Qué hay dentro de una cámara digital: el Sensor de Imagen

Cuando alguien nos muestra su cámara fotográfica digital y les habla de los muchos megapíxeles, el CCD de tecnología extraterrestre, las 500,000 ISO que tiene o el lente zoom 20-500 que pesa tanto, que necesita tres egipcios para transportarlo, muchas veces no tenemos claros todos los conceptos que están involucrados en esos datos. Lo mismo pasa cuando queremos renovar (o comprar la primera) cámara, donde nos perdemos en un mar de especificaciones que finalmente logran que terminemos comprando la cámara con la caja más bonita o con la promotora más rubia. Hoy nos meteremos dentro de una cámara digital, revisando los distintos componentes que hay dentro de ella y como funcionan. En el primer «capítulo» de esta serie, conoceremos al SENSOR.

Haciendo la analogía con el ojo humano, el sensor de una cámara digital es como la retina; encargado de recibir la imagen tras su paso por el diafragma (la pupila) y el juego de lentes (el cristalino) para luego entregar la imagen «bruta» al procesador de imagen (el cerebro).

La mejor tecnología en sensores de imagen son los CMOS y reciben el nombre APS por sus siglas en inglés que significan sensor activo de pixeles. Este sensor tiene un fotosito en cada pixel que traduce la intensidad lumínica en una corriente eléctrica que luego se amplifica y sale del sensor hacia el procesador de imagen. Sus principales ventajas respecto a otras tecnologías de sensores de imagen radican en que produce un menor nivel de ruido en las imágenes, su consumo eléctrico es menor y es más barato de fabricar. La desventaja es que no pueden alcanzar una densidad de pixeles tan alta como sensores de otro tipo, por lo que a altas resoluciones el precio se dispara.

Los sensores CMOS se utilizan o en cámaras pequeñas como las de teléfonos celulares (por su bajo consumo eléctrico) o en DSLR. En la actualidad hay solo una cámara no-reflex que incorpora un sensor CMOS y es la Canon SX1IS. Otra desventaja es que debido a la circuitería interna de cada pixel éstos captan menos luz que otros tipos de sensor. Esto es remediado usando microlentes que absorben la luz que se pierde y la redirigen al pixel en cuestión, por lo que este «mal necesario» encarece el precio de una cámara con tecnología CMOS.

Como los sensores de tipo CMOS no podían dar una resolución suficiente como para siquiera competir con película de 35mm en la época donde tener un módem de 14.4 era lo máximo en tecnología los fabricantes de cámaras pusieron a trabajar a sus equipos de R&D en otras alternativas y se llegó a CCD, el sensor de imagen más popular, querido y odiado hasta ahora. Funcionan casi igual que un sensor CMOS, exceptuando que al momento de amplificar la información lumínica del pixel ésta es amplificada fuera del pixel, por lo que requieren de mayor circuitería y su costo de fabricación es más elevado. Otra razón por la que algunos critican los sensores CCD es que -a diferencia de los sensores CMOS- éstos son análogos y no digitales, algo que deja muy disconforme a quienes gustan de exigirle el 110% a su cámara.

Debido a su alta densidad de pixeles son el caballo de batalla ideal para la guerra de los megapixeles, estando presente en todas las cámaras digitales, partiendo por las modestas Compactas hasta llegar a las mas encarecidas Semipro y una gran parte del mercado de Reflex digitales.

Con el tiempo defensores asérrimos de cada tecnología aparecieron librando titánicas batallas al más puro estilo Mac vs PC, Intel vs AMD, NVIDIA vs Ati o Canon vs Nikon, pero hubieron quienes vieron mas allá del odio mutuo entre cada bando y eligieron amar en vez de odiar. Es así como -fruto del amor prohibido entre ambas tecnologías- nació Live MOS, un sensor de imagen que promete ser tan bueno como CCD pero consumiendo lo mismo que CMOS.

