Los Sensores Fotográficos
Artículo perteneciente al curso de Fotografía desarrollado por THT Entretenimiento.
Imagen de un sensor CMOS generada con Leonardo AI.
El sensor fotográfico es un componente esencial en las cámaras digitales que se encarga de capturar la luz y convertirla en información digital. Es el equivalente digital del rollo fotográfico o película fotográfica en las cámaras análogas. El sensor fotográfico reemplaza al rol que desempeñaba el material fotosensible en las cámaras tradicionales, ya que en lugar de utilizar químicos para registrar la imagen, utiliza una matriz de fotodiodos o fototransistores.
El sensor fotográfico está compuesto por millones de píxeles, que son pequeños elementos fotosensibles capaces de detectar y medir la cantidad de luz que incide sobre ellos. Cada píxel registra un valor numérico que representa la intensidad de la luz en esa posición específica de la imagen.
Pero antes, ¿cuál es la historia de los sensores fotográficos? Pues ésta se remonta a los primeros días de la fotografía. Desde las cámaras oscuras hasta las cámaras digitales de alta tecnología de hoy en día, los avances en los sensores han jugado un papel crucial en la evolución de la fotografía.
En los primeros días de la fotografía, no existían sensores fotográficos como los conocemos hoy en día. En su lugar y como ya lo hemos mencionado en el artículo sobre la historia de la fotografía, se utilizaban placas o películas fotográficas para capturar la luz que entraba a través del objetivo de la cámara y se exponía a la película que contenía una emulsión sensible a la luz. La exposición creaba una imagen latente en la película, que luego se revelaba y se fijaba para producir una fotografía física.
Negativo realizado con la técnica del calotipo y su imagen en positivo.
A finales del siglo XIX, se introdujeron las primeras fotocélulas, que fueron precursoras de los sensores fotográficos modernos. Estas células fotosensibles, que se basaban en principios fotovoltaicos, podían detectar la luz y generar una pequeña corriente eléctrica en respuesta a ella. Sin embargo, estas fotocélulas tenían limitaciones técnicas y no se usaron ampliamente en fotografía.
El gran avance en la historia de los sensores fotográficos ocurrió en la década de 1960 con la invención del dispositivo de carga acoplada (CCD) por parte de los ingenieros Willard Boyle y George E. Smith. Los CCD se basaban en la transferencia de cargas eléctricas en un chip de silicio. Estos sensores permitieron la conversión de la luz en señales eléctricas y la captura de imágenes digitales.
En la década de 1990, los sensores CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario) empezaron a ganar popularidad. Estos sensores utilizan una matriz de fotodiodos y transistores integrados en el chip del sensor para capturar y procesar la luz. A diferencia de los CCD, los sensores CMOS permitían una mayor integración de funciones en el mismo chip y consumían menos energía, lo que los hacía más eficientes y asequibles.
En las cámaras DSLR, el sensor se encuentra protegido por el espejo del sistema reflex.
Tipos de sensores fotográficos utilizados en cámaras digitales
1. Sensor CCD (Dispositivo de Acoplamiento de Carga):
Los sensores CCD fueron los primeros en utilizarse en cámaras digitales. Están compuestos por una matriz de celdas fotosensibles, dispuestas en filas y columnas. Cada celda convierte la luz en una carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz recibida. Las cargas eléctricas se transfieren secuencialmente a través de una estructura de almacenamiento y se leen mediante convertidores analógico-digitales. Algunas características clave de los sensores CCD son:
• Calidad de imagen: Los sensores CCD ofrecen una alta calidad de imagen, con buen rendimiento en términos de reproducción del color y menor ruido en condiciones de poca luz.
• Consumo de energía: Los sensores CCD consumen más energía que los CMOS, lo que puede afectar la duración de la batería.
• Velocidad de lectura: La lectura de datos en los sensores CCD es más lenta en comparación con los CMOS, lo que puede limitar la velocidad de disparo continuo.
Sensor CCD.
2. Sensor CMOS (Semiconductor de Óxido de Metal Complementario)
Los sensores CMOS se han convertido en los dominantes en el mercado de las cámaras digitales modernas. Estos sensores están compuestos por una matriz de fotodiodos y transistores integrados en el chip del sensor. Cada fotodiodo captura la luz y se convierte en una carga eléctrica. Los transistores integrados en cada píxel amplifican y transfieren la señal al procesador de la cámara. Entre las características más destacadas de los sensores CMOS se encuentran:
• Consumo de energía: Los sensores CMOS consumen menos energía que los CCD, lo que permite una mayor eficiencia energética y una mayor duración de la batería.
• Velocidad de lectura: Los sensores CMOS ofrecen una lectura más rápida de datos, lo que permite disparos continuos más rápidos y mejores capacidades de grabación de video.
• Calidad de imagen: Los sensores CMOS tienen una calidad de imagen sólida, aunque generalmente muestran un mayor nivel de ruido en condiciones de poca luz en comparación con los CCD.
