Dispositivo de carga acoplada

Un dispositivo de carga acoplada ( CCD ) es un circuito integrado que contiene una matriz de condensadores conectados o acoplados . Bajo el control de un circuito externo, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a un condensador vecino. Los sensores CCD son una tecnología fundamental utilizada en la imagen digital .

En un sensor de imagen CCD , los píxeles están representados por condensadores de metal-óxido-semiconductor (MOS) dopados con tipo p . Estos condensadores MOS , los bloques de construcción básicos de un CCD, ^{[ 1 ]} se polarizan por encima del umbral de inversión cuando comienza la adquisición de la imagen, lo que permite la conversión de los fotones entrantes en cargas electrónicas en la interfaz semiconductor-óxido; el CCD se utiliza luego para leer estas cargas.

Si bien los CCD no son la única tecnología que permite la detección de luz, los sensores de imagen CCD se utilizan ampliamente en aplicaciones profesionales, médicas y científicas donde se requieren datos de imagen de alta calidad.

En aplicaciones con requisitos de calidad menos exigentes, como las cámaras digitales de consumo y profesionales , se suelen utilizar sensores de píxeles activos , también conocidos como sensores CMOS (sensores MOS complementarios).

Sin embargo, la gran ventaja en calidad de la que disfrutaron los CCD en sus inicios se ha reducido con el tiempo y, desde finales de la década de 2010, los sensores CMOS son la tecnología dominante, habiendo reemplazado en gran medida, si no por completo, a los sensores de imagen CCD.

La base del CCD es la estructura metal-óxido-semiconductor (MOS), ^{[ 2 ]} siendo los condensadores MOS los bloques de construcción básicos de un CCD, ^{[ 1 ] [ 3 ]} y una estructura MOS agotada utilizada como fotodetector en los primeros dispositivos CCD. ^{[ 2 ] [ 4 ]}

A finales de la década de 1960, Willard Boyle y George E. Smith, de los Laboratorios Bell, investigaban la tecnología MOS mientras trabajaban en la memoria de burbuja de semiconductores . Se dieron cuenta de que una carga eléctrica era el análogo de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera transferirse de uno a otro. ^{[ 3 ]} Esto condujo a la invención del dispositivo de carga acoplada (CCD) por Boyle y Smith en 1969. Concibieron el diseño de lo que denominaron, en su cuaderno, "Dispositivos de 'Burbuja' de Carga". ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El documento inicial que describía el concepto en abril de 1970 enumeraba posibles usos como memoria , línea de retardo y dispositivo de imagen. ^{[ 7 ]} El dispositivo también podía utilizarse como registro de desplazamiento . La esencia del diseño radicaba en la capacidad de transferir carga a lo largo de la superficie de un semiconductor de un condensador de almacenamiento al siguiente.

El primer dispositivo experimental que demostró el principio fue una hilera de cuadrados metálicos muy juntos sobre una superficie de silicio oxidado , conectados eléctricamente mediante conexiones de alambre. Fue demostrado por Gil Amelio , Michael Francis Tompsett y George Smith en abril de 1970. ^{[ 8 ]} Esta fue la primera aplicación experimental del CCD en la tecnología de sensores de imagen , y utilizó una estructura MOS agotada como fotodetector. ^{[ 2 ]} La primera patente ( patente estadounidense 4,085,456 ) sobre la aplicación de CCD a la formación de imágenes fue asignada a Tompsett, quien presentó la solicitud en 1971. ^{[ 9 ]}

