Sensores para cámaras digitales DSLR

La calidad o resolución de la imagen final -fotografía- de la cámara de fotografía digital en parte -o en mucho- dependerá del tipo de sensor digital que posea nuestra cámara. Hoy vamos a conocer mejor esta importante parte de la cámara de fotografía.

Sensores digitales.

Sabemos bien que no todas las cámaras digitales son exactamente iguales, las hay de muchas formas, tamaños y hasta colores. Las podríamos agrupar para entenderlas un poco mejor,  las hay:

1. Cámaras compactas de apunte y dispare.
2. Cámaras compactas avanzadas de apunte y dispare.
3. Cámaras de enfoque manual sin espejo (Lentes intercambiables).
4. Cámaras de visor reflex directo o DSLR (Lentes intercambiables).

Usted tal vez recuerda las cámaras de película que usábamos hace un tiempo y que tenía una puerta pequeña en la parte posterior que servía para sacar chasis de rollos de película de 35mm. ahora en lugar de un rollo de película se coloca en ese lugar un sensor digital y se le ha quitado la puerta, ahora allí hay una pantalla rectangular de cristal líquido a todo color -LCD- que nos permite ver en el instante lo que hemos fotografiado y para pre visualizar lo que vamos a tomar.

Los sensores son chips con millones de componentes fotosensibles llamados "picture elements" que son la unidad mínima de la imagen digital(píxel), se trata de pequeños puntos con forma de cuadros o en algunos casos octágonos que reciben la imagen que envía el objetivo - tubo que contiene las lentes- y que se suelen calcular en grupos de megapíxeles (1 millón de píxeles). Cuanto mayor es el tamaño de los píxeles obtendremos mayor sensibilidad a luz, también una mejor calidad de la imagen. En general, los sensores digitales están formados por millones de elementos fotosensibles, como fotodiodos o fototransistores, que capturan la luz y la transforman en señales eléctricas.

En 1974 el primer CCD de formato 100×100 fue lanzado al mercado por Fairchild Electronics y su uso en cámaras profesionales de TV llegó en 1975. Hoy junto con los sensores CMOS comparten el creciente mercado de la fotografía digital, aunque su desarrollo es anterior a los CCD surgieron ambos durante los años sesentas, sin embargo fue hasta los años noventas que los CMOS empezaron a ser tecnológica y económicamente viables tras los avances logrados en los laboratorios de la NASA. La industria de la cámaras de fotografía digital trabaja con al menos 4 tipos de sensores digitales:

1. CCD (charge-couple device) Dispositivo de carga acoplada.
2. Súper CCD.
3. CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor).
4. Foveon X3.

Existe variedad de patrones de sus diseños.

1. Un CCD siglas en inglés de charge-coupled device o dispositivo de carga acoplada es un chip que contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. Están formados por una matriz de fotodiodos, que son dispositivos que convierten la luz en una señal eléctrica. Cuando la luz incide en un fotodiodo, este genera una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz. Esta carga se acumula en el fotodiodo hasta que se lee. 

El funcionamiento de los sensores CCD se puede dividir en tres etapas principales. Captura de luz: Cuando la luz incide en un fotodiodo, un fotón puede excitar un electrón de la banda de valencia del semiconductor a la banda de conducción. Este electrón se libera del átomo y queda libre en el semiconductor. Acumulación de carga: Los electrones libres se acumulan en el fotodiodo, formando una carga eléctrica. La cantidad de carga acumulada es proporcional a la intensidad de la luz que incidió en el fotodiodo. Lectura de la carga: La carga acumulada en los fotodiodos se lee mediante un proceso llamado "escaneo". En este proceso, la carga se transfiere de un fotodiodo a otro, hasta que llega al final de la matriz. Allí, la carga se convierte en una señal digital que se puede almacenar o transmitir.

Los primeros dispositivos CCD fueron desarrollados por Williard Boyle y George Smith el 17 de octubre de 1969 en los Laboratorios Bell, ambos galardonados con el premio Nobel de Física en 2009 por este invento. Bajo el control de un circuito interno, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno o a varios de los condensadores que estén a su lado en el circuito impreso. Los píxeles del CCD registran gradaciones de los tres colores básicos "RGB", del inglés Red, Green, Blue por lo cual tres píxeles, uno para cada color, forman un conjunto de células fotoeléctricas capaz de captar cualquier color en la imagen. Para conseguir esta separación de colores la mayoría de cámaras CCD utilizan una máscara de Bayer que proporciona una trama para cada conjunto de cuatro píxeles de forma que un pixel registra luz roja, otro luz azul y dos píxeles se reservan para la luz verde (el ojo humano es más sensible a la luz verde que a los colores rojo o azul). El resultado final incluye información sobre la luminosidad en cada píxel pero con una resolución en color menor que la resolución de iluminación. Se puede conseguir una mejor separación de colores utilizando dispositivos con tres CCD acoplados y un dispositivo de separación de luz como un prisma dicroico que separa la luz incidente en sus componentes rojo, verde y azul.

