Dispositivo de carga acoplada
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Un dispositivo de carga acoplada (CCD) es un circuito integrado que contiene una serie de condensadores enlazados o acoplados. Bajo el control de un circuito externo, cada capacitor puede transferir su carga eléctrica a un capacitor vecino. Los sensores CCD son una tecnología importante utilizada en imágenes digitales.
En un sensor de imagen CCD, los píxeles están representados por condensadores de semiconductores de óxido de metal (MOS) dopados con p. Estos condensadores MOS, los componentes básicos de un CCD, están polarizados por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de imágenes, lo que permite la conversión de fotones entrantes en cargas de electrones en la interfaz de óxido de semiconductor; el CCD se usa luego para leer estos cargos.
Aunque los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se usan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imagen de alta calidad.
En aplicaciones con demandas de calidad menos exigentes, como cámaras digitales profesionales y de consumo, generalmente se utilizan sensores de píxeles activos, también conocidos como sensores CMOS (sensores MOS complementarios).
Sin embargo, la gran ventaja de calidad que disfrutaban los CCD desde el principio se ha reducido con el tiempo y, desde finales de la década de 2010, los sensores CMOS son la tecnología dominante y han reemplazado en gran medida, si no completamente, a los sensores de imagen CCD.
Historia
La base del CCD es la estructura de metal-óxido-semiconductor (MOS), en la que los condensadores MOS son los componentes básicos de un CCD y una estructura MOS agotada se utiliza como fotodetector en los primeros dispositivos CCD.
A fines de la década de 1960, Willard Boyle y George E. Smith en Bell Labs estaban investigando la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbujas de semiconductores. Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un diminuto condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de capacitores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. Esto condujo a la invención del dispositivo de carga acoplada por Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que llamaron, en su cuaderno, 'Charge 'Bubble'; Dispositivos".
El artículo inicial que describía el concepto en abril de 1970 enumeraba posibles usos como memoria, línea de retardo y dispositivo de imágenes. El dispositivo también podría usarse como un 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 baldes (BBD), que se desarrolló en Philips Research Labs a fines de la década de 1960.
El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una fila de cuadrados de metal estrechamente espaciados sobre una superficie de silicio oxidado a la que se accedía eléctricamente mediante enlaces de alambre. Fue demostrado por Gil Amelio, Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en la tecnología de sensores de imagen y utilizó una estructura MOS empobrecida como fotodetector. La primera patente (Patente de EE. UU. 4.085.456) sobre la aplicación de CCD a la creación de imágenes se asignó a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971.
El primer CCD en funcionamiento hecho con tecnología de circuito integrado fue un registro de desplazamiento simple de 8 bits, informado por Tompsett, Amelio y Smith en agosto de 1970. 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 imagen lineal de ocho píxeles. El desarrollo del dispositivo progresó a un ritmo rápido. En 1971, los investigadores de Bell dirigidos por Michael Tompsett pudieron capturar imágenes con dispositivos lineales simples. Varias empresas, incluidas Fairchild Semiconductor, RCA y Texas Instruments, se dieron cuenta de 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. Steven Sasson, un ingeniero eléctrico que trabajaba para Kodak, inventó la primera cámara fotográfica digital con un CCD Fairchild 100 × 100 en 1975.
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 el obturador mecánico. Para reducir aún más las manchas de las fuentes de luz brillante, K. Horii, T. Kuroda y T. Kunii en Matsushita (ahora Panasonic) desarrollaron la arquitectura CCD de transferencia entre líneas de cuadros (FIT) en 1981.
El primer satélite de reconocimiento KH-11 KENNEN equipado con una matriz de dispositivos de carga acoplada (800 × 800 píxeles) se lanzó en diciembre de 1976. Bajo el liderazgo de Kazuo Iwama, Sony inició un gran esfuerzo de desarrollo de CCD que implicó una inversión significativa. Eventualmente, Sony logró producir CCD en masa para sus videocámaras. Antes de que esto sucediera, Iwama murió en agosto de 1982. Posteriormente, se colocó un chip CCD en su lápida para reconocer su contribución. La primera cámara de video 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.