El primer CCD funcional fabricado con tecnología de circuitos integrados fue un sencillo registro de desplazamiento de 8 bits, descrito por Tompsett, Amelio y Smith en agosto de 1970. ^{[ 10 ]} Este dispositivo contaba con circuitos de entrada y salida y se utilizó para demostrar su funcionamiento como registro de desplazamiento y como un rudimentario dispositivo de imagen lineal de ocho píxeles . El desarrollo del dispositivo progresó rápidamente. En 1971, los investigadores de Bell, liderados por Michael Tompsett, lograron capturar imágenes con dispositivos lineales sencillos. ^{[ 11 ]} Varias empresas, entre ellas Fairchild Semiconductor , RCA y Texas Instruments , adoptaron la invención y comenzaron programas de desarrollo. El esfuerzo de Fairchild, liderado por el exinvestigador de Bell, Gil Amelio, fue el primero en ofrecer dispositivos comerciales, y en 1974 ya contaba con un dispositivo lineal de 500 elementos y un dispositivo 2D de 100 × 100 píxeles. Peter LP Dillon , científico de Kodak Research Labs, inventó el primer sensor de imagen CCD en color superponiendo una matriz de filtros de color sobre este CCD Interline Fairchild de 100 x 100 píxeles a partir de 1974. ^{[ 12 ]} Steven Sasson , ingeniero eléctrico que trabajaba para la División de Aparatos de Kodak , inventó una cámara digital utilizando este mismo CCD Fairchild de 100 × 100 en 1975. ^{[ 13 ]}

El dispositivo CCD de transferencia entre líneas (ILT) fue propuesto por L. Walsh y R. Dyck en Fairchild en 1973 para reducir el desenfoque y eliminar un obturador mecánico . Para reducir aún más el desenfoque causado por fuentes de luz brillante, la arquitectura CCD de transferencia entre líneas de fotogramas (FIT) fue desarrollada por K. Horii, T. Kuroda y T. Kunii en Matsushita (ahora Panasonic) en 1981. ^{[ 2 ]}

El primer satélite de reconocimiento KH-11 KENNEN, equipado con tecnología de matriz de dispositivos de carga acoplada (CCD) ( 800 × 800 píxeles) para imágenes, fue lanzado en diciembre de 1976. ^{[ 14 ]} Bajo el liderazgo de Kazuo Iwama , Sony inició un gran esfuerzo de desarrollo en CCD que implicó una inversión significativa. Finalmente, Sony logró producir en masa CCD para sus videocámaras . Antes de que esto sucediera, Iwama falleció en agosto de 1982. Posteriormente, se colocó un chip CCD en su lápida para reconocer su contribución. ^{[ 15 ]} La primera videocámara 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. ^{[ 16 ]}

Los primeros sensores CCD sufrían de retardo de obturador . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijado (PPD). ^{[ 2 ]} Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. ^{[ 2 ] [ 17 ]} Reconocieron que el retardo puede eliminarse si los portadores de señal pueden transferirse del fotodiodo al CCD. Esto condujo a su invención del fotodiodo fijado, una estructura de fotodetector con bajo retardo, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . ^{[ 2 ]} 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 antiblooming. ^{[ 2 ] [ 18 ]} La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijado" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un elemento habitual en las videocámaras electrónicas de consumo y luego en las cámaras digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS . ^{[ 2 ]}

En enero de 2006, Boyle y Smith recibieron el Premio Charles Stark Draper de la Academia Nacional de Ingeniería ^{[ 19 ]} , y en 2009 fueron galardonados con el Premio Nobel de Física ^{[ 20 ]} por su invención del concepto CCD. Michael Tompsett recibió la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación de 2010 por su trabajo pionero en tecnologías electrónicas, incluyendo el diseño y desarrollo de los primeros sensores de imagen CCD. También recibió la Medalla Edison del IEEE de 2012 por sus contribuciones pioneras a dispositivos de imagen, incluyendo sensores de imagen CCD, cámaras y cámaras termográficas.

En un CCD para capturar imágenes, hay una región fotoactiva (una capa epitaxial de silicio) y una región de transmisión formada por un registro de desplazamiento (el CCD, propiamente dicho).

Una imagen se proyecta a través de una lente sobre la matriz de condensadores (la región fotoactiva), lo que provoca que cada condensador acumule una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz en esa ubicación. Una matriz unidimensional, utilizada en cámaras de escaneo lineal , captura una sola sección de la imagen, mientras que una matriz bidimensional, utilizada en cámaras de vídeo y fotográficas, captura una imagen bidimensional correspondiente a la escena proyectada en el plano focal del sensor. Una vez que la matriz ha sido expuesta a la imagen, un circuito de control hace que cada condensador transfiera su contenido a su vecino (funcionando como un registro de desplazamiento). El último condensador de la matriz descarga su carga en un amplificador de carga , que convierte la carga en un 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 se muestrean, se digitalizan y, por lo general, se almacenan en la memoria. En un dispositivo analógico (como una cámara de vídeo 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 se envía a otros circuitos para su transmisión, grabación u otro procesamiento. ^{[ 21 ]}

Los sensores de imagen CCD se pueden implementar en diversas arquitecturas. Las más comunes son de fotograma completo, de transferencia de fotogramas e interlínea. Estas arquitecturas se diferencian principalmente en su enfoque para resolver el problema del obturador.

