¿Por qué exactamente los "astrofotógrafos CMOS" prefieren los sensores CMOS?

Con un sensor CMOS, los convertidores de analógico a digital (ADC) están en el mismo troquel que el sensor de imágenes.

Con un CCD, se obtiene una señal analógica del chip y es necesario utilizar un convertidor de analógico a digital (ADC) externo.

Hay ventajas y desventajas de cada enfoque. Por ejemplo, puede emparejar CCD con un ADC realmente bueno que tenga un alto rango dinámico y, luego, puede tener un rango dinámico más alto que con CMOS.

Con un sensor CMOS, obtiene menos ruido porque el ADC está en el mismo chip y la señal analógica necesita viajar una distancia más corta al ADC.

Además, el sensor CMOS puede tener múltiples ADC fácilmente, lo que significa que la velocidad de lectura es mayor que con CCD.

La astrofotografía tiene que ver con el ruido. Desea utilizar ISO alto en astrofotografía para capturar la cantidad mínima de luz que le brindan las estrellas.

El sensor CCD (dispositivo acoplado cargado) consta de fila tras fila de fotositos llamados fotodiodos. Durante la exposición, los fotones bombardean causando que el fotodiodo adquiera una carga eléctrica. Cuantos más fotones inciden en un fotosito dado, mayor es la carga acumulada. Cuando se cierra el obturador, la carga se mueve dentro del sitio a un área de almacenamiento. Luego, la carga se mueve nuevamente a un área del chip llamada registro de transferencia. Aquí se lee la magnitud de la carga y se convierte a voltaje. Este voltaje es increíblemente débil, por lo que luego se amplifica. Este movimiento seguido de amplificación se completa una fila a la vez. Una vez que se ha operado una fila completa, se eliminan todos los cargos de la fila. Ahora, la siguiente fila ahora marcha al registro de transferencia y el proceso comienza de nuevo. Este acoplamiento de filas da como resultado un voltaje analógico que representa la imagen. Luego, el voltaje analógico se transfiere al chip adyacente donde se convierte en una señal digital.

El sensor CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario) también contiene filas de fotositos dispuestos en un patrón de cuadrícula. Sin embargo, en este diseño gran parte del procesamiento ocurre dentro del propio sitio de fotos. Para lograrlo, cada fotosito contiene un convertidor y un amplificador. Este método induce mucho menos ruido ya que los datos se trabajan directamente, sin necesidad de transferirlos fila por fila. Con muchas funciones integradas en el chip CMOS, el circuito se reduce, por lo que se reduce el consumo eléctrico y se obtiene una operación más económica.

Debido a que el CCD debe cambiar las cargas, el CMOS tiene una ventaja de velocidad. El circuito del CMOS da como resultado un ahorro de energía que permite una mayor sensibilidad a la luz en cada vista. La principal desventaja del CMOS es que cada sitio tiene su propio amplificador. Cada uno tendrá eficiencias ligeramente diferentes, por lo que el CMOS tiene un ruido de patrón fijo más alto. Debido a que el CMOS se amplifica en la vista, hay menos posibilidades de Blooming, una fuga de carga puede inducir diafonía en las vistas adyacentes.

Las otras respuestas cubren CMOS vs. CCD. Hay una consideración adicional que no se ha mencionado ni en la pregunta ni en ninguna de las respuestas existentes que es una consideración importante para los astrofotógrafos serios: la capacidad de enfriamiento.

La mayoría de los astrofotógrafos serios prefieren usar sensores que no estén entorpecidos dentro de las típicas cámaras de consumo. Esto les permite utilizar métodos de refrigeración más potentes que los empleados por las cámaras diseñadas para ser portátiles para un uso más general. Ya sea CMOS o CCD, la mayor capacidad de enfriamiento permite mantener bajas las temperaturas del chip durante los períodos de tiempo prolongados necesarios para hacer astrofotografía.

El factor clave con los sensores CCD cuando se trata de imágenes de alta velocidad (o lo que llamamos Lucky) es la velocidad de lectura. Las cámaras CCD, debido a la naturaleza de su tecnología, que mueve la carga (electrones) de un píxel al siguiente por las columnas, una fila a la vez, favorece la lectura LENTA. Además, debido a esta naturaleza de cambio de carga de los sensores CCD, generalmente no hay espacio en la matriz del sensor para el tipo más complejo de lógica de lectura que emplean los sensores CMOS (amperios por píxel, unidades ADC y CDS por columna, etc. ) Como tal, todos los píxeles en el sensor generalmente son "leídos" por una sola, o posiblemente un par de unidades de ADC y amplificador fuera de matriz. Esto también favorece la lectura LENTA, ya que a alta frecuencia estos componentes también tienen más ruido (ruido de entrada referido, las principales fuentes de ruido de lectura).

