De la conversión fotoeléctrica a la generación de imágenes: diferencias esenciales en los principios de imagen

En muchos escenarios de aplicación de la automatización industrial, la visión artificial y la investigación científica, las cámaras industriales, como el equipo central para la adquisición de información de imagen, afectan directamente a la precisión y fiabilidad de todo el sistema en términos de su rendimiento. El componente central que determina el rendimiento de las cámaras industriales es el sensor de imagen, entre los cuales CCD (Dispositivo de Carga Acoplada) y CMOS (Semiconductor de Óxido Metálico Complementario) son las dos rutas tecnológicas principales. Aunque ambos se basan en el mismo principio de conversión fotoeléctrica, que utiliza el efecto fotoeléctrico de los materiales semiconductores para convertir fotones en electrones, existen diferencias fundamentales en los métodos de procesamiento y transmisión de señales.

El concepto de diseño de los sensores CCD es procesar centralmente las señales fotoeléctricas: cuando la luz incide en la matriz de píxeles, cada píxel genera un paquete de carga proporcional a la intensidad de la luz. Estos paquetes de carga requieren un proceso de transferencia complejo: bajo el control preciso de pulsos de reloj, las cargas de los píxeles se desplazan línea por línea a un único nodo de salida (o un número muy pequeño de nodos de salida) en el borde del chip, donde se realiza la conversión de carga a voltaje y la amplificación de la señal. Este diseño asegura que todas las señales de los píxeles pasen por la misma ruta de señal, garantizando un alto grado de consistencia en la salida de la señal.

En contraste, los sensores CMOS adoptan una arquitectura innovadora de procesamiento distribuido. En los chips CMOS, cada píxel no solo contiene un fotodiodo, sino que también integra amplificadores independientes en miniatura y circuitos de conversión analógico-digital. Este diseño permite que cada píxel convierta las cargas en señales de voltaje in situ, y las lea directamente a través de una red de cables de fila y columna que se cruzan. Aunque esta estructura mejora en gran medida la velocidad de lectura y reduce el consumo de energía, las diferencias de rendimiento entre millones de amplificadores en miniatura inevitablemente conllevan problemas de consistencia de la señal.
Esta diferencia fundamental en la transmisión de la señal ha llevado a una serie de diferencias de rendimiento entre las dos tecnologías en las aplicaciones de cámaras industriales. Comprender la diferencia entre el "desplazamiento secuencial y la salida centralizada" del CCD y la "conversión paralela y la lectura distribuida" del CMOS es la base para comprender todas las diferencias subsiguientes entre ambos.

Comparación de cinco factores de rendimiento clave: ruido, consumo de energía, resolución, sensibilidad y costo

2.1 Rendimiento de ruido y calidad de imagen

Los sensores CCD tienen la ventaja del control de ruido debido al procesamiento centralizado de la señal. Debido a que todos los píxeles comparten el mismo amplificador de salida (o muy pocos), se evitan las diferencias de amplificación entre los píxeles. Este diseño, combinado con la tecnología madura de la unión PN o la capa de aislamiento de dióxido de silicio, reduce eficazmente la generación de ruido de patrón fijo, proporcionando así una salida más pura y consistente en la calidad de la imagen. Especialmente en condiciones de exposición prolongada o poca luz, los sensores CCD aún pueden mantener bajos niveles de ruido, lo que los hace muy favorecidos en aplicaciones de medición de precisión e imágenes con poca luz.
En contraste, cada píxel de un sensor CMOS está equipado con un amplificador de señal independiente. Aunque este diseño mejora la velocidad de lectura, las pequeñas diferencias de rendimiento entre millones de amplificadores resultan en ruido de patrón fijo. Este ruido se manifiesta como interferencia de patrón fijo en la imagen, especialmente en escenas uniformemente iluminadas. Sin embargo, con el avance de la tecnología CMOS, las cámaras CMOS de grado industrial modernas han mejorado significativamente este problema a través del muestreo doble correlacionado (CDS) y algoritmos de corrección digital, y algunos productos de alta gama se han acercado o incluso han alcanzado el nivel de calidad de imagen del CCD.

2.2 Eficiencia energética y diferencias de consumo de energía

En términos de consumo de energía, CMOS exhibe ventajas significativas. CMOS adopta un método de adquisición de imagen activo, donde la carga generada por el fotodiodo se amplifica y se emite directamente por el transistor adyacente. Todo el sensor solo requiere una única fuente de alimentación, y el consumo de energía típico es solo de 1/8 a 1/10 de los CCD similares. Esta característica convierte a CMOS en la opción preferida para aplicaciones sensibles a la energía, como dispositivos portátiles, sistemas integrados y matrices de múltiples cámaras.
El alto consumo de energía del CCD se debe a su mecanismo pasivo de transferencia de carga. Requiere tres conjuntos de fuentes de alimentación con diferentes voltajes (generalmente 12-18V) y un circuito de control de reloj complejo para impulsar la transferencia de desplazamiento de las cargas. Esto no solo aumenta la complejidad del diseño de la fuente de alimentación, sino que también genera problemas de disipación de calor: cuando se trabaja a alta resolución o alta velocidad de fotogramas, el aumento de temperatura del CCD aumentará aún más el ruido térmico, formando un círculo vicioso. Por lo tanto, los sistemas industriales que utilizan cámaras CCD a menudo requieren dispositivos de disipación de calor adicionales.