En un dispositivo de fotograma completo, toda el área de la imagen está activa y no hay obturador electrónico. Es necesario añadir un obturador mecánico a este tipo de sensor, de lo contrario la imagen se distorsiona al sincronizar o leer el dispositivo.

En un CCD de transferencia de fotogramas, la mitad del área de silicio está cubierta por una máscara opaca (generalmente de aluminio). La imagen se puede transferir rápidamente del área de imagen al área opaca o región de almacenamiento con una distorsión aceptable de unos pocos por ciento. 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 generalmente no requieren un obturador mecánico y fueron 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 interlineal extiende este concepto un paso más allá y enmascara una columna sí y otra no del sensor de imagen para su almacenamiento. En este dispositivo, basta con un desplazamiento de un píxel para transferir la imagen del área de imagen al área de almacenamiento; por lo tanto, los tiempos de obturación pueden ser inferiores a un microsegundo y se elimina prácticamente el desenfoque. Sin embargo, esta ventaja tiene un precio, ya que el área de imagen queda cubierta por franjas opacas, lo que reduce el factor de llenado a aproximadamente el 50 % y la eficiencia cuántica efectiva en una cantidad equivalente. Los diseños modernos han solucionado este problema añadiendo microlentes en la superficie del dispositivo para dirigir la luz lejos de las regiones opacas y hacia el área activa. Las microlentes pueden aumentar el factor de llenado hasta el 90 % o más, dependiendo del tamaño del píxel y del diseño óptico general del sistema.

La elección de la arquitectura se reduce a una cuestión de utilidad. Si la aplicación no puede tolerar un obturador mecánico costoso, propenso a fallas o de alto consumo energético, un dispositivo de interlínea puede ser la opción adecuada. Las cámaras instantáneas de consumo han utilizado dispositivos de interlínea. Por otro lado, para aquellas aplicaciones que requieren la mejor captación de luz posible, o donde el costo, la energía y el tiempo son menos importantes, el dispositivo de fotograma completo es la opción correcta. Los astrónomos suelen preferir los dispositivos de fotograma completo. La transferencia de fotogramas es una solución intermedia que era más común antes de que se abordara el problema del factor de llenado de los dispositivos de interlínea. Hoy en día, la transferencia de fotogramas se suele elegir cuando no se dispone de una arquitectura de interlínea, como en un dispositivo retroiluminado.

Los CCD, que contienen cuadrículas de píxeles, se utilizan en cámaras digitales , escáneres ópticos y videocámaras como dispositivos de detección de luz. Suelen responder al 70 por ciento de la luz incidente (lo que significa una eficiencia cuántica de aproximadamente el 70 por ciento), lo que los hace mucho más eficientes que la película fotográfica , que captura solo alrededor del 2 por ciento de la luz incidente.

La mayoría de los CCD son sensibles a la luz infrarroja cercana, lo que permite la fotografía infrarroja , los dispositivos de visión nocturna y la grabación de vídeo/fotografía con iluminación prácticamente nula. En el caso de los detectores de silicio convencionales, la sensibilidad se limita a 1,1  μm. Otra consecuencia de su sensibilidad a la luz infrarroja es que esta suele aparecer en las cámaras digitales o videocámaras con CCD si no disponen de filtros infrarrojos.

El enfriamiento reduce la corriente oscura del conjunto , mejorando la sensibilidad del CCD a bajas intensidades de luz, incluso para longitudes de onda ultravioleta y visible. Los observatorios profesionales suelen enfriar sus detectores con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y, por lo tanto, el ruido térmico , a niveles insignificantes.