Los primeros sensores CCD sufrían de retraso del obturador. Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo con clavijas (PPD). Fue inventado por Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. Reconocieron que el retraso se puede eliminar si los portadores de señal se pueden transferir del fotodiodo al CCD. Esto condujo a su invención del fotodiodo pined, una estructura de fotodetector con bajo retraso, bajo ruido, alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura. 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. La nueva estructura del fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijo" (PPD) por B.C. Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un accesorio en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales. Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS.
En enero de 2006, Boyle y Smith recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería y en 2009 recibieron el Premio Nobel de Física 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 de 2012 por "contribuciones pioneras en dispositivos de imagen, incluidos generadores de imágenes CCD, cámaras y cámaras termográficas".
Conceptos básicos de funcionamiento
En un CCD para la captura de imágenes existe 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 en el conjunto de capacitores (la región fotoactiva), lo que hace que cada capacitor acumule una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en ese lugar. Una matriz unidimensional, utilizada en cámaras de exploración lineal, captura un solo segmento de la imagen, mientras que una matriz bidimensional, utilizada en video y cámaras fijas, captura una imagen bidimensional correspondiente a la escena proyectada en el plano focal. del sensor Una vez que la matriz se ha expuesto 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 de la matriz 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, digitalizan y generalmente se almacenan en la memoria; en un dispositivo analógico (como una cámara de video 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 envía a otros circuitos para transmisión, grabación u otro procesamiento.
Física detallada de funcionamiento
Generación de carga
Antes de que los capacitores MOS se expongan a la luz, se desvían 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 para una fuerte inversión, lo que eventualmente dará como resultado la creación de un canal n debajo de la puerta como en un MOSFET. Sin embargo, lleva tiempo alcanzar este equilibrio térmico: hasta horas en cámaras científicas de alta gama enfriadas a baja temperatura. Inicialmente, después de la polarización, los agujeros se empujan 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. Entonces, 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 huecos se mueven hacia el sustrato. Se pueden identificar cuatro procesos de generación de pares:
- fotogeneración (hasta el 95% de la eficiencia cuántica),
- generación en la región del agotamiento,
- generación en la superficie, y
- generación en el vracs neutros.
Los últimos tres procesos se conocen como generación de corriente oscura y agregan 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 finaliza 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 la profundidad del pozo, normalmente alrededor de 105 electrones por píxel.
Diseño y fabricación
La región fotoactiva de un CCD es, generalmente, una capa epitaxial de silicio. Está ligeramente dopado con p (normalmente con boro) y crece sobre un material de sustrato, a menudo p++. En los dispositivos de canales enterrados, el tipo de diseño utilizado en la mayoría de los CCD modernos, ciertas áreas de la superficie del silicio se implantan con iones de fósforo, lo que les da una designación de n-dopado. 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:
Esta capa delgada (= 0.2–0.3 micron) está totalmente agotada 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, de una reducción de la recombinación superficial. La pena es menor capacidad de carga, por un factor de 2 a 3 en comparación con la CCD del canal superficial.
El óxido de la puerta, es decir, el dieléctrico del condensador, crece sobre la capa epitaxial y el sustrato.
Más adelante en el proceso, las compuertas de polisilicio se depositan mediante deposición de vapor químico, se modelan con fotolitografía y se graban de tal manera que las compuertas de fases separadas se encuentran perpendiculares a los canales. Los canales se definen además mediante la utilización del proceso LOCOS para producir la región de parada del canal.
Las paradas de canal son óxidos producidos térmicamente que sirven para aislar los paquetes de carga de una columna de los de otra. Estas paradas 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 de "transporte de carga".
Las paradas de canal a menudo tienen una región dopada p+ subyacente, lo que proporciona una barrera adicional para los electrones en los paquetes de carga (esta discusión de la física de los dispositivos CCD asume un dispositivo de transferencia de electrones, aunque es posible la transferencia de huecos).
