18 diciembre 2008

La tecnología CMOS se mueve hacia la siguiente generación

En el pasado, los dispositivos acoplados de carga (CCD) y los sensores semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) se han utilizado en diferentes áreas. Los sensores CCD se usaron en aplicaciones donde se requería una excepcional imagen pero eran aceptables velocidades más bajas. CMOS, por el contrario, fueron reconocidos por su rápida velocidad, pero su calidad de imagen era inferior. Los CMOS más recientes combinan una excelente velocidad con excelente calidad de imagen, y rápidamente se están popularizando en aplicaciones de visión de máquinas tanto line-scan como area-scan . Tecnología de sensores CCD y CMOS La historia de la imagen digital comienza en los 70, con el desarrollo de los CCDs. En su etapa inicial no eran más que dispositivos de almacenamiento de datos, pero rápidamente se reconoció que sus componentes eran sensibles a la luz y producían una señal proporcional a la cantidad de luz aplicada. El principio básico de la tecnología CCD es una serie de registradores de transferencia al lado de la superficie sensible a la luz de los pixels del CCD. Los registradores de transferencia transportan cargas desde los pixels a los registradores de cambio bajo el sensor. Los pixels de CCD pueden tener ahora un factor de relleno del 100 %, lo cual quiere decir que casi todos los pixels son sensibles a la luz. CCDs proporcionan un nivel de ruido relativamente bajo, lo cual hace que la calidad de imagen sea muy buena. La tecnología avanza rápidamente y ello hace que este tecnología se use cada vez más en cámaras digitales, astronomía, visión de máquinas, video cámaras, máquinas de fax y en muchas otras aplicaciones. Los sistemas CMOS se caracterizan por tener parte del sistema de lectura y el control de iluminación directamente adyacente a la superficie fotosensible. Una ventaja fundamental de este diseño es que cada píxel puede ser controlado y leído directamente. Una desventaja es que una parte de cada píxel es ocupada por componentes electrónicos, que reducen el factor de relleno. La tecnología CMOS permite que una gran variedad tanto de funciones digitales como analógicas sean integradas directamente en el sensor. Esto significa que los datos analógicos pueden ser amplificados y convertidos en una señal digital directamente en el chip. También pueden integrarse los pasos del preprocesado, memoria y generación temporal. El papel de la velocidad En la última década, la presión por incrementar el rendimiento de los sistemas de producción industriales ha crecido de forma continuada. Esto requiere una velocidad de adquisición más rápida en los productos de visión digital, y la demanda futura parece seguirá por el mismo camino. La velocidad es importante especialmente en las cámaras line-scan, ya que con estos equipos se realizan en continuo en procesos en los que la velocidad es esencial. Mejoras en la tecnología de los sensores Hasta fechas recientes, la mayoría de las cámaras line-scan se han equipado con sensores de imagen CCD. En aplicaciones más lentas, los sensores CCD producen una excelente calidad de imagen, pero cuando operan a altas velocidades se enfrentan a limitaciones físicas. En aplicaciones de alta velocidad, los circuitos de transmisión de un sensor CCD debe trabajar a alta frecuencia respecto a al alta carga capacitiva de los registradores de cambio CCD. Esto origina el calentamiento del sensor y la electrónica de la cámara, y consume bastante energía. Para manejar la alta velocidad, los sensores CCD necesitan equipamiento adicional formado por amplificadores y convertidores analógicos digitales (ADCs). Esto origina que los diseños de la cámara CCD sean caros y grandes en tamaño. Se necesita una nueva aproximación conceptual para los sensores de imágenes line-scan para superar estas limitaciones. Hasta los años 90, la tecnología CMOS sufrió de una resolución litográfica baja y ausencia de procesos de fabricación optimizados para los sensores de imagen. Con la llegada de los sensores de píxel activos CMOS-APS, los sensores fueron virtualmente reinventados. A partir de ese momento, los sensores CMOS-APS comenzaron a ser elegidos como la primera elección en aplicaciones de imagen area-scan de alta velocidad. Los sensores CMOS modernos no solo muestran un rendimiento superior no sólo exhiben rendimiento superior en velocidad. Pero son más atractivos en el precio que los sensores CCD debido a los costes de producción más bajos. La última generación del sensor CMOS también exhibe excelente calidad de imagen, que suele ser una fortaleza exclusiva del sector CCD. Debido a las mejoras en la tecnología de fabricación de chips, los sensores CMOS recientemente desarrollados tienen unas excelentes características de homogeneidad y ruido. Los atributos positivos de la tecnología CCD se han transferido paso a paso en los procesos de fabricación de sensores de imagen CMOS. Los resultados obtenidos son que los sensores CMOS de hoy combinan la ventaja de ambas tecnologías: la amplia variedad de las características de los circuitos CMOS y la calidad de imagen superior de la tecnología CCD. La tecnología CMOS ofrece la posibilidad de combinar los fotodiodos de un sensor con otros circuitos CMOS on-chip, lo cual no es posible con los sensores CCD. Ésta es una ventaja principal comparada con la tecnología CCDs. Bibliografía: CMOS technology moves to the next generation. Optics & laser Europe. November 2008 Palabras clave: Charge coupled devices (CCD), Complementary metal oxide semiconductor sensor (CMOS), digital-vision products, active pixel sensor (CMOS-APS)
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