que debe ser digitalizada y procesada por la circuiteria de la cámara. Una forma de entender como funcionan es imaginarse al sensor como un arreglo (matricial) en dos dimensiones con miles (o millones) de celdas solares en miniatura, donde cada una de las celdas convierte la luz de una pequeña porción de la imagen (un píxel) en electrones. Lo siguiente es realizar la lectura del valor correspondiente a cada una de las celdas. En un sensor CCD, la información de cada una de las celdas es enviada a través del chip hacia una de las esquinas del arreglo, y ahí un convertidor análogo a digital traduce el valor de cada una de las celdas. De esta manera, se mantiene simple la estructura del sensor, a costa de la necesidad de una circuiteria adicional importante que se encargue del tratamiento de los datos recogidos por el.

  • Modelo de sensor CCD. Modelo de sensor CCD.
  • Fotografia del cielo obtenida con un sensor CCD. Fotografia del cielo obtenida con un sensor CCD.

Al contrario que en los sensores de tecnología CCD, las celdas de la matriz CMOS son totalmente independientes de sus vecinas. La principal diferencia radica en que en estos sensores la digitalización se realiza píxel a píxel dentro del mismo sensor, por lo que la circuiteria accesoria al sensor es mucho más sencilla. En cada celda de una matriz CMOS encontraremos varios transistores, conformando cada uno de los pixeles del sensor, que amplifican y procesan la información recogida. Esta manera de efectuar la lectura de la imagen es más flexible, ya que cada pixel se lee de manera individual.
  • Sensor de imagen Sony, CMOS. Sensor de imagen Sony, CMOS.
  • Videocamara con sensor CMOS. Videocamara con sensor CMOS.

La primera diferencia, y en la más obvia, es el precio. En general, los sensores CMOS tienden a ser más económicos que los CCD.
Por supuesto, no se puede comparar una tecnología con otra solamente basándonos en su costo, por lo que es necesario tener en cuenta otros factores, como ser:

Responsividad: Se define con este término al nivel de señal que es capaz de ofrecer el sensor por cada unidad de energía óptica incidente. Dado que nos interesa que el sensor tenga una responsividad elevada, se necesita que con poca cantidad de luz nos de una señal aceptable. Con esto en mente, podemos ver que los sensores CMOS son superiores a los de tecnología CCD, debido a que integra elementos amplificadores en cada celda. Además el sistema de construcción CMOS permite una alta amplificación con un bajo consumo, mientras que en CCD la amplificación al ser externa al sensor supone un consumo mas elevado.

Rango Dinámico: (RD) Es el cociente entre el nivel de saturación de los píxeles y el umbral por debajo del cual no captan señal. En este aspecto CCD supera a CMOS en un factor de dos, dado que en la actualidad el RD de un sensor CCD es típicamente del doble que el de un CMOS.

Ruido: Los sensores CCD aventajan a los de tecnología CMOS en este apartado, ya que debido a su construcción todo el procesado de señal se da fuera del CCD, con lo que se podrá aprovechar la mejor tecnología disponible en convertidores A/D, pudiendo elegir los mas rápidos o mejores procesadores. Por su parte, los CMOS al realizar la gran mayoría de las funciones dentro del sensor (amplificación, conversión A/D, etc.) destinan menos espacio para los fotodiodos encargados de recoger la luz, por lo que se produce mas ruidos en la lectura.

Respuesta Uniforme: Idealmente se espera que un píxel sometido al mismo nivel de excitación de luz que sus vecinos no presente cambios apreciables respecto de ellos. En este aspecto la individualidad de cada píxel de un sensor CMOS los hace más sensibles a sufrir fallos, siendo mayor la uniformidad en CCD. No obstante mediante la adición de circuitos con realimentación se ha conseguido subsanar en gran medida este problema, aunque los CCD siguen ostentando una ligera ventaja.

Velocidad: Si nos concentramos en la velocidad con la que se captura la imagen, veremos que los CMOS son bastante superiores a los CCD, debido a que muchas funciones, como la propia conversión analógico-digital son realizadas en el propio sensor. Si bien por el momento esta ventaja es ligera, se espera que aumente con el tiempo.

Blooming: Esta palabra define el fenómeno por el cual un píxel que ha alcanzado la saturación empieza a saturar a sus vecinos, creando efectos y patrones no deseados. Esto se da principalmente en sensores CCD, que necesitan de algunos trucos de construcción para evitarlos. En cambio, gracias a su construcción los sensores CMOS no sufren de este defecto.

Spycam, con un pequeño sensor CCD. Spycam, con un pequeño sensor CCD.

Sin embargo, CMOS es superior en la escala de integración y por su bajo consumo, aunque verde algo de calidad imagen en situaciones de poca luz. Esta situación no debe hacernos concluir que un CCD de una cámara compacta de calidad media es superior en calidad de imagen a un CMOS de alta gama, dado que lógicamente a mismo tamaño de sensor esta diferencia se diluye, y los sensores CCD obtienen mejores calidades con sensores más grandes. Los sensores CCD llevan mucho más tiempo en el mercado, por ello es que son un producto más maduro, y tienden a tener una mayor calidad y más pixeles. Por todo esto se puede ver que los sensores CCD son usados en cámaras que tienden a tener una mejor calidad con muchos pixeles y una gran sensibilidad a la luz. Pero los sensores CMOS están mejorando continuamente y se encuentran en un punto en el cual están por conseguir la misma calidad que los sensores CCD. Como en tantos otros casos, no hay una tecnología superior de por sí, sino situaciones en las que cada tecnología es mas adecuada.


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