El reloj de las puertas, alternativamente alto y bajo, polarizará hacia adelante y hacia atrás el diodo proporcionado por el canal enterrado (dopado n) y la capa epitaxial (dopado p). Esto hará que el CCD se agote, cerca de la unión p-n y recolectará y moverá los paquetes de carga debajo de las puertas, y dentro de los canales, del dispositivo.
La fabricación y el funcionamiento de CCD se pueden optimizar para diferentes usos. El proceso anterior describe un CCD de transferencia de tramas. 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 han 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 de carga acoplada peristáltica, 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 de 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.
Arquitectura
Los sensores de imagen CCD se pueden implementar en varias arquitecturas diferentes. Los más comunes son fotograma completo, transferencia de fotogramas e interlínea. La característica distintiva de cada una de estas arquitecturas es su enfoque del 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 mancha a medida que el dispositivo marca el reloj o se 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 fotogramas normalmente 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 allá y enmascara todas las demás columnas del sensor de imagen para el almacenamiento. En este dispositivo, solo debe ocurrir un cambio 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 las manchas se eliminan esencialmente. Sin embargo, la ventaja no es gratuita, ya que el área de imagen ahora está cubierta por tiras opacas que reducen 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 perjudicial agregando microlentes en la superficie del dispositivo para desviar la luz de las regiones opacas y hacia el área activa. Las microlentes pueden devolver el factor de relleno hasta un 90 por ciento o más, según el tamaño de píxel y el diseño óptico general del sistema.
La elección de la arquitectura se reduce a la utilidad. Si la aplicación no puede tolerar un obturador mecánico costoso, propenso a fallas y que consume mucha energía, un dispositivo interlineal es la elección correcta. Las cámaras instantáneas de los consumidores han utilizado dispositivos interlínea. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor recolección de luz posible y las cuestiones de dinero, energía y tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la elección correcta. Los astrónomos tienden a preferir los dispositivos de fotograma completo. La transferencia de cuadros se encuentra en el medio y era una opción común antes de que se abordara el problema del factor de relleno de los dispositivos interlínea. En la actualidad, la transferencia de fotogramas suele elegirse cuando no se dispone de una arquitectura entre líneas, como en un dispositivo retroiluminado.
Los CCD que contienen cuadrículas de píxeles se utilizan en cámaras digitales, escáneres ópticos y cámaras de video como dispositivos sensores de luz. Por lo general, responden al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de alrededor del 70 por ciento), lo que los hace mucho más eficientes que las películas fotográficas, que capturan solo 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, los dispositivos de visión nocturna y la grabación/fotografía de video con 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 a menudo aparecen en cámaras o videocámaras digitales basadas en CCD si no tienen bloqueadores de infrarrojos.
El enfriamiento reduce la corriente oscura de la matriz, lo que mejora la sensibilidad del CCD a las intensidades de luz bajas, incluso para las longitudes de onda ultravioleta y visible. Los observatorios profesionales a menudo enfrían sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y, por lo tanto, el ruido térmico, a niveles insignificantes.
CCD de transferencia de cuadros
El generador de imágenes CCD de transferencia de fotogramas fue la primera estructura de imágenes propuesta para imágenes CCD 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 una alta eficiencia y corrección de la 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 de forma pasiva los fotones entrantes, almacenando electrones en sus celdas. Una vez transcurrido el tiempo de exposición, las celdas se leen una línea a la vez. Durante la fase de lectura, las celdas se desplazan hacia abajo por toda el área del CCD. Mientras se desplazan, continúan acumulando luz. Por lo tanto, si el cambio no es lo suficientemente rápido, pueden producirse errores debido a la luz que cae sobre una celda que contiene la carga durante la transferencia. Estos errores se conocen como "frotis vertical" y hacer que una fuente de luz potente 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. Desafortunadamente, 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 lleva a un nivel de ruido más alto.
Un CCD de transferencia de fotogramas resuelve ambos problemas: tiene un área protegida, no sensible a la luz, que contiene tantas celdas como el área expuesta a la luz. Por lo general, esta área está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Cuando se acaba el tiempo de exposición, las células se transfieren muy rápidamente al área oculta. Aquí, a salvo de cualquier luz entrante, las celdas se pueden leer a cualquier velocidad que se considere necesaria para medir correctamente las celdas. cargar. 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 el mayor costo: el área de la celda básicamente se duplica y se necesita una electrónica de control más compleja.
