El dispositivo CCD y la revolución de la imagen digital
(El contenido de este artículo forma parte del capítulo 8 de mi libro: ¿Qué hacen por nosotros los semiconductores? El petróleo del siglo XXI)
Cada vez que saca el teléfono del bolsillo y captura un momento —el rostro de un hijo, un atardecer, una reunión familiar—, hay un chip de silicio que hace algo extraordinario: convierte la luz en números. Lo hace en una fracción de segundo, en silencio, con una precisión que no tiene parangón en la historia de la óptica. Y lo hace gracias a un invento que tiene ya más de medio siglo y que nació, como tantos otros pilares de la electrónica moderna, en los Bell Labs en Nueva Jersey. Se llama CCD, y su historia merece ser contada.
Las cámaras digitales, ya sean las de un teléfono móvil, las de una cámara réflex o las de un telescopio espacial, se basan en dos grandes familias de sensores fabricados con silicio, denominados CCD (Charge Coupled Devices, Dispositivos Acoplados por Carga) y sensores CMOS (Complementary MOS). En este artículo vamos a ver cómo funcionan los CCD; los CMOS, que comparten parte de la filosofía pero tienen sus propias particularidades, los abordaren el siguiente artículo de esta newsletter.
1. Un invento que nació en el año del Apolo 11
Corría el año 1969, el mundo tenía los ojos puestos en la Luna, pendiente del aterrizaje del Apolo 11. En ese mismo año, en los Bell Labs de New Jersey, el mismo laboratorio donde se había inventado el transistor veinte años antes, dos científicos llamados Willard S. Boyle y George E. Smith dibujaban en una pizarra el esquema de un dispositivo que cambiaría radicalmente la forma en que los seres humanos registran imágenes.
La idea central era elegante, consistía en transferir carga eléctrica a lo largo de la superficie de un semiconductor, de condensador en condensador, como una cadena de cubos que se pasan agua de uno a otro. A ese mecanismo lo llamaron inicialmente «Charge Bubble Devices». La patente quedó registrada en diciembre de 1970 y, apenas dos años después, otro científico de los Bell Labs, Michael F. Tompsett, registró la primera patente para el uso de este dispositivo en sistemas de imagen.
La Academia de Ciencias de Suecia tardó cuarenta años en reconocer la magnitud del logro, pero en 2009 otorgó el Premio Nobel de Física a Boyle y Smith por “la invención de un circuito semiconductor de imagen: el sensor CCD”. Cuarenta años de espera para un invento que, a esas alturas, ya estaba en el bolsillo de cientos de millones de personas. Como en otras ocasiones, el Nobel llegó con parsimonia a una tecnología que el mundo llevaba décadas usando.
Willard S. Boyle y George E. Smith, inventores del CCD en los Bell Labs en 1969, fotografiados junto a uno de sus primeros prototipos
2. Qué es un CCD y cómo convierte la luz en información
Un CCD es, en esencia, un mosaico bidimensional de millones de detectores individuales llamados píxeles. Cada píxel es un pequeñísimo condensador del tipo MOS (Metal-Óxido-Semiconductor), el mismo componente fundamental que está en el corazón de los chips de memoria y de los microprocesadores modernos. El CCD completo es un circuito integrado fabricado sobre silicio, sensible a la luz, capaz de capturar una imagen y convertirla en una secuencia de unos y ceros que un ordenador puede procesar y almacenar.
El funcionamiento del dispositivo puede dividirse en cuatro etapas que conviene entender por separado, aunque en la práctica ocurren prácticamente de forma simultánea y en fracciones de segundo.
Primera etapa: generación de carga. Cuando un fotón, es decir, una partícula de luz, incide sobre un píxel del CCD, interactúa con el silicio y genera un par de portadores de carga, un electrón y un hueco. Los electrones liberados migran hacia una zona adyacente de cada píxel que funciona como un pequeño pozo de potencial, donde quedan atrapados y almacenados. Cuantos más fotones llegan a ese píxel, más electrones se acumulan en el pozo.
Segunda etapa: recogida y almacenamiento. La carga acumulada en cada píxel es proporcional a la cantidad de luz que ha recibido durante el tiempo de exposición. Un píxel iluminado intensamente acumula muchos electrones; uno en sombra, muy pocos. Esa diferencia de carga entre píxeles es, en el fondo, la imagen.
Tercera etapa: transferencia. Una vez finalizada la exposición, la carga almacenada en cada píxel debe desplazarse hasta los circuitos de lectura. Para ello, se aplican tensiones eléctricas precisas y secuenciales a los condensadores MOS del chip, que empujan los paquetes de electrones de un píxel al siguiente, fila por fila, como una cadena de montaje. Esta transferencia secuencial de carga es precisamente lo que da su nombre al dispositivo, Charge Coupled Device, dispositivo acoplado por carga.
