Fundamentos de los Sensores CCD (Charge-Coupled Device)

Estructura y Funcionamiento Básico: CCD Photosites

La estructura de un sensor CCD se basa en fotosensores (photosites) que capturan la luz. Componentes clave incluyen:

• Capa metálica transparente: Actúa como electrodo.
• Zona de agotamiento: Cada pozo de potencial corresponde a un píxel.

En esta zona se recogen los fotoelectrones ($e^-$) que han sido liberados en el área local, sin dar tiempo a la recombinación. Los CCD pueden construirse como Surface-channel devices o como Buried-channel devices (BCCD). Los BCCD incorporan una capa adicional de Silicio tipo n.

Efectos Térmicos y Corriente Oscura

Los electrones térmicos ($e^-$) se originan por la ruptura de un enlace debido a la energía térmica. Estos son indistinguibles de los fotoelectrones y dan lugar a la Corriente Oscura ($I_{oscura}$), la cual es altamente termosensible.

• Para tiempos de bajo nivel de luz, los pozos se pueden llenar con electrones térmicos.
• La refrigeración es esencial para reducir la $I_{oscura}$ y prolongar el tiempo de integración.

Fenómenos Críticos en la Operación del CCD

Dos parámetros y fenómenos fundamentales que definen el rendimiento del sensor son:

• Rango Dinámico: Es el ratio de su capacidad de electrones al nivel de ruido de lectura, medido también en electrones.
• Blooming: Es causado por el exceso de electrones en un pozo cuando este se extiende a pozos adyacentes, saturando la imagen.

Transporte y Lectura de la Carga

Proceso de Integración y Desplazamiento

El proceso de captura y lectura de la imagen se divide en tres fases:

1. Integración de la imagen: Cada fotosite actúa como un sensor muy eficiente. Se acumulan fotoelectrones y electrones térmicos.
2. Desplazamiento de la carga: Se procede al desplazamiento de la carga acumulada.
3. Lectura: Cada paquete de electrones se desplaza al amplificador de salida para ser leído.

Lectura de Tres Fases

La lectura se realiza aplicando tres fases de voltaje, aplicadas a uno de cada tres fotosensores:

• Se aplica un voltaje positivo ($V$) en dos líneas de fase consecutivas.
• Se elimina la primera fase, causando un colapso del pozo (pozo desplazado).
• Se repite la secuencia entre las tres líneas de fase, desplazando la carga secuencialmente.

Los electrones desplazados se leen en un amplificador sensible a la carga. El condensador y el amplificador son parte integral del CCD, construidos en la misma oblea. La señal de voltaje ($V$) generada es proporcional a la cantidad de luz incidente.

Tipos de Arquitecturas CCD

h4>CCD Full Frame

En esta arquitectura, el CCD debe mantenerse a oscuras durante el proceso de lectura. La carga de la imagen se desplaza a la última fila de celdas del sensor. El registro de desplazamiento lleva la carga hacia el amplificador. Una vez que todas las líneas han sido leídas, el sensor está listo para volver a integrar.

h4>Transferencia entre Líneas (Interline Transfer)

Cada segunda columna se cubre con una máscara opaca. Cuando finaliza la integración, la carga se desplaza rápidamente a la columna enmascarada (zona de almacenamiento). Las columnas son desplazadas línea a línea y leídas de forma similar al Full-Frame. El número de píxeles por línea es la mitad, y esta arquitectura se usa comúnmente en cámaras de video.

h4>Transferencia de Cuadro (Frame Transfer)

Utiliza un array de sensores del doble de longitud. Tras el periodo de integración, la carga se desplaza rápidamente a la mitad inferior (zona de almacenamiento). El proceso de lectura se da en la parte inferior mientras la mitad superior comienza una nueva integración.

h4>Tipos de Iluminación

La eficiencia del sensor depende de cómo incide la luz en el chip:

• Iluminación Frontal (Front-Illuminated): CCDs gruesos diseñados para ser iluminados frontalmente. Son baratos de fabricar, pero la luz debe atravesar los electrodos, lo que resulta en una baja Eficiencia Cuántica (QE).
• Retroiluminación (Back-Illuminated): CCDs delgados retroiluminados, donde la luz ilumina directamente el chip. Ofrecen una muy alta Eficiencia Cuántica (QE). Requieren un chip delgado, lo que implica mayor fragilidad mecánica, pero permite la aplicación de recubrimientos antirreflectantes. Son susceptibles al efecto Fringing.

