Uno de los componentes más importantes de nuestras cámara fotográficas es el sensor digital. Comprender cómo funciona y conocer sus características es de suma importancia para el fotógrafo profesional. Por ello en este artículo proponemos un repaso a las tecnologías que hacen posible capturar imágenes digitales.
¿Qué es el sensor de imagen?
El sensor de imagen es el componente electrónico encargado de capturar la luz que posteriormente hará posible la imagen fotográfica. Físicamente es un chip compuesto por millones de celdas sensibles a la luz, denominadas fotodiodos. Los fotodiodos funcionan gracias al efecto fotoeléctrico. Es decir: generan una carga eléctrica a partir de la luz recibida, de manera similar a como funciona una celda solar. En el caso del sensor, dicha carga eléctrica es convertida en información digital y almacenada en un píxel. El píxel (picture element) es la unidad mínima de información homogénea de color de una imagen.
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Fig. 1. Imagen de un sensor fotográfico.
¿Qué importancia tienen los megapíxeles?
El término megapíxel hace alusión a los millones de píxeles que componen la imagen digital. Un megapíxel es igual a un millón de píxeles. Entre más megapíxeles, más resolución tendrá la fotografía, lo que repercute en un mayor tamaño de impresión final. Además, más megapíxeles implica capturar más nivel de detalle en la imagen y mayor libertad para realizar recortes sin perder mucha calidad en la imagen resultante.
Es importante señalar que, contrario a lo que suele suponerse, un mayor número de megapíxeles no es necesariamente sinónimo de mayor calidad de una cámara. De hecho, hay otro elemento que tiene una mayor repercusión en la calidad de la imagen: el tamaño del fotodiodo. Un fotodiodo más grande capta más cantidad de luz de forma individual y por consiguiente es más sensible que uno pequeño. Ello hace que funcione mejor en condiciones de poca luz, brindando una mejor imagen con menor cantidad de ruido.
¿En qué influye el tamaño del sensor?
Al igual que el tamaño del fotodiodo, el tamaño del sensor tiene una gran incidencia en la calidad de la imagen fotográfica digital. Un sensor más grande permite disponer de fotodiodos más grandes, una mayor densidad de píxeles o ambos. Por ejemplo: supongamos que tenemos dos sensores con la misma cantidad de megapíxeles, pero uno tiene la mitad de tamaño que el otro. El primero tendrá fotodiodos de la mitad de tamaño que el segundo. Si igualáramos el tamaño de los fotodiodos en ambos sensores, el sensor pequeño tendría la mitad de los megapíxeles que el grande.
En la práctica un sensor grande siempre brindará mejor calidad que uno pequeño de la misma densidad de píxeles. Al capturar mayor cantidad de luz, el sensor será más sensible, comportándose mucho mejor en escenas de poca luz. También será menor la cantidad de ruido a sensibilidades altas. Y además, su rango dinámico será mayor que en los sensores pequeños.
En las cámaras digitales existen diferentes tamaños de sensores. Por ejemplo, las cámaras compactas tiene sensores muy pequeños, del orden de los 2/3” e incluso menores. En las cámaras réflex encontramos dos formatos: el APS-C (22,2 × 14,8 mm en el caso de Canon y 23,7 × 15,6 mm en el caso de Nikon) y el Full Frame (o cuadro completo, que mide 36 x 24 mm, igual a la película fotográfica clásica de 35 mm). También podemos encontrar cámaras digitales de formato medio (53.9 x 40.4 mm en el caso de Phase One).
Fig. 2. Esquema comparativo de los diferentes tamaños de sensores.
¿Qué tipos de sensores existen?
Por la tecnología utilizada en su fabricación, podemos encontrar dos tipos de sensores de imagen:
Sensores CCD: Las siglas vienen provienen de Charge-Coupled Device (en español “Dispositivo de Carga Acoplada”) y se trata de un sensor que convierte las cargas de las celdas de la matriz de fotodiodos en voltajes y entrega una señal analógica en la salida, que será posteriormente digitalizada por otro componente de la cámara. En los sensores CCD, se hace una lectura de cada uno de los valores correspondientes a cada una de las celdas. Entonces, es esta información la que un convertidor analógico-digital traduce en forma de datos digitales. En este caso, la estructura interna del sensor es muy simple, pero existe el inconveniente de la necesidad de un chip adicional que se encargue del tratamiento de la información proporcionada por el sensor, lo que se traduce en una tecnología más cara.
Sensores CMOS: También conocido como Active Pixel Sensor (APS), las siglas provienen de Complementary Metal Oxide Semiconductor. En este sensor cada celda fotoeléctrica es independiente. La diferencia principal con relación al CCD es que se incorpora un amplificador de la señal eléctrica en cada fotodiodo y es común incluir el conversor digital en el propio chip, por lo que todo el trabajo se lleva a cabo dentro del sensor y no se hace necesario un chip externo encargado de esta función. Por lo antes descrito, los CMOS son más baratos de fabricar. Sin embargo en teoría producen más ruido que sus similares CCD, debido a que cada píxel es amplificado de manera independiente y por lo tanto no se comportan uniformemente. Otra cuestión es que hay mucha electrónica en el sensor que no es sensible a la luz, por lo que en general el chip se hace menos sensible. Esta dificultad se resuelve en la práctica con el uso de micro lentes, que concentran la luz cada celda de los fotodiodos.
Fig. 3. Esquema de funcionamiento de los sensores CCD y CMOS.