Cuarta etapa: conversión y lectura. Cuando los paquetes de carga llegan al final del chip, un circuito exterior los convierte en señales de tensión y, a continuación, un convertidor analógico-digital los transforma en valores numéricos binarios. Esos números son los píxeles de la imagen digital que el ordenador o el teléfono almacena y muestra. La siguiente imagen muestra el principio de operación de un CCD.
Esquema del principio de operación de un CCD
3. La analogía de los cubos bajo la lluvia
Para visualizar de manera intuitiva cómo trabaja un CCD en su conjunto, imagine el lector que el chip es un campo abierto donde hay dispuestos, en filas y columnas perfectas, millones de cubos diminutos. Comienza a llover, esa lluvia son los fotones que llegan desde el objeto fotografiado. Cada cubo recoge agua en función de la cantidad de lluvia que recibe; los que están bajo un chaparrón intenso se llenan más, los que están a la sombra reciben pocas gotas.
Hasta aquí, eso es la exposición. Cuando el fotógrafo pulsa el disparador, se interrumpe la lluvia y comienza el proceso de lectura. Los cubos de la primera fila vuelcan su contenido en los cubos de la fila siguiente, que estaban vacíos. Esos, a su vez, vuelcan en la fila siguiente, y así sucesivamente, fila a fila, hasta que el contenido de cada cubo llega a un recipiente de medida situado al final del chip. Allí, la cantidad de agua de cada cubo, es decir, la carga acumulada en cada píxel, se mide con precisión y se convierte en un número. El conjunto de todos esos números es la imagen.
La analogía, por supuesto, es una simplificación. En la realidad, todos los píxeles transfieren su información de manera mucho más coordinada y no estrictamente columna a columna. Pero la idea esencial es correcta, el CCD no lee los píxeles de forma instantánea, sino que los desplaza en cadena hasta el punto de lectura, lo cual tiene implicaciones importantes en la velocidad de captura y en el diseño del sensor. La siguiente imagen muestra esa analogía: en (a), cada cubo-píxel acumula gotas-fotones durante la exposición; en (b) se muestra el proceso de volcado fila a fila; finalmente, en (c), se ilustra la medida final en el recipiente de lectura.
Analogía del mosaico de cubos y la lluvia para ilustrar el funcionamiento del CCD
4. Del telescopio Kepler al bolsillo de su teléfono
El CCD no es una tecnología confinada al mundo del consumo. Su campo de aplicación es tan amplio como la propia necesidad humana de ver con precisión. El telescopio espacial Kepler, dedicado a la búsqueda de planetas extrasolares, llevaba a bordo un mosaico de cuarenta y dos dispositivos CCD individuales; cada uno de ellos medía 50 × 25 mm y tenía más de dos millones de píxeles. En conjunto, el detector del Kepler sumaba noventa y cinco millones de píxeles, una superficie sensible diseñada para detectar el extraordinariamente tenue parpadeo de una estrella cuando un planeta la eclipsa parcialmente. Tras más de nueve años de operación, en octubre de 2018 dejó de funcionar, tras agotar su combustible.
Sensor del telescopio Kepler
En el otro extremo de la escala, la cámara de su teléfono móvil incorpora un sensor de decenas de millones de píxeles en un área que no supera el centímetro cuadrado. Los píxeles individuales de esos sensores tienen dimensiones de apenas una o dos micras, es decir, una o dos millonésimas de metro. Para fabricarlos se necesitan las mismas técnicas litográficas de vanguardia que se emplean en la producción de los microprocesadores más avanzados del mundo.
Hoy, los sensores CCD conviven en el mercado con los sensores CMOS, que han ganado terreno en las cámaras fotográficas de los teléfonos móviles, gracias a su menor consumo energético y su mayor velocidad de lectura. Sin embargo, los CCD siguen siendo la tecnología de referencia en aplicaciones donde la calidad de imagen es crítica, como por ejemplo en astronomía, microscopía científica, fotografía médica o en los sistemas de visión nocturna de gran sensibilidad. La razón es que el CCD, con su mecanismo de transferencia de carga, genera muy poco ruido electrónico durante la lectura, lo que se traduce en imágenes más nítidas en condiciones de baja luminosidad. En el próximo artículo de esta newsletter analizaré los sensores CMOS y mostraré en qué se diferencian de los CCD, cuándo conviene usar unos u otros y por qué la industria del teléfono móvil apostó tan decididamente por ellos.
Más de medio siglo después de aquella pizarra en los Bell Labs, el CCD sigue siendo uno de los dispositivos más elegantes que ha producido la microelectrónica. No porque sea el más pequeño ni el más rápido, sino porque convierte uno de los fenómenos más fundamentales de la física (la interacción entre la luz y la materia) en algo tan cotidiano como pulsar un botón y guardar un recuerdo. En el fondo, eso es lo que hace la buena tecnología, volverse invisible.
Para completar y ampliar el contenido de este artículo, os dejo un vídeo generado por Notebook LM:
Un poco de ciencia, por favor 