Sensor de imagen en una cámara digital

Para entender cómo funciona un sensor imagina que el sensor es la pantalla de un cine.

Como ocurre en un cine, el interior de la cámara está totalmente oscuro y la imagen del exterior (escena) se proyecta gracias a las lentes del objetivo sobre la superficie del sensor.

El sensor está formado por millones de celdas individuales y cada celda sólo ‘ve’ una porción muy pequeña de la escena.

Cada celda es como un pequeño panel solar que transforma los fotones que le van llegando en electrones y los almacena en un depósito interno.

Si esa porción de la escena es muy brillante, entonces a la celda correspondiente le llegarán muchos fotones por segundo.

Si la porción que le ha tocado de la escena es muy oscura, le llegarán pocos fotones por segundo.

¿Cómo es el proceso de hacer una foto?

Primero se evalúa la escena para estimar la cantidad de luz que va a recibir el sensor.

Se tapa el sensor para que no reciba nada de luz y se vacían todos los depósitos de todas las celdas (es como hacer un reset).

Abrimos la entrada de luz, por ejemplo levantando el obturador mecánico (una cortina opaca frente al sensor)

Cada celda hace su trabajo convirtiendo fotones en electrones y almacenándolos en su depósito.

Pasado un tiempo cerramos la entrada de luz (bajamos la cortinilla).

En el sensor nos ha quedado congelada una representación de la escena. Cada celda tiene una cantidad de electrones proporcional al brillo / luminosidad de la porción de la escena que le correspondía.

La electrónica integrada en el sensor lee la información de cada celda (es como medir un voltaje)

Como esos voltajes representan la información de la imagen, se suele hablar de señal eléctrica o simplemente señal.

Esa señal de cada celda es analógica, cada valor puede tener muchos decimales por decirlo de alguna forma.

Una vez procesada, la señal analógica se convierte en digital. Es decir, cada uno de esos valores con decimales se convierte en un valor entero.

Esos valores enteros se eligen de tal forma que el mínimo (cero) correspondería con una celda que no ha recibido ningún fotón (totalmente negro), mientras que el máximo (p.e. 255) correspondería con una celda que ha conseguido llenar completamente su depósito de electrones.

A partir de ese momento la señal pasa a ser digital (números enteros) y cualquier procesamiento posterior es siempre trabajando con esos números.

El procesador de la cámara se encarga de coger toda esa información (de todas y cada una de las celdas) y genera una imagen: un fichero de datos que contiene la información de luminosidad y color de cada punto (pixel).

Características importantes de un sensor

Tamaño del sensor

¿En qué influye el tamaño del sensor?

• Sensores más grandes suelen tener mejor rendimiento con poca luz y mejor rango dinámico
• El tamaño del sensor determina la geometría y tamaño de los objetivos
• El tamaño del sensor influye en el ángulo de visión (factor de recorte de sensores pequeños)
• Profundidad de campo

Tamaños de sensores de cámaras fotográficas y móviles

Resolución (Mpx)

Es el número de celdas del sensor.

Es también aproximadamente el número de puntos que tendrá la imagen resultante.

A partir de 12-14 Mpx (millones de pixel) suele ser suficiente para la mayor parte de los usos y para imprimir las fotos en papel a tamaños medios (póster, cartel…)

ISO y comportamiento respecto al ruido

El valor ISO se podría decir (a modo de analogía) que equivale a regular la sensibilidad del sensor.

A ISO base la cámara utiliza como referencia la medida del número real de fotones que llega a cada celda y utiliza toda la escala (rango dinámico teórico).

Subir ISO equivale a amplificar la señal eléctrica (o reducir la escala de referencia).

Subir ISO no afecta a la cantidad de luz (número de fotones) ni a la sensibilidad del material fotosensible.

La imagen resultante aparecerá con más brillo, con más luminosidad, pero partiendo del mismo número de fotones.

Normalmente se sube el valor de ISO para compensar el hecho de que no hay luz suficiente en la escena para conseguir la velocidad de obturación deseada.

Como los fotones ‘transportan’ la información de la escena, subir ISO normalmente implica crear la imagen final a partir de menos fotones, con menos información.

Por debajo de un cierto nivel de información (relación señal a ruido) pueden llegar a ser perceptibles los efectos del ruido en la imagen resultante.

El ruido se percibe en la imagen como granulado y puntos de color que no corresponden exactamente con la tonalidad de la escena

Dependiendo de varios factores como la tecnología del sensor, su tamaño, la densidad de celdas… el comportamiento en ruido y en ISOs altos será diferente entre unos sensores y otros.

Rango dinámico

El rango dinámico de un sensor es su capacidad para recoger en una misma escena toda la información posible tanto de las zonas más iluminadas como de las zonas más oscuras.

En el mundo real el rango dinámico puede ser bastante mayor que el que pueden recoger las cámaras.

Rangos dinámicos iguales y superiores a 12 EV (pasos de luz) en una cámara son excelentes y cubren la mayor parte de las situaciones que podamos encontrar en fotografía y vídeo.

El rango dinámico suele estar limitado por el ruido, por lo tanto sensores más grandes y con tecnología más actual suelen tener un rango dinámico un poco mayor.