Por lo tanto, para obtener resultados limpios y de bajo ruido, los sensores CCD generalmente deben operarse a frecuencias más bajas, lo que conduce a una lectura más lenta. De hecho, muchas cámaras CCD populares de marco más grande pueden requerir muchas decenas de segundos para leer un solo cuadro. Obviamente, para imágenes de alta velocidad, tener que pasar 20-30 segundos solo leyendo un cuadro es insostenible.

Los sensores CMOS se diferencian de los CMOS en que, en lugar de mover la carga alrededor del sensor y luego fuera del sensor, convierten inmediatamente la carga en voltaje directamente en el píxel. Luego, ese voltaje simplemente se "aplica" al resto de la lógica de lectura.

Además, con todos estos componentes en la matriz del sensor, se pueden paralelizar en gran medida. Los amperios de píxeles generalmente se comparten entre pequeños grupos de píxeles, ya sea 2 o 4, por lo que para sensores con decenas de millones de píxeles, tiene millones de amperios. Cada amplificador puede funcionar simultáneamente.

La mayoría de los sensores CMOS modernos utilizan unidades ADC por columna, también en la matriz del sensor. Para sensores con miles de columnas, hay miles de unidades ADC. Nuevamente, todos estos pueden operar simultáneamente.

Con todo este alto paralelismo en la matriz del sensor, esto permite que cada píxel de una fila determinada se lea simultáneamente... por una suma de miles de píxeles a la vez al mismo tiempo, en contraste con CCD donde cada píxel debe, de hecho, ser leído en serie uno (o tal vez dos) a la vez. Debido a que cada circuito de lectura se replica por píxel compartido o por columna, no es necesario sincronizarlos a una frecuencia alta. La velocidad proviene del paralelismo, no del reloj. Por lo tanto, mantiene los beneficios de la baja frecuencia (reloj más lento) para reducir el ruido (igual que con CCD), pero aún puede leer grandes volúmenes de datos muy rápidamente.

Con todo este rendimiento en paralelo, es posible leer el cuadro completo del sensor en una fracción de segundo. Esto permite velocidades de fotogramas muy altas (con algunas cámaras CMOS que tienen funciones de ROI de hardware para que pueda reducir el área del sensor que realmente se lee), las velocidades de fotogramas pueden oscilar entre 20 y 40 fps para todo el fotograma hasta 700-800 fps para ROI más pequeño. En su mayor parte, las verdaderas imágenes afortunadas, en las que opera a la frecuencia de centelleo (forma de turbulencia atmosférica causada por la corriente en chorro), se producen con exposiciones de alrededor de 10 ms, o 1/100 de segundo, 100 fps. En esta frecuencia, puede descartar los subs de baja calidad debido a la visualización, mantener solo los subs de alta calidad y lograr imágenes de alta resolución y gran detalle de objetos en movimiento como ISS, satélites, planetas, etc.

Cabe señalar que la lectura más lenta de CCD no siempre es necesariamente algo malo. Mucha astrofotografía, cosas de larga exposición, todavía se hacen con cámaras CCD. Y la calidad puede ser excepcional. CCD está disminuyendo lentamente con el tiempo en gran parte debido al costo. Un sensor CCD monocromático de marco más grande (36x24 mm, 37x37 mm, 52x52 mm, etc.) está fácilmente en el rango de varias decenas de miles de dólares, hasta cientos de miles de dólares.

Sony pronto lanzará al mercado algunos nuevos sensores CMOS monocromáticos de 36x24 mm que encontrarán su camino en cámaras que cuestan menos de $ 10k, y uno puede incluso estar más cerca de $ 5k. Si bien esto puede parecer una locura, en términos relativos a las cámaras CCD similares de marco más grande, estos son en realidad grandes ahorros. El precio de los sensores CMOS más pequeños hasta ahora ha hecho que las cámaras CCD compitan por su dinero y han abierto el mundo de la astrofotografía más avanzada a una gama mucho más amplia de aficionados que nunca.

El costo también es un factor determinante de CMOS frente a CCD.