En general entre las cualidades a destacar tenemos que los sensores CCD son más sensibles a la luz, lo que permite capturar imágenes con menos ruido. También tienen un rango dinámico más amplio, lo que significa que pueden capturar imágenes con un mayor contraste. Además, son más eficientes energéticamente, lo que los hace adecuados para aplicaciones de consumo.

Matriz clásica de los colores básicos RGB o RVA.

2. Súper CCD. En enero de 2003 el fabricante japonés Fujifilm, anunció la cuarta generación de sensores SuperCCD en dos variaciones: SuperCCD HR y SuperCCD SR. HR viene de "High Resolution" (alta resolución) y SR de "Super Dynamic Range" (rango súper-dinámico). Algunas ventajas de estos sensores: En primer lugar, tienen una resolución horizontal y vertical más alta, lo que permite capturar imágenes más detalladas. En segundo lugar, tienen una mayor sensibilidad a la luz, lo que permite capturar imágenes con menos ruido. En tercer lugar, tienen una mejor reproducción del color, lo que permite capturar imágenes con colores más precisos. El sensor SR tiene dos fotodiodos por elemento fotosensible lo cual permite generar una mayor gama de luminancia desde el negro hasta el blanco (rango dinámico). El Súper CCD utiliza una geometría de píxeles octogonal en lugar de rectangular y presenta una mayor superficie fotosensible al aprovechar mejor el área que los CCD dedican al cableado entre elementos fotosensibles permitiendo que exista mayor área disponible para la recolección de la información entrante. En 2008 lanzaron el Super CCD EXR.

3. Sensores CMOS-APS Estructuras semiconductoras-óxido-metal complementarias. Es un sensor que detecta luz basado en la tecnología CMOS,  de allí que también reciben este nombre comúnmente. Esta tecnología de la NASA les permite controlar la luminosidad, el contraste, convertir señal análoga a digital, hoy día también se utiliza en cámaras DSLR de fabricantes japoneses como Canon, Sony, Nikon, Pentax y Sigma pues no sólo superan en luminosidad a los sensores CCD, sino que también producen menos ruido digital.

Destacan entres sus ventajas: En primer lugar, son más baratos de fabricar, lo que los ha hecho más asequibles para los fabricantes de cámaras. En segundo lugar, consumen menos energía, lo que los hace más adecuados para dispositivos portátiles. En tercer lugar, son más eficientes en términos de potencia, lo que permite capturar imágenes más rápido.

En 2011 Fujifilm lanzó el sensor EXR CMOS diseñado para trabajar en condiciones de luz crítica y el mínimo de ruido digital sin el uso de flash.

Sensor EXR CMOS y Procesador EXR de Fuji.

4. Sensores Foveon X3. Se trata de una versión mejorada del anterior chip  formado por tres capas apiladas verticalmente: cada elemento de la matriz del sensor está formado por tres capas cada una de las cuales es sensible a uno de los colores primarios RGB, las ventajas que sobresalen de éstos son la reducción de partes adicionales, la obtención de un color más real y un detalle de texturas más afinado. 

Los sensores Foveon X3 fueron inventados por la empresa estadounidense Foveon, Inc. en la década de 1990. Estos sensores se basan en un diseño diferente al de los sensores CCD o CMOS tradicionales. En lugar de usar un filtro de color para separar la luz en sus componentes rojo, verde y azul, los sensores Foveon X3 tienen tres capas de fotodiodos, cada una sensible a un color diferente. La capa superior del sensor Foveon X3 es sensible a la luz azul. La capa intermedia es sensible a la luz verde y la capa inferior es sensible a la luz roja. Esto permite que los sensores Foveon X3 capturen más información sobre la luz que los sensores CCD o CMOS tradicionales.

Como desventaja el sensor Foveon X3 tiene una alta producción de ruido en fotografías de exposiciones largas. Al contrario de los otros, estos sensores igualan las variaciones entre luminosidad y crominancia, sin sacrificar la segunda. Todavía a principios del año 2010 las únicas cámaras fotográficas DSLR que se esquipaban con el sensor Foveon X3 fueron las Sigma DS14,  y ahora su joya de 46 megapixeles la SD1. 

Sensor digital de última generación usado por Lumix Panasonic.

Ahora que conoces mejor uno de los principales factores que contribuye a definir la buena calidad de las imágenes digitales de la cámara podrás evaluar mejor tu próxima nueva cámara digital. Comparte con tus amigos de las redes sociales este artículo, o bien regálanos un LIKE en el botón que está abajo.

Que estés bien

El autor de este post es publicitario, creativo y productor audiovisual y ha incursionado exitosamente como docente universitario para el Instituto de Mercadotecnia y Publicidad de México, así como en la UNITEC en Honduras desde hace más de veinte años. Es asesor publicitario independiente, redactor de artículos sobre publicidad, conferencista y blogger.