CCD de transferencia de fotogramas

El sensor CCD de transferencia de fotogramas fue la primera estructura de imagen propuesta para la obtención de imágenes CCD por Michael Tompsett en los Laboratorios Bell. Un CCD de transferencia de fotogramas es un CCD especializado, utilizado frecuentemente en astronomía y en algunas cámaras de vídeo profesionales , diseñado para ofrecer una alta eficiencia y precisión en la exposición.

El funcionamiento normal de un CCD, astronómico o de otro tipo, se divide en dos fases: exposición y lectura. Durante la primera fase, el CCD capta pasivamente los fotones incidentes , almacenando electrones en sus celdas. Transcurrido el tiempo de exposición, las celdas se leen línea por línea. Durante la fase de lectura, las celdas se desplazan a lo largo de toda la superficie del CCD. Mientras se desplazan, continúan captando luz. Por lo tanto, si el desplazamiento no es lo suficientemente rápido, pueden producirse errores debido a la luz que incide sobre una celda cargada durante la transferencia. Estos errores se conocen como efecto de obturador rodante , que provoca que los objetos en movimiento rápido aparezcan distorsionados. Además, el CCD no puede utilizarse para captar luz mientras se está leyendo. Un desplazamiento 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 conlleva un mayor nivel de ruido.

Un CCD de transferencia de fotogramas resuelve ambos problemas: cuenta con un área protegida, no sensible a la luz, que contiene tantas celdas como el área expuesta a la luz. Normalmente, esta área está cubierta por un material reflectante como el aluminio. Una vez finalizado el tiempo de exposición, las celdas se transfieren rápidamente al área oculta. Allí, protegidas de la luz incidente, las celdas pueden leerse a la velocidad necesaria para medir correctamente su carga. Al mismo tiempo, la parte expuesta del CCD vuelve a captar luz, por lo que no se produce ningún retardo entre exposiciones sucesivas.

La desventaja de este tipo de CCD es su mayor coste: la superficie de la celda prácticamente se duplica y se necesitan sistemas electrónicos de control más complejos.

CCD multiplicador de electrones

Un CCD multiplicador de electrones (EMCCD, también conocido como L3Vision CCD, un producto comercializado por e2v Ltd., GB, L3CCD o Impactron CCD, un producto ahora descontinuado ofrecido en el pasado por Texas Instruments) es un dispositivo de carga acoplada en el que se coloca un registro de ganancia entre el registro de desplazamiento 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 ionización por impacto de manera similar a un diodo de avalancha . La probabilidad de ganancia en cada etapa del registro es pequeña ( P < 2%), pero como el número de elementos es grande (N > 500), la ganancia general puede ser muy alta (${\displaystyle g=(1+P)^{N}}$), donde electrones individuales de entrada generan miles de electrones de salida. La lectura de una señal de un CCD produce un ruido de fondo, generalmente de unos pocos electrones. En un EMCCD, este ruido se superpone a miles de electrones en lugar de a un solo electrón; por lo tanto, la principal ventaja de estos dispositivos es su ruido de lectura prácticamente nulo. El uso de la ruptura por avalancha para la amplificación de fotocargas ya había sido descrito en la patente estadounidense 3,761,744 de 1973 por George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

Los EMCCD muestran una sensibilidad similar a la de los CCD intensificados (ICCD). Sin embargo, al igual que con los ICCD, la ganancia aplicada en el registro de ganancia es estocástica y es imposible conocer la ganancia exacta aplicada a la carga de un píxel. Con ganancias altas (> 30), esta incertidumbre tiene el mismo efecto en la relación señal-ruido (SNR) que reducir a la mitad la eficiencia cuántica (QE) con respecto a la operación con una ganancia unitaria. Este efecto se conoce como factor de ruido excesivo (ENF). Sin embargo, con niveles de luz muy bajos (donde la eficiencia cuántica es más importante), se puede asumir que un píxel contiene un electrón o no. Esto elimina el ruido asociado con la multiplicación estocástica, aunque con el riesgo de contar varios electrones en el mismo píxel como si fueran uno solo. Para evitar múltiples conteos en un píxel debido a fotones coincidentes en este modo de operación, es esencial una alta velocidad de fotogramas. La dispersión en la ganancia se muestra en el gráfico de la derecha. Para registros de multiplicación con muchos elementos y grandes ganancias, la ecuación lo modela adecuadamente:

$${\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ if }}n\geq m}$$ donde P es la probabilidad de obtener n electrones de salida dados m electrones de entrada y una ganancia media total del registro de multiplicación de g . Para números muy grandes de electrones de entrada, esta función de distribución compleja converge hacia una gaussiana .