2.3 Resolución y diseño de píxeles

Al comparar sensores del mismo tamaño, CCD normalmente proporciona una mayor resolución. Esto se debe a que la estructura de píxeles del CCD es relativamente simple, casi toda el área del píxel se puede utilizar para la fotosensibilidad, y la proporción del área fotosensible (factor de llenado) puede alcanzar más del 95%. Y cada píxel en CMOS requiere la integración de transistores y componentes de circuito adicionales, lo que reduce el área fotosensible efectiva en estas 'regiones no fotosensibles'. Por ejemplo, para sensores con una especificación de 1/1,8 pulgadas, CCD puede lograr una resolución de 1628 × 1236 (píxeles de 4,40 μ m), mientras que CMOS normalmente tiene una resolución de 1280 × 1024 (píxeles de 5,2 μ m).
Sin embargo, la tecnología CMOS está reduciendo gradualmente esta brecha a través de diseños retroiluminados (BSI) y apilados. CMOS retroiluminado utiliza un chip volteado para dirigir la luz hacia el área fotosensible desde la parte posterior, evitando la capa de circuito en la parte frontal y mejorando significativamente el factor de llenado. CMOS apilado separa y fabrica la capa fotosensible de la capa de circuito de procesamiento antes de la unión, optimizando aún más la utilización del espacio. Estas innovaciones permiten que las cámaras industriales CMOS de alta gama modernas proporcionen resoluciones de más de 20 millones de píxeles, satisfaciendo la gran mayoría de las necesidades de inspección industrial.

2.4 Sensibilidad a la luz y rendimiento con poca luz

En términos de sensibilidad, los sensores CCD mantienen sus ventajas tradicionales. Debido al área fotosensible efectiva más grande dentro del píxel, CCD puede capturar más fotones en entornos con poca luz, proporcionando un mejor rendimiento de la relación señal-ruido. Los datos de prueba muestran que el ojo humano puede reconocer objetos con una iluminación de 1Lux (equivalente a una noche de luna llena), y el rango de sensibilidad del CCD es de 0,1-3Lux, mientras que el CMOS tradicional requiere una iluminación de 6-15Lux para funcionar eficazmente; esto significa que en entornos con poca luz por debajo de 10Lux, el CMOS tradicional difícilmente puede capturar imágenes utilizables.
Esta diferencia es particularmente crítica en aplicaciones especiales como endoscopios industriales, monitoreo de visión nocturna y observaciones astronómicas. Sin embargo, el CMOS moderno ha mejorado significativamente el rendimiento con poca luz a través de diseños de píxeles grandes (como tamaños de píxeles superiores a 3 μ m) y tecnología avanzada de matriz de microlentes. Algunos sensores CMOS de alta gama incluso han logrado una eficiencia cuántica (QE) superior a la del CCD a través de la tecnología retroiluminada, logrando una eficiencia de conversión de fotones superior al 95% en longitudes de onda específicas.

2.5 Costo de fabricación y consideraciones económicas

En términos de estructura de costos, CMOS tiene una ventaja abrumadora. Los sensores CMOS utilizan el mismo proceso de fabricación que los circuitos integrados de semiconductores estándar y pueden producirse en masa en fábricas de obleas que producen chips de computadora y dispositivos de almacenamiento. Esta compatibilidad de proceso reduce significativamente los costos unitarios. Al mismo tiempo, la alta integración de CMOS permite a los fabricantes de cámaras desarrollar "cámaras a nivel de chip", integrando sensores, procesadores y circuitos de interfaz en un solo chip, simplificando aún más el proceso de montaje y los requisitos de circuito periférico.
En contraste, el proceso de fabricación de CCD es único y complejo, con solo Sony y DALSA, Panasonic y algunos otros fabricantes que tienen capacidad de producción. Su mecanismo de transferencia de carga es extremadamente sensible a los defectos de fabricación: un solo fallo de píxel puede resultar en la incapacidad de transmitir toda la fila de datos, reduciendo significativamente la tasa de rendimiento. Además, las cámaras CCD requieren circuitos de soporte adicionales (incluidos controladores de sincronización, convertidores analógico-digitales y procesadores de señal), que en conjunto elevan el precio del producto final, lo que hace que el costo de las cámaras industriales CCD sea típicamente de 1,5 a 3 veces el de las cámaras CMOS de las mismas especificaciones.