La astronomía fue uno de los campos científicos que espolearon el desarrollo de la tecnología electrónica que llevaría a los sensores digitales, en astronomía una cuestión crucial es la cantidad de luz que recibimos de un objeto distante. Hay que conseguir a toda costa aprovechar cada fotón que nos llega del objeto. Las dos vías que se abrieron ante este problema fueron, por un lado, conseguir más luz, esto es, construir instrumentos de más diámetro (telescopios más grandes) o aprovechar mejor cada fotón capturado. Los detectores digitales llegaron por esta segunda vía, ya que actualmente un sensor de este tipo aprovecha el 70% de los fotones que nos llegan frente al 2% que aprovechan las emulsiones fotográficas anteriores.
El primer sensor fotográfico digital que apareció fue el sensor CCD, y fue inventado por Willard Boyle y George E. Smith en 1969 en los laboratorios AT&T Bell, ganadores del premio Nobel de física por este descubrimiento en 2009. Consistió en un sistema de lectura de carga de una serie de fotodiodos que, al incidirle luz, por efecto fotoeléctrico, lo transformaba en carga eléctrica. Estos fotodiodos están dispuestos en celdas, llamadas pixeles, dispuesta en una matriz bidimensional. El dispositivo CCD lee la carga acumulada en cada pixel línea a línea, mediante dos procesos, el primero, transformando la carga del pixel en señal de voltaje analógico y posteriormente con un conversor analógico/digital (A/D) a señal digital. Si el convertidor está después del conversor de señal, estamos en la CCD convencional, pero si cada pixel tiene su propio conversor, estamos ante su competidor el CMOS.
 Williard Boyle |
 George E. Smith |
Los primeros en desarrollarse fueron los CCD, y tuvieron ventaja al principio porque la celda o pixel se dedicada exclusivamente al fotodiodo, consiguiendo mayor captación de luz y al no poseer electrónica en cada celda su relación señal-ruido era muy alta, pero tienen un gran inconveniente, que su tecnología de fabricación es distinta a la de los microchips. Las ventajas iniciales se fueron acortando a medida que la miniaturización hizo posible incrustar electrónica en cada pixel sin alterar en demasía las propiedades de captación y relación señal-ruido. De este modo la tecnología de los sensores de luz digitales se puede aprovechar de los avances de la microelectrónica, por lo que se le augura mayor futuro a los CMOS frente a los CCD.
Los píxeles al principio solo detectaban luminancia, es decir, cantidad de luz, lo que daba como resultado imágenes en escala de grises. El color se incorporó posteriormente triplicando cada pixel, interponiendo a cada parte un filtro de color azul, verde y rojo, y obteniendo así el color de la imagen mediante el valor de intensidad de cada color primario.
Las CCD en color revolucionaron la fotografía astronómica, al tomar imágenes prácticamente como las vería un ser humano, y se siguen utilizando tanto en la astronomía para aficionados como en la profesional, pero se ha quedado restringida a la fotografía estética. Para la extracción de datos científicos se ha vuelto a utilizar la CCD monocromática en el campo llamado fotometría. La fotometría consiste en la medición de la cantidad de luz que nos llega del objeto en diferentes longitudes de onda. Para ello se establecen unos filtros patrón, que se interponen a la CCD y se toman medidas para cada filtro. Un conjunto de filtros forman un sistema fotométrico y sus valores nos darán información científica.
Existen varios sistemas fotométricos, entre los que destacan el sistema de Johnson-Cousins o UBVRI, para análisis estelar, el WFPC2 del telescopio espacial Hubble o el sistema Sloan (SDSS), dedicado más a astronomía galáctica. Fuera del espectro visible está también los sistemas fotométricos del infrarrojo, entre los que destacan el UKIDSS o el 2MASS.
Comparación de varios sistemas fotométricos
Para la fotografía visual se ha impuesto últimamente los filtros de banda estrecha, gracias fundamentalmente al telescopio espacial Hubble, que utiliza en su paleta 3 filtros de banda estrecha (el H-alfa, OIII y SII).
Para mejorar la eficacia de estos detectores se les hace funcionar en frío. En aficionados esto se consigue introduciéndolos en una carcasa que tenga un sistema de enfriamiento, por ejemplo, un módulo Peltier, y para los detectores profesionales sumergiendo dicha carcasa en nitrógeno líquido. Esto consigue disminuir el ruido térmico y se aprovecha su carácter digital para mejorar su señal restándole digitalmente a la imagen las tomas bias, flats y darks y todo el procesado informático habitual.
Las longitudes de onda a los que los CCD y CMOS son sensibles abarcan desde los 360 mm a los 900 mm. todo el rango visible incluyendo la parte alta del infrarrojo y la parte baja del ultravioleta, con la máxima eficiencia sobre los 620 mm, el tono amarillo-naranja.
Uno de los sensores CCD más grandes construidos es el situado en la sonda espacial Gaia, su CCD consta de 1966 x 4500 = 8847000 pixeles, midiendo 6 x 4.72 cm. Su detector completo consta de 106 CCD como éste, abarcando un área total de 42,3 x 104,3 cm. ≈ 938 millones de pixeles.