Debido a sus menores costos y mejor resolución, las EMCCD pueden reemplazar a las ICCD en muchas aplicaciones. Las ICCD aún conservan la ventaja de poder ser compuertas muy rápidas, lo que las hace útiles en aplicaciones como la imagen con compuerta de rango . Las cámaras EMCCD requieren indispensablemente un sistema de enfriamiento —ya sea mediante enfriamiento termoeléctrico o nitrógeno líquido— para enfriar el chip a temperaturas entre -65 y -95 °C (-85 y -139 °F) . Este sistema de enfriamiento incrementa los costos del sistema de imagen EMCCD y puede generar problemas de condensación. 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 baja luminosidad de los EMCCD se utilizan 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 diversas aplicaciones astronómicas que involucran fuentes de luz débiles y eventos transitorios, como la obtención de imágenes de estrellas tenues, la fotometría de conteo de fotones de alta velocidad , la espectroscopia Fabry-Pérot y la espectroscopia de alta resolución. Más recientemente, este tipo de CCD se ha introducido en el campo de la investigación biomédica en aplicaciones de baja luminosidad, incluyendo imágenes de animales pequeños , imágenes de moléculas individuales , espectroscopia Raman , microscopía de superresolución , así como una amplia variedad de técnicas modernas de microscopía de fluorescencia, gracias a una mayor relación señal-ruido en condiciones de baja luminosidad en comparación con los CCD e ICCD tradicionales.

En términos de ruido, las cámaras EMCCD comerciales suelen presentar carga inducida por reloj (CIC) y corriente oscura (dependiendo del grado de enfriamiento) que, en conjunto, generan un ruido de lectura efectivo que oscila entre 0,01 y 1 electrón por píxel leído. Sin embargo, las recientes mejoras en la tecnología EMCCD han dado lugar a una nueva generación de cámaras capaces de producir una CIC significativamente menor, una mayor eficiencia de transferencia de carga y una ganancia EM cinco veces superior a la disponible anteriormente. Estos avances en la detección de baja luminosidad resultan en un ruido de fondo total efectivo de 0,001 electrones por píxel leído, un nivel de ruido sin precedentes en ningún otro dispositivo de imagen de baja luminosidad. ^{[ 27 ]}

Debido a la alta eficiencia cuántica de los dispositivos de carga acoplada (CCD) (la eficiencia cuántica ideal es del 100 %, un electrón generado por cada fotón incidente), la linealidad de sus salidas, la facilidad de uso en comparación con las placas fotográficas y una variedad de otras razones, los astrónomos adoptaron muy rápidamente los CCD para casi todas las aplicaciones ultravioleta e infrarrojas.

El ruido térmico y los rayos cósmicos pueden alterar los píxeles del detector CCD. Para contrarrestar estos efectos, los astrónomos toman varias exposiciones con el obturador del CCD cerrado y abierto. El promedio de las imágenes tomadas con el obturador cerrado es necesario para reducir el ruido aleatorio. Una vez revelada, la imagen promedio del fotograma oscuro se resta de la imagen con el obturador abierto para eliminar la corriente oscura y otros defectos sistemáticos ( píxeles muertos , píxeles calientes, etc.) en el CCD. Los CCD Skipper más recientes contrarrestan el ruido al recopilar datos con la misma carga recolectada varias veces y tienen aplicaciones en búsquedas de precisión de materia oscura ligera y mediciones de neutrinos . ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

El Telescopio Espacial Hubble , en particular, cuenta con una serie de pasos altamente desarrollados ("canalización de reducción de datos") para convertir los datos CCD brutos en imágenes útiles. ^{[ 31 ]}

Las cámaras CCD utilizadas en astrofotografía suelen requerir monturas robustas para soportar las vibraciones del viento y otras fuentes, además del considerable peso de la mayoría de las plataformas de imagen. Para obtener exposiciones largas de galaxias y nebulosas, muchos astrónomos utilizan una técnica conocida como autoguiado . La mayoría de los autoguiadores emplean un segundo chip CCD para monitorizar las desviaciones durante la toma de imágenes. Este chip detecta rápidamente los errores de seguimiento y ordena a los motores de la montura que los corrijan.

