Piensa que cuando nos hablan de megapíxels se corresponde con los millones de píxels (celdas) que forman parte del sensor de nuestra cámara. Por ejemplo una cámara con un sensor APS-C (aprox. 23 x 15 mm) de 20Mpx tiene 12 millones de celdas fotosensibles con un tamaño de unos 4 micrómetros (1 micrómetro es la milésima parte de 1 milímetro).
Cuando tomamos una foto, cada píxel del sensor analiza la luz que le llega: una pequeñísima parte de la imagen de la escena que queremos fotografiar.
Cada celda incluye un fotodiodo que convierte la luz en electricidad. Además incluye la electrónica necesaria para que cada elemento funcione de forma independiente y para poder leer la información de cada píxel cada vez que hacemos una foto. En la mayoría de los sensores actuales, cada celda incluye además una pequeña lente individual para concentrar la luz en la superficie sensible. ¿Imaginas el tamaño de esas micro-lentes?
Las celdas sólo pueden detectar la intensidad de la luz (número de fotones a lo largo de un determinado tiempo), no el color. Los sensores incluyen filtros que descomponen la luz en tres componentes: rojo, verde y azul. En la mayoría de los sensores se utiliza un filtro o mosaico de Bayer, de tal forma que unas celdas reciben sólo la luz correspondiente a la componente roja, otras sólo la componente azul y otras sólo la componente verde. En los sensores Foveon la distribución es diferente, pero el principio de funcionamiento es el mismo.
Cada fotodiodo (elemento fotosensible de la celda) funciona como un panel solar: recibe fotones que, al interactuar con los átomos del material, generan electrones. Es decir, convierten luz en electricidad.
Actualmente la mayoría de los sensores están basados en tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Sobre el material fotosensible se añade la circuitería, compuesta por capas de zonas aislantes (óxidos) y metal.
El método tradicional de fabricación consiste en hacer ‘crecer’ la circuitería hacia arriba sobre el sustrato de silicio, y sobre esta estructura electrónica se coloca el filtro de bayer y la estructura de micro-lentes. La parte electrónica ocupa una superficie muy pequeña pero incluso así, parte de la luz se refleja o se absorbe en estas capas y no llega al material fotosensible.
Los sensores BSI (Back-Side Illuminated sensor) se basan en un método de fabricación diferente: toda la circuitería y estructura CMOS va colocada en la parte inferior del material fotosensible. Es como si diéramos la vuelta al sensor y lo iluminamos por la parte de atrás, aunque el nombre posiblemente no es muy afortunado y suele llevar a confusión. En cualquier caso, esta estructura consigue una mejora apreciable de rendimiento, ya que no se pierden fotones en las capas superiores. Este método de fabricación es más caro y hasta ahora sólo se aplicaba a sensores de pequeño tamaño, pero a medida que se abaratan los costes va estando disponible en los sensores más grandes.
Hemos comentado que cada fotodiodo recibe una de las componentes (roja, verde o azul) pero desde el punto de vista del fotodiodo es simplemente luz (fotones), así que para los ejemplos de funcionamiento que vienen a continuación da igual si es luz blanca o filtrada. Imagina que retiramos el filtro Bayer de la parte superior y nos quedamos con una imagen en blanco y negro de la escena, donde cada celda del sensor se corresponde con un pixel de la imagen.
La celda del sensor funciona de la siguiente forma: cuando pulsamos el disparador de la cámara para hacer una foto abrimos el obturador y dejamos pasar fotones que llegan al fotodiodo. El fotodiodo los va convirtiendo en electrones, que se acumulan en un pequeño depósito (condensador). Cuando se cierra el obturador de la cámara (deja de pasar luz) cada celda del sensor tendrá un determinado nivel de electrones, en función de la cantidad de fotones que ha recibido ese trocito de la imagen.
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Si una celda no tiene electrones querrá decir que no ha recibido ningún fotón (zona oscura de la imagen). Si una celda tiene su depósito lleno de electrones se corresponderá con una zona blanca de la imagen.
La electrónica de la cámara se encarga de leer una por una todas las celdas del sensor. Y a cada uno de esos niveles le asigna un valor numérico. Por ejemplo en un sensor de 8 bits se asignará un valor entre 0 (negro) y 255 (blanco). En un sensor de 12 bits habría unos 4.000 niveles distintos para cada píxel del sensor.
Finalmente el procesador de la cámara utiliza toda esa información para generar el fichero de imagen y lo guarda en la tarjeta de memoria.