Aunque en teoría es de peor calidad, la inmensa mayoría de las cámaras modernas incorporan un sensor tipo CMOS en su interior. Muchos de los inconvenientes de este tipo de sensores se han resuelto de una u otra forma, de manera que actualmente son capaces de brindar tanta o más calidad que un sensor CCD, con la ventaja de que son menos costosos.
¿Cómo se capta la imagen en color?
Es importante comprender que los fotodiodos por si mismos son incapaces de interpretar colores en una imagen. Recordemos que el color como tal no existe físicamente, sino que es una percepción visual generada en nuestro cerebro y en el de algunos animales, a partir de las diferentes longitudes de onda de la luz.
Lo anterior presupone un problema para la fotografía digital a color: al no existir el color, lo único que captan los fotodiodos son los niveles de luminosidad de la escena. Es decir, solo “ven” más o luz o menos luz, lo que en la práctica se traduce en una imagen en blanco y negro.
La solución a este problema es el mosaico de Bayer. La inmensa mayoría de las cámaras del mercado incorporan uno de estos filtros en el sensor de imagen. La función del mosaico de Bayer (cuyo nombre viene de su inventor Bryce Bayer) es hacer que a cada fotodiodo que compone el sensor solo llegue longitud de onda correspondiente a uno de los colores primarios. Los colores primarios de la mezcla aditiva son el rojo, el verde y el azul (RGB por sus siglas en inglés). El mosaico de Bayer está conformado por un 50% de filtros verdes, un 25% de rojos y un 25% de azules. Interpolando la información de cuatro fotodiodos vecinos (dos verdes, uno rojo y uno azul), según la cantidad de luz que se haya recibido de cada uno de estos colores, se obtiene un píxel de color “real”.
Fig. 4. Matriz de Bayer.
¿Es la matriz de Bayer la única solución para obtener color en las fotografías digitales?
Una de las principales limitaciones de la Matriz de Bayer es que requiere de la información de cuatro fotodiodos para generar un píxel de color. Por ello, existen alternativas interesantes al mosaico de Bayer.
Una de esas alternativas es el sensor Foveon, diseñado por Sigma. Este sensor utiliza 3 capas diferentes de fotodiodos, una para cada color primario, apiladas verticalmente, de manera similar a como se fabrica la película fotográfica en colores. También llamado sensor de imagen directa, esta tecnología registra la información de forma precisa y completa para cada píxel. No tiene filtros de color, que causan una pérdida de la información transmitida por la luz. Por lo tanto, tampoco necesita filtro de paso bajo para corregir la interferencia causada por el filtro de color. Además, los datos del sensor Foveon son completos para cada píxel y no requieren de interpolación. Este diseño repercute en una mejor calidad de imagen. Por el momento, solo Sigma tiene la patente para fabricar estos sensores. Sus detractores argumentan que este sensor es muy caro de producir, no se obtiene una gran resolución y además genera mucho nivel de ruido.
Fig. 5. Comparación del funcionamiento del sensor Foveon con la película fotográfica y el sensor digital con matriz de Bayer.
Otra tecnología alternativa es el Multi-Shot de Hasselblad. Este sistema utiliza unos motores piezoeléctricos de alta precisión que mueven físicamente el sensor en incrementos de un píxel. De esta manera, se hacen cuatro disparos para obtener en cada uno de ellos un color primario en todos los fotodiodos del sensor: un disparo para el rojo, dos para el verde y uno para el azul. Esto da como resultado un color verdadero sin interpolación y sin defectos como el efecto «moiré», habituales en la captura de disparo único, además de una mayor resolución de la imagen final. El gran inconveniente de este sistema es que las condiciones de iluminación deben ser las mismas, el objeto estático y el soporte de la cámara no debe permitir el más mínimo movimiento. Hay que subrayar que las cámaras que disponen de esta tecnología, tienen además la posibilidad de capturar imágenes a la manera convencional en un solo disparo para cuando no es posible utilizar el Multi-Shot.
¿Qué hay de nuevo en las tecnologías de sensores fotográficos?
Hace relativamente poco tiempo Sony anunció los sensores retroiluminados. Para explicar de manera sencilla como funcionan estos sensores, debemos entender que en los sensores convencionales el diseño coloca el cableado y otros circuitos no sensibles a la luz por delante de los fotodiodos. Este diseño desperdicia luz, al no llegar esta directamente a los elementos fotosensibles. La tecnología anunciada por Sony coloca estos circuitos no sensibles a la luz por detrás de los fotodiodos, de manera que se aprovecha mucho mejor la luz que llega al sensor. Ello repercute en una mayor sensibilidad y menor ruido en las imágenes. La Sony A7rII fue la primera cámara en incorporar esta tecnología en un sensor full frame.
Fig. 6. Sensor retroiluminado.
La misma empresa tecnológica anunció también el desarrollo de un sensor curvo, con la promesa de que superará la calidad brindada por los sensores planos tradicionales. De hecho, según Sony, esta tecnología duplicará la sensibilidad nativa del sensor en la zona periférica de la luz proyectada por el objetivo, y la incrementará en un factor de 1,4 en el centro. Además, estos sensores brindarán menor aberraciones cromáticas, más detalle y menos ruido.
Conclusiones:
Las tecnologías de las cámaras digitales avanzan a pasos agigantados. Para el fotógrafo profesional es vital mantenerse actualizado en las tecnologías que componen sus cámaras. Ello permitirá conocer las posibilidades y limitaciones de su herramienta de trabajo: la cámara digital.
Hasta aquí este breve artículo que publicamos cada mes. Si te interesa estudiar esta disciplina y aprender fotografía como herramienta técnica y creativa, descubre los cursos que el Instituto ha preparado para ti: www.institutoimago.com/cursos
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