¿Conoces todos los tipos de CCD?

Efectivamente, al finalizar el anterior post sobre los sensores de vídeo, dejaba una pregunta en el aire sobre si conocíais más tipos de CCD y, efectivamente no podíamos olvidarnos sobre la revolución que provocó Sony con la construcción del CCD Hyper HAD y posteriores mejoras del mismo.

Por ello, este post esta dedicado exclusivamente a este tipo de CCD y sus mejoras desarrolladas por Sony.

El CCD Hyper-HAD.

Además del sensor CCD HAD, Sony siguió evolucionando en el desarrollo de sus CCDs y en el año 1990 lanzó una mejora del CCD HAD denominado CCD Hyper HAD.

Este tipo de sensores mejora a los CCD HAD solucionando el problema de smear vertical producido por los fotones que no inciden en el área sensitiva.

Por ello, este problema lo solucionaron incorporando una microlente delante de cada píxel, lo cual hace que los fotones se concentren sobre el área fotosensible y haga que la sensibilidad aumente en un número F debido a que prácticamente el 100% de la luz que llega, alcance la zona sensible.

Bueno pues después de todas esta mejoras que aporta el CCD Hiper HAD, Sony realiza una mejora a este sensor en cuanto a sensibilidad y ruido, ampliando el tamaño del píxel y produciendo una mejora de 6dB por encima de los anteriores. Esta nueva tecnología se aplica sobre todo en el campo de las cámaras de seguridad implementándola por medio del CCD SuperHAD II.

Imagen©SONY

Como podemos ver en la figura anterior, la figura de la izquierda representa un fotosensor de un CCD hyper HAD al cual se le ha añadido una microlente antes del sensor. En el de la derecha, podemos apreciar lo que se comentaba anteriormente, y es que el área del sensor se aumenta obteniendo una mayor relación de conversión de fotones a electrones lo que conlleva que tendremos un sensor con mucha más luminosidad, pasando todos esta luz previamente por el filtro de color.

Esto nos va a permitir que podamos trabajar con diafragmas más cerrados aprovechando esto para tener un mejor enfoque (al aumentar la profundidad de campo) en las cámaras de seguridad.

El CMOS

La palabra CMOS viene del anglicismo Complementary Metal Oxide Semiconductor y la forma de captar la luz es diferente a la del CCD. De hecho, el CMOS utiliza la tecnología APS, o sensor de píxeles activos, así que este tipo de tecnología permite integrar dentro del propio chip funciones como la corrección del contraste, el control de luminosidad o incluso la conversión analógico-digital.

Los sensores de píxeles activos permiten que la lectura de todos sus píxeles se lleve a cabo de una forma lineal, comenzando por la parte superior izquierda y terminando por la parte inferior derecha del sensor, todo esto mientras que el obturador permanece abierto.

El captador CMOS esta compuesto por los electrodos, que hacen la función de puertas. Una capa de óxido de silicio, una capa de silicio tipo N, una capa de silicio tipo P y un buen potencial o barrera de potencial que está formado por la aplicación de una tensión al condensador MOS.

Todos estos elementos permiten que los fotones que inciden en la capa de silicio generen electrones que están atrapados en el pozo de potencial, siendo esta carga almacenada proporcional a la intensidad de luz y al tiempo de exposición.

Cada celda de memoria esta compuesta por un fotodiodo que es el que recibe la luz y la convierte en una carga, pero a diferencia del CCD que tiene o bien nivel alto o nivel bajo (0 o 1) en el caso del CMOS el fotodiodo tiene la información de la carga exacta. Para pasar esta información al registro de salida se realiza por medio de un bus de datos al que se conectan las celdas asociadas a cada transistor CMOS que a su vez esta ligado a un píxel.

Imagen©www.icpdas.com

Así que analizando esto que acabamos de comentar, observamos que los píxeles no almacenan carga, sino que simplemente leen la cantidad de luz que incide sobre cada píxel en cada momento y esto lo convierte en una señal eléctrica.

En este caso, y a diferencia del CCD que tiene un obturador global, el CMOS dispone de un obturador llamado de rodadura, el cual está siempre activo y rueda a través de los píxeles de arriba a abajo de la imagen.

En el caso de una cámara CCD, éste, casi siempre tiene un sistema de obturación bien sea mecánico o electrónico que permite que aunque esté cerrado, se puedan seguir leyendo las cargas almacenadas en los píxeles y cuando se abre, el sensor recoge la luz, se vuelve a cerrar y se leen de nuevo las cargas de los píxeles uno a uno, volcando la carga y dejando los píxeles preparados para la siguiente trama.

Imagen©www.digitalbolex.com

En definitiva, el CCD primero capta toda la imagen al mismo tiempo (obturador global) y luego realiza la lectura en lugar de leer de arriba hacia abajo, lo que produce que la imagen no tenga artefactos de movimiento.

Todos estos factores hacen que el proceso de fabricación de un CCD sea más caro que el de un CMOS, ya que se tienen que construir dos capas (una de lectura y otra de volcado), sincronizar la obturación con el reloj de volcado tanto del registro de desplazamiento vertical como del horizontal y después de todo esto realizar la conversión A/D de la señal y procesarla.

Teniendo en cuenta estos factores, o sea, que el CMOS sale más barato de fabricar, que permite velocidades de obturación más alta, que en el propio sensor se puede realizar gran parte o prácticamente todo el procesado de la imagen e incluso su amplificación y que su actualización (firmware) es mucho más fácil, ¿Por qué se sigue utilizando la tecnología CCD en entornos broadcast?.

Pues en realidad, por un tema de estética, si, tan simple como que en un CCD los píxeles al estar tan cerca uno junto al otro interactúan y aportan el mismo efecto de los compuestos químicos de las películas de cine antiguas, efecto que es muy apreciado por los directores y realizadores de televisión.

De todas formas, si conoces otro factor que haga que se utilicen más los sensores CCDs que los CMOS para la creación de contenidos broadcast, puedes comentarlo a continuación.

Fuentes consultadas:

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_transfer_function

http://www.normankoren.com/Tutorials/MTF7.html

http://www.gatan.com/files/PDF/knowhow/kv8_ccd_pixels_question.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_CMOS

http://www.optics4birding.com/starlight-technology.aspx

http://www.andor.com/learning-academy/electron-multiplying-ccd-cameras-the-technology-behind-emccds

http://photorumors.com/2009/09/13/new-sony-full-frame-sensor-ccd-superhad-ii-with-34-8mp/

http://www.hkvstar.com/technology-news/comparison-between-ex-view-had-and-super-had-ccd-cameras.html

http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vol52/pdf/featuring52.pdf

http://www.lavision.de/en/products/cameras/iccd_cameras.php