Ahora que sabemos como se llama cada sensor, el tema siguiente es como diablos hace para aparte de vez la luz, ver los colores (porque los tres tipos de sensor no son capaces de distinguir colores, sólo intensidad lumínica). Los métodos más populares de separación del color son tres. De mayor a menor popularidad tenemos:

• Filtro Bayer
• 3 CCD
• Foveon X3

El filtro Bayer es el más populat y además el más barato de implementar. Consiste en que se le coloca un filtro de color a cada pixel en el siguiente patrón:

Si se fijan con detenimiento podemos ver que hay un 50% de pixeles verdes, un 25% de azules y un 25% de rojos. La razón de ésto es que el ojo humano es sensible mucho más al color verde, por lo que un paso lógico es darle mayor importancia a dicho color por sobre los demás. Luego de capturar la imagen por algoritmos de interpolación se obtienen los valores totales para el Rojo, Verde y Azul, o sea, algo así:

Lo que, despues de unirse gracias al procesador de imagen, nos dará algo así:

La desventaja de esto es que la interpolación nos da errores de imagen conocidos como aberraciones cromáticas. En palabras simples son colores que no debieran existir ahí. Para contraarrestar eso se implementó una solución poco eficiente en cámaras de video llamada 3 CCD. Como su nombre lo indica, utiliza 3 sensores CCD, uno para cada color y un prisma que separa la luz en sus tres colores primarios.

Como esa solucion era imposible para el mercado de cámaras digitales Foveon (empresa recientemente comprada por SIGMA) desarrolló en sensor Foveon X3. Un sensor de imagen que incluye 3 capas de pixeles, una para cada color. Esta tecnología es el santo grial de la imagen digital ya que es 100% equivalente con la calidad que puede entregar una película de 35mm.

Imagen Cortesía de Foveon.

El único inconveniente es que el sensor es de una densidad de pixeles muy baja. A modo de ejemplo podríamos decir que en vez de tener un sensor de 9000×6000 pixeles tenemos uno de 3000×2000 pixeles x3 (1 para cada color primario) y que -lamentablemente- la cámara interpola la imagen para hacernos creer que tenemos la misma cantidad de pixeles que en un sensor equivalente usando el filtro Bayer. Lamentablemente esta tecnología es otra víctima de la guerra de los Megapixeles.

Como último punto, no todo es CCD vs CMOS o el X3 de Foveon pateando en el suelo a un pobre sensor utilizando un filtro Bayer. También existe algo llamado Densidad de Pixeles que no tiene otro significado más que indicar de qué tamaño es cada pixel en el sensor.

Alguna vez se han preguntado por qué esa superzoom que compraste de casi 500 dólares no captura imágenes tan buenas como las de esa vieja reflex de hace 2 años? Es porque el tamaño del sensor de una reflex es muchísimo más grande que el de una compacta. Pixeles mas grandes significan menos ruido y la posibilidad de capturar la misma imagen con la misma cantidad de luz pero usando una velocidad de obturación mas rápida o menos apertura.

En el gráfico anterior tenemos de una manera muy ilustrativa el tamaño de un sensor. 2/3″ es el tamaño más común para un sensor de cámara compacta. Una réflex con un sensor diminuto tiene un sensor 4/3″ que ya es un 400% de aumento en el área de imagen y para qué hablar del común en Canon y Nikon que son los que aparecen en rojo y azul llamados APS-C. Las cámaras tope de gama de diversos fabricantes como Canon, Nikon o Sony usan un sensor Full Frame, que tiene el mismo tamaño que una película de 35mm, o sea, 24x36mm.

Eso es todo por hoy. Los dejo invitados nuevamente a pasearse por el grupo en flickr donde hay unas fotos bastante interesantes o por el foro donde pueden leer uno de los nuevos tutoriales para lightroom, esta vez, de la mano de Excidium.

¿Algo que quieran ver explicado acá? ¡Hágannos saber en los comentarios!

Fuentes: 1, 2, 3, 4, 5