Características y Rendimiento de los Sensores CCD

h3>Fuentes de Ruido y Limitaciones

Ruido de Lectura

Aquel causado por los errores inherentes a la lectura y amplificación de la señal, generado por la electrónica del chip.

Corriente Oscura ($I_{oscura}$)

Se origina por electrones térmicos debido a la Temperatura ($T$). Para reducir la $I_{oscura}$ se debe reducir la temperatura de funcionamiento.

Tiempo de Integración

Es variable. Se necesitan tiempos de integración largos para capturar imágenes en condiciones de bajo nivel de luz.

Ruido Fotónico (Shot Noise)

Resulta de la naturaleza cuántica de la luz. El número real de fotones que inciden en cualquier píxel particular por segundo es inherentemente aleatorio.

Defectos Cosméticos

Incluyen columnas muertas, columnas brillantes y píxeles calientes, que a menudo requieren el uso de una máscara de corrección.

Rayos Cósmicos

Los CCDs son detectores de partículas (fotones). Los rayos cósmicos generan eventos de manera aleatoria que pueden ser detectados.

Efecto Fringing

Solo relevante en CCDs retroiluminados (back-illuminated). Se generan interferencias debido a reflexiones múltiples internas, siendo un efecto difícil de corregir.

Blooming

La sobreexposición de un CCD puede causar blooming por un exceso de fotoelectrones que desbordan el pozo del píxel actual para repartirse por los píxeles adyacentes.

Rango Dinámico

Cuantifica la capacidad de un sensor para captar adecuadamente luces altas y sombras oscuras en la misma escena.

h3>Ventajas y Desventajas del CCD

Ventajas:

• Alta calidad de imagen.
• Gran Eficiencia Cuántica (QE) y baja corriente oscura.
• Muy bajo ruido de lectura.
• Bajo patrón de ruido fijo.

Desventajas:

• No puede integrar otros circuitos analógicos o digitales en la misma oblea.
• Altamente no programable.
• Alto consumo de potencia.
• Tasa de cuadros (Framerate) limitada.

Diferencias entre CMOS y CCD

La principal diferencia radica en la ubicación de las secciones analógicas y digitales de procesamiento.

h4>Evolución de la Tecnología CMOS

A diferencia de los CCD, los sensores CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) han evolucionado para integrar la cadena de procesamiento de señal:

• CMOS Primera Generación: Incluye la completa cadena de procesamiento analógico de la señal. Ofrece salidas analógicas.
• CMOS Segunda Generación: Incluye parte de la cadena de procesamiento digital de la señal, incorporando un conversor Analógico/Digital (A/D). Ofrece salidas digitales y ha tenido mayor éxito comercial.
• CMOS Tercera Generación: Llega a incluir la cadena de procesamiento de la señal completa, incluyendo Procesadores Digitales de Señal (DSPs).

h4>Configuración APS (Active Pixel Sensor)

La configuración APS es la más usual en sensores CMOS 2D y es la tecnología utilizada por la mayoría de los sensores de imagen actuales. Su característica definitoria es que cada píxel tiene su propio amplificador individual.

Ventajas del APS:

Al amplificar la señal directamente en el fotodiodo, se solucionan los problemas de ruido de lectura asociados a los grandes buses columna.

Desafíos del APS:

Los amplificadores son analógicos, lo que puede generar píxeles no uniformes debido a variaciones en la ganancia y el offset entre amplificadores.

Implementación del Píxel APS:

Un píxel APS requiere implementar al menos tres transistores:

1. Transistor de reset.
2. Transistor amplificador.
3. Transistor de selección de fila (Row-Select).

Un fotodiodo APS típico consta de 1 fotodiodo, 3 transistores y 4 interconexiones. El amplificador está configurado como seguidor de la fuente dentro de cada píxel. Cuando el píxel es direccionado, su nivel es sensado por el emisor y alimentado al bus columna. Luego es reseteado y puede comenzar una nueva exposición.