Sensor de imagen: definición, tipos (CCD y CMOS) y aplicaciones

Sensor de imagen: definición, diferencias entre CCD y CMOS, ventajas y aplicaciones clave en fotografía, vídeo, seguridad, medicina e industria.

Un sensor de imagen es un dispositivo electrónico que puede grabar una imagen. Normalmente, los sensores de imagen funcionan detectando el nivel y la intensidad de la luz. La mayoría de los sensores funcionan con luz visible y luz infrarroja. Hay sensores especiales que pueden detectar los rayos X y la radiación gamma. Hay diferentes formas de construir estos sensores: En 2020, las tecnologías de sensores más comunes eran el CCD y el CMOS.

Cómo funcionan los sensores de imagen

Un sensor de imagen está compuesto por una matriz de píxeles. Cada píxel convierte fotones (partículas de luz) en carga eléctrica mediante una fotocélula (generalmente una fotodiodo). Esa carga se integra durante un tiempo de exposición y luego se lee y convierte en una señal digital mediante un convertidor analógico-digital (ADC). Para formar imágenes en color, muchos sensores usan una matriz de filtros de color (por ejemplo, la matriz Bayer) sobre los píxeles y procesos de demosaicing para reconstruir los tres canales (rojo, verde, azul).

Principales tipos: CCD y CMOS

• CCD (Charge-Coupled Device)
  • Operan transfiriendo cargas eléctricas a través del chip hasta un único amplificador de salida.
  • Ventajas: alta uniformidad, bajo ruido en lecturas largas, buena calidad de imagen en aplicaciones científicas y astronómicas.
  • Inconvenientes: consumo de energía mayor, mayor coste, velocidades de lectura más lentas y a veces efecto de “smearing” con objetos en movimiento.
  • Variantes: EMCCD (electron multiplying CCD) para detección de señal extremadamente débil.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
  • Cada píxel suele tener su propio amplificador y, en muchos diseños modernos, circuitos de procesamiento y ADC en el chip.
  • Ventajas: menor consumo, integración de funciones, alta velocidad de lectura, menor coste en producción masiva y buena rendimiento en fotografía de consumo (smartphones, cámaras digitales).
  • Inconvenientes históricos: mayor ruido de lectura y menor sensibilidad que CCD, aunque las mejoras (BSI, sCMOS, global shutter) han cerrado o eliminado estas diferencias.
  • Variantes: sCMOS (scientific CMOS) de bajo ruido y alta dinámica; sensores CMOS con obturador global para evitar artefactos de “rolling shutter”.

Parámetros clave a considerar

• Resolución: número de píxeles (megapíxeles). Más píxeles no siempre equivalen a mejor calidad si los píxeles son muy pequeños.
• Tamaño del píxel: afecta la sensibilidad y la capacidad de captar luz; píxeles más grandes suelen dar mejor rendimiento en poca luz.
• Sensibilidad / Eficiencia cuántica (QE): porcentaje de fotones convertidos en electrones útiles.
• Rango dinámico: diferencia entre el nivel más oscuro y el más brillante que el sensor puede capturar sin saturarse.
• Ruido de lectura y corriente de oscuridad: afectan la calidad en exposiciones cortas y largas, respectivamente.
• Tasa de fotogramas: cantidad de imágenes por segundo; crítica en vídeo y visión industrial.
• Obturador: rolling shutter (lectura línea a línea) vs global shutter (todo el sensor expuesto y leído simultáneamente).
• Respuesta espectral: qué longitudes de onda detecta (visible, NIR, SWIR, X, gamma, etc.).

Variantes y tecnologías avanzadas

• BSI (Back-Side Illuminated): inversión del chip para que la luz llegue directamente al fotodiodo, mejorando la eficiencia en píxeles pequeños (muy usada en móviles).
• Stacked sensors: capas separadas para fotodetectores y procesamiento, permitiendo circuitos más complejos y mayor rendimiento.
• EMCCD: amplificación de electrones para detectar señales extremadamente débiles (astronomía, biomedicina).
• sCMOS: combinación de baja ruido, alta velocidad y gran rango dinámico para uso científico e industrial.
• Detectores especializados: InGaAs para infrarrojo cercano, microbolómetros para térmica, detectores de rayos X y gamma con materiales específicos.
• SPAD (Single-Photon Avalanche Diodes): sensores para fotodetección a nivel de fotón, usados en LIDAR y aplicaciones de tiempo de vuelo.

Aplicaciones comunes

• Fotografía y vídeo (cámaras réflex, sin espejo, smartphones).
• Cine digital y producción audiovisual profesional.
• Vigilancia y seguridad (CCTV).
• Automoción: cámaras para asistencia al conductor y sistemas ADAS.
• Astronomía: cámaras CCD y CMOS refrigeradas para telescopios.
• Medicina: endoscopia, microscopía, imagenología digital y detectores X.
• Visión artificial e inspección industrial (control de calidad, robótica).
• Teledetección y satélites.
• Imágenes térmicas y sensores para seguridad y mantenimiento predictivo.
• LIDAR y sensores 3D basados en SPAD o fotodetectores especializados.

Cómo elegir un sensor según la aplicación

• Para fotografía general: buscar buen equilibrio entre resolución y tamaño de píxel; BSI y buen procesamiento en CMOS son habituales.
• Para baja iluminación o astronomía: priorizar sensibilidad, baja corriente de oscuridad, enfriar el sensor y considerar EMCCD o sCMOS de alta gama.
• Para vídeo de alta velocidad o aplicaciones industriales: elegir sensores con alta tasa de fotogramas y, si hay movimiento rápido, global shutter.
• Para espectros no visibles: seleccionar detectores diseñados para IR, SWIR, X o gamma según la banda.
• Considerar también factores prácticos: consumo, coste, tamaño físico, integración y disponibilidad de soporte (drivers, software).

Evolución y tendencia

Históricamente, los CCD dominaron en calidad de imagen científica, pero desde mediados-finales de la década de 2000 el CMOS ha avanzado mucho y se ha impuesto en la mayoría de aplicaciones comerciales gracias a su integración, coste y velocidad. A partir de 2020, el mercado está ampliamente dominado por sensores CMOS, aunque CCD y sus variantes especializadas siguen usándose donde su comportamiento sigue siendo ventajoso. Las tendencias actuales incluyen sensores apilados, BSI, obturador global en CMOS y detección a nivel de fotón para aplicaciones emergentes como LIDAR y microscopía de muy baja luz.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es un sensor de imagen?

P: ¿Con qué tipo de luz funcionan la mayoría de los sensores?

P: ¿Pueden los sensores detectar rayos X y radiación gamma?

P: ¿Cómo funcionan los sensores de imagen?

P: ¿Cuáles son las dos tecnologías de sensores más comunes en 2020?

P: ¿Cuáles son las distintas formas de construir un sensor de imagen?

P: ¿Puede un sensor de imagen grabar una imagen?

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