Dispositivo acoplado de carga intensificada
Un dispositivo acoplado de carga intensificada (ICCD) es un CCD que está conectado ópticamente a un intensificador de imágenes que está montado frente al CCD.
Un intensificador de imagen incluye tres elementos funcionales: un fotocátodo, una placa de microcanales (MCP) y una pantalla de fósforo. Estos tres elementos se montan uno cerca 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 por 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 por una fibra óptica o una lente.
Un intensificador de imagen incluye inherentemente una función de obturador: si se invierte el voltaje de control entre el fotocátodo y el MCP, los fotoelectrones emitidos no se aceleran hacia el MCP sino que regresan al fotocátodo. Por lo tanto, el MCP no multiplica ni emite electrones, no van electrones a la pantalla de fósforo y no se emite luz desde el intensificador de imagen. En este caso, no cae luz sobre el CCD, lo que significa que el obturador está cerrado. El proceso de invertir el voltaje de control en el fotocátodo se denomina activación y, por lo tanto, los ICCD también se denominan cámaras CCD conmutables.
Además de la sensibilidad extremadamente alta de las cámaras ICCD, que permiten la detección de un solo fotón, la capacidad de puerta 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 son, en general, algo más caras que las cámaras EMCCD porque necesitan el costoso intensificador de imagen. Por otro lado, las cámaras EMCCD necesitan un sistema de enfriamiento para enfriar el chip EMCCD a temperaturas de alrededor de 170 K (−103 °C). Este sistema de enfriamiento agrega costos adicionales a la cámara EMCCD y, a menudo, produce grandes problemas de condensación en la aplicación.
Los ICCD se utilizan en dispositivos de visión nocturna y en diversas aplicaciones científicas.
CCD multiplicador de electrones
Un electron-multiplying CCD (EMCCD, también conocido como L3Vision CCD, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ya descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo cargado en el que se coloca un registro de ganancia entre el registro de cambios y el amplificador de salida. El registro de ganancia se divide en un gran número de etapas. En cada etapa, los electrones se multiplican por la ionización de impacto de manera similar a un diodo avalanche. La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña (P ■ 2%), pero dado que el número de elementos es grande (N Ø 500), la ganancia general puede ser muy alta (), con electrones de entrada único dando muchos miles de electrones de salida. Leer una señal de un CCD da un fondo de ruido, típicamente algunos electrones. En un EMCCD, este ruido se superpone en muchos miles de electrones en lugar de un solo electrón; la ventaja principal de los dispositivos es por lo tanto su ruido insignificante de lectura. El uso del desglose de avalanchas para la amplificación de los cargos fotográficos ya se había descrito en el U.S. Patent 3,761,744 en 1973 por George E. Smith/Bell Phone 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. A ganancias altas (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto sobre la relación señal/ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto a la operación con ganancia unitaria. Este efecto se denomina factor de exceso de ruido (ENF). Sin embargo, a 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 con el riesgo de contar múltiples electrones en el mismo píxel como un solo electrón. Para evitar múltiples conteos en un píxel debido a fotones coincidentes en este modo de operación, son esenciales altas velocidades de cuadros. La dispersión en la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, está bien modelado por la ecuación:
Debido a los costos más bajos y la mejor resolución, los EMCCD pueden reemplazar a los ICCD en muchas aplicaciones. Los ICCD todavía tienen la ventaja de que pueden activarse muy rápido y, por lo tanto, son útiles en aplicaciones como la generación de imágenes con control de rango. Las cámaras EMCCD necesitan indispensablemente un sistema de enfriamiento, que use enfriamiento termoeléctrico o nitrógeno líquido, para enfriar el chip a temperaturas en el rango de −65 a −95 °C (−85 a −139 °F). Desafortunadamente, 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 gama alta están equipadas con un sistema de vacío hermético permanente que confina el chip para evitar problemas de condensación.