Una aplicación astronómica inusual de los CCD, denominada escaneo por deriva, utiliza un CCD para 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 leen en una dirección paralela al movimiento del cielo y a la misma velocidad. De esta forma, el telescopio puede capturar imágenes de una región del cielo mayor que su campo de visión habitual. El Sloan Digital Sky Survey es el ejemplo más famoso, ya que utiliza esta técnica para realizar un estudio de más de una cuarta parte del cielo. El telescopio espacial Gaia es otro instrumento que opera en este modo, girando sobre su eje a una velocidad constante de 1 revolución cada 6 horas y escaneando una franja de 360° por 0,5° en el cielo durante ese tiempo; una estrella recorre todo el plano focal en unos 40 segundos (tiempo de exposición efectivo).

Además de los generadores de imágenes, los CCD también se utilizan en una variedad de instrumentos analíticos, incluidos espectrómetros ^{[ 32 ]} e interferómetros ^{[ 33 ]} .

Las cámaras digitales en color, incluidas las de los teléfonos inteligentes, generalmente utilizan un sensor de imagen en color integral, ^{[ 34 ]} que tiene una matriz de filtros de color fabricada sobre los píxeles monocromáticos del CCD. El patrón CFA más popular se conoce como filtro Bayer , que recibe su nombre de su inventor, el científico de Kodak Bryce Bayer . En el patrón Bayer, cada cuadrado de cuatro píxeles tiene un píxel rojo filtrado, uno azul y dos verdes (el ojo humano tiene mayor agudeza para la luminancia, que tiene mayor peso en el verde que en el rojo o el azul). Como resultado, la información de luminancia se recopila en cada fila y columna utilizando un patrón de tablero de ajedrez, y 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 configurado para responder a un color específico. Muchas videocámaras profesionales , y algunas 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 cámaras de vídeo y cine digital de gama alta. Otra ventaja de los 3CCD sobre un dispositivo con máscara Bayer es una mayor eficiencia cuántica (mayor sensibilidad a la luz), ya que la mayor parte de la luz de la lente entra en uno de los sensores de silicio, mientras que una máscara Bayer absorbe una alta proporción (más de 2/3) de la luz que incide en cada píxel.

Para escenas estáticas, por ejemplo en microscopía, la resolución de una máscara Bayer se puede mejorar mediante la tecnología de microescaneo . Durante el proceso de muestreo simultáneo de color , se generan varios fotogramas de la escena. Entre adquisiciones, el sensor se desplaza en dimensiones de píxel, de modo que cada punto del campo visual es adquirido consecutivamente por elementos de la máscara 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 cuadruplican, mientras que la del canal verde se duplica).

Cuando una exposición CCD es suficientemente larga, los electrones que se acumulan en los "bancos" de la parte más brillante de la imagen eventualmente desbordarán el contenedor, lo que produce un efecto de saturación. La estructura del CCD permite que los electrones fluyan más fácilmente en una dirección que en otra, lo que produce rayas verticales. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

Algunas características antiblooming que se pueden incorporar a un CCD reducen su sensibilidad a la luz al utilizar parte del área del píxel para una estructura de drenaje. ^{[ 38 ]} James M. Early desarrolló un drenaje antiblooming vertical que no restaba área de captación de luz y, por lo tanto, no reducía la sensibilidad a la luz.

• Artículo de revista sobre los fundamentos de los CCD
• Introducción a los sensores CCD en microscopía Nikon
• Conceptos en tecnología de imágenes digitales
• Más propiedades estadísticas
• Sensores L3CCD utilizados en astronomía