Fíjate que en el ejemplo de arriba aparecen unos electrones ‘extra’ que no se han generado a partir de los fotones, sino que se han generado por otros efectos, por ejemplo debido a efectos térmicos para simplificar.
Por el momento piensa que esos electrones invitados (ruido) son poquísimos comparados con los electrones que se han generado a partir de la luz de la escena. Más adelante los tendremos en cuenta.
Vamos a imaginar ahora que la celda representa la luz media de la escena que queremos fotografiar. Las cámaras tienen dos parámetros que permiten controlar la cantidad de luz que llega al sensor: la apertura del diafragma y el tiempo de exposición.
El diafragma es como una ventana, se puede regular para que deje pasar mucha luz o poca luz. Imagina que en la escena hay mucha luz, hay muchos fotones (ejemplos a y b), y queremos obtener un determinado nivel de ‘claridad’ en nuestra foto.
Podemos cerrar más el diafragma y dejar abierto el obturador un cierto tiempo, o podemos abrir el diafragma y abrir el obturador sólo un instante. Lo importante es el número de fotones que llegan al fotodiodo.
En los ejemplos c y d hay menos luz en la escena. Si queremos el mismo nivel de claridad tendremos que dejar más tiempo abierto el obturador para que lleguen los mismos fotones que antes.
Si dejamos abierto el obturador durante el tiempo suficiente (incluso si hay poquísima luz) llegará un momento en que todas las celdas estarán llenas. Correspondería a una foto totalmente quemada, totalmente blanca.
Se puede jugar con la apertura y el tiempo de exposición en diferentes combinaciones para dar el mismo resultado en lo que respecta a los niveles luminosidad de la foto. Cuando la escena tiene mucha luz o muy poca luz habrá combinaciones de diafragma y tiempo de exposición que no serán adecuadas (nos saldrían las fotos quemadas -sobreexpuestas- o muy oscuras -subexpuestas)
Imagina que queremos hacer una foto en una escena con muy poca luz. Si se trata de una escena estática podemos subir el tiempo de exposición (minutos, horas incluso) para que vayan entrando poco a poco los escasos fotones que hay en el exterior.
Pero si queremos fotografiar una escena en movimiento con muy poca luz tenemos un problema. Si dejamos abierto el obturador mucho tiempo la foto saldrá movida (porque la escena cambia a lo largo de ese tiempo) y si programamos un tiempo de disparo muy corto entrarán muy pocos fotones: nos quedará una foto muy oscura (subexpuesta).
Para intentar resolver estas situaciones, los fabricantes de sensores dan la opción de forzar la sensibilidad normal de las celdas. Es lo que se conoce en las cámaras como parámetro ISO. A medida que cambiamos el parámetro ISO en nuestra cámara y vamos subiendo de valor, lo que hacemos es aumentar un factor de multiplicación interno.
Aunque en el ejemplo hemos dibujado una única celda, el efecto multiplicador se aplica a todas las celdas a la vez. Es decir se ‘amplifica’ la luz de toda la escena, pero no por métodos ópticos sino por métodos electrónicos. Se hace un escalado de los valores de cada celda.
¿Te acuerdas de los electrones invitados que habíamos comentado más arriba?. Sí, seguro que ya sospechabas que tendrían un papel en esta historia, y es el papel de ‘malos de la película’.
En el proceso de captar una imagen aparecen varias fuentes de ruido: ruido fotónico, ruido térmico, ruido de muestreo en los convertidores analógico/digital, etc. Simplemente hay que quedarse con la idea de que se van a generar electrones que no tienen nada que ver con la información de la escena.
Cuando llegan al sensor muchos fotones, la relación entre la información y el ruido es muy alta (la cantidad de ruido es despreciable con respecto a la cantidad de señal o información). Cuando llegan pocos fotones de la escena la cantidad de ruido es proporcionalmente más grande.
¿Qué ocurre cuando forzamos la sensibilidad (ponemos un ISO alto)?. Pues que multiplicamos la información que nos llega de la escena, pero también multiplicamos el ruido. Si la proporción entre señal (información) y ruido no es despreciable, al amplificar todo (señal + ruido) estamos haciendo más visible esa proporción. A medida que subimos ISO las imágenes resultantes aparecerán cada vez más granuladas.
Ten en cuenta que subir ISO no genera ruido, el ruido ya estaba allí. Lo que hacemos al subir la sensibilidad de forma ‘artificial’ es que el ruido se hace más evidente con respecto a la información útil de la escena.
Fuente: http://quecamarareflex.com/como-funciona-el-sensor-de-una-camara-digital/
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