Las capacidades de poca luz de los EMCCD encuentran uso en astronomía e investigación biomédica, entre otros campos. En particular, su bajo nivel de 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 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 que incluyen imágenes de animales pequeños, imágenes de moléculas individuales, espectroscopia Raman, microscopia de súper resolución, así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopia 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 (según el grado de enfriamiento) que, en conjunto, generan un ruido de lectura efectivo que oscila entre 0,01 y 1 electrón por lectura de píxel. Sin embargo, las mejoras recientes en la tecnología EMCCD han llevado a una nueva generación de cámaras capaces de producir significativamente menos CIC, mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia EM 5 veces mayor que la que estaba 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 inigualable por cualquier otro dispositivo de imágenes de poca luz.
Uso en astronomía
Debido a las altas eficiencias cuánticas del dispositivo acoplado por carga (CCD) (la eficiencia cuántica ideal es del 100 %, un electrón generado por fotón incidente), la linealidad de sus salidas, la facilidad de uso en comparación con las placas fotográficas y una variedad Por 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 tales efectos, los astrónomos toman varias exposiciones con el obturador CCD cerrado y abierto. El promedio de imágenes tomadas con el obturador cerrado es necesario para reducir el ruido aleatorio. Una vez revelada, la imagen promedio del cuadro oscuro se sustrae de la imagen del 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 mediante la recopilación de datos con la misma carga recopilada varias veces y tienen aplicaciones en búsquedas precisas de materia oscura ligera y mediciones de neutrinos.
El telescopio espacial Hubble, en particular, tiene una serie de pasos muy desarrollados ("canalización de reducción de datos") para convertir los datos CCD sin procesar en imágenes útiles.
Las cámaras CCD utilizadas en astrofotografía a menudo requieren montajes resistentes para soportar las vibraciones del viento y otras fuentes, junto con el tremendo peso de la mayoría de las plataformas de imágenes. Para tomar largas exposiciones 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 captura 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, denominada exploración 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 se leen en una dirección paralela al movimiento del cielo ya 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, utilizando la técnica para producir un estudio de más de una cuarta parte del cielo.
Además de los reproductores de imágenes, los CCD también se utilizan en una serie de instrumentos analíticos, incluidos espectrómetros e interferómetros.
Cámaras a color
Las cámaras digitales a color generalmente usan una máscara de Bayer sobre el CCD. Cada cuadrado de cuatro píxeles tiene un filtro rojo, uno azul y dos verdes (el ojo humano es más sensible al verde que al rojo o al azul). El resultado de esto es que la información de luminancia se recopila en cada píxel, pero la resolución de color es menor que la resolución de luminancia.
Se puede lograr una mejor separación de colores con 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 cine digital y video de gama alta. Otra ventaja de 3CCD sobre un dispositivo de máscara 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 Bayer absorbe una alta proporción (más de 2/3) de la luz que cae en cada ubicación de píxel.
Para escenas fijas, por ejemplo en microscopía, la resolución de un dispositivo de máscara de Bayer se puede mejorar con la tecnología de microescaneo. Durante el proceso de muestreo co-sitio de color, se producen varios fotogramas de la escena. Entre adquisiciones, el sensor se mueve en dimensiones de píxeles, de manera que cada punto del campo visual es 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 la del canal verde se duplica).
Tamaños de sensores
Los sensores (CCD/CMOS) vienen en varios tamaños o formatos de sensor de imagen. Estos tamaños a menudo se denominan con una designación de fracción de pulgada como 1/1.8″ o 2/3″ llamado formato óptico. Esta medida se originó en la década de 1950 y en la época de los tubos Vidicon.
Floreciendo
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 se desbordará el contenedor, lo que provocará una floración. La estructura del CCD permite que los electrones fluyan más fácilmente en una dirección que en otra, lo que genera rayas verticales.
Algunas funciones anti-blooming que se pueden integrar en un CCD reducen su sensibilidad a la luz al usar parte del área de píxeles para una estructura de drenaje. James M. Early desarrolló un desagüe vertical antifloración que no afectaría el área de recolección de luz y, por lo tanto, no reduciría la sensibilidad a la luz.
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Universidad de Purdue