• Costo: Los sensores CMOS son más económicos de producir en comparación con los CCD, lo que contribuye a la popularidad y disponibilidad de cámaras digitales más asequibles.
Sensor CMOS.
3. Otros tipos de sensores
Además de los CCD y CMOS, existen otros tipos de sensores fotográficos más especializados y menos comunes, entro lo que se encuentran:
• El Sensor Foveon X3 desarrollado por la compañía Foveon Inc., utiliza una tecnología revolucionaria para capturar imágenes. A diferencia de los sensores tradicionales, el sensor Foveon X3 mide la luz en tres capas separadas dentro de cada píxel, en lugar de usar filtros de color. Esto permite una reproducción de color más precisa y una mayor nitidez en los detalles finos. Los sensores Foveon X3 son utilizados en cámaras Sigma, especialmente en su serie de cámaras compactas y réflex digitales.
• Los sensores BSI (Back Side Illumination) o de iluminación trasera, son una variante de los sensores CMOS en los que la disposición de los circuitos se invierte. En los sensores BSI, los fotodiodos se colocan en la parte posterior del chip, permitiendo que la luz incida directamente sobre ellos sin obstrucciones. Esto mejora la sensibilidad a la luz y la calidad de imagen, especialmente en condiciones de poca luz. Los sensores BSI se utilizan principalmente en cámaras de teléfonos inteligentes de gama alta y en algunas cámaras compactas.
• El sensor SuperCCD, desarrollado por Fujifilm, utiliza una disposición de píxeles única que permite una mayor eficiencia en la captura de luz. En lugar de tener una forma de mosaico regular, los píxeles del sensor SuperCCD están dispuestos en forma hexagonal, lo que permite un mejor aprovechamiento del espacio y una mayor sensibilidad a la luz. Esto se traduce en una mejor calidad de imagen y una mayor capacidad para capturar detalles en sombras y altas luces. Los sensores SuperCCD se utilizan en varias cámaras Fujifilm, especialmente en su serie X.
• Los sensores de espectro completo, también conocidos como sensores infrarrojos, son capaces de capturar una amplia gama de luz, incluyendo el espectro visible y el infrarrojo. Estos sensores se utilizan principalmente en aplicaciones científicas y artísticas como la fotografía astronómica, la fotografía forense y la fotografía artística creativa. Los sensores de espectro completo requieren modificaciones especiales en la cámara para filtrar la luz de manera adecuada y aprovechar todo el rango espectral.
• Los sensores de luz polarizada son capaces de medir la polarización de la luz, lo que permite capturar imágenes con información adicional sobre la dirección y la intensidad de la polarización. Estos sensores se utilizan en aplicaciones científicas y técnicas, como la fotografía de materiales polarizadores y la fotografía de insectos.
Tamaños de los sensores fotográficos
El tamaño de los sensores fotográficos se refiere a las dimensiones físicas del componente dentro de una cámara que captura la luz y la convierte en información digital. La importancia del tamaño del sensor radica en que afecta directamente la calidad de imagen y las características de la cámara.
En general, los sensores más grandes tienden a ofrecer una mayor calidad de imagen. Al tener una mayor superficie de captura de luz, pueden recolectar más información y detalles, lo que se traduce en imágenes más nítidas, con menos ruido y un mayor rango dinámico. Los sensores más pequeños, por otro lado, pueden tener una resolución más baja y generar más ruido, especialmente en condiciones de poca luz.
El tamaño del sensor también influye en el rango dinámico, que es la capacidad de capturar detalles en áreas tanto brillantes como oscuras de una escena. Los sensores más grandes suelen tener un rango dinámico más amplio, lo que permite una mejor captura de sombras y resaltados sin perder detalles. Esto es especialmente beneficioso en situaciones de alto contraste, como paisajes con cielos brillantes y sombras profundas.
El tamaño del sensor fotográfico afecta la profundidad de campo, que es la zona de enfoque en una imagen. Los sensores más grandes, como los Full Frame, tienden a tener una menor profundidad de campo, lo que permite un mayor control sobre el enfoque selectivo y la capacidad de desenfocar el fondo (efecto bokeh). Por otro lado, los sensores más pequeños, como los Micro Cuatro Tercios, tienen una mayor profundidad de campo, lo que puede ser ventajoso en ciertas situaciones, como la fotografía de paisajes donde se desea tener todo enfocado.
El tamaño del sensor también influye en el tamaño y peso de la cámara. Los sensores más grandes, como los Full Frame, generalmente requieren cámaras más grandes y pesadas, mientras que los sensores más pequeños, como los Micro Cuatro Tercios, permiten cámaras más compactas y livianas. Esto puede ser relevante para aquellos que buscan una cámara más portátil o para fotógrafos que necesitan moverse con facilidad.
Relación de la proporción de la captura de una imagen de los diferentes tamaños respecto a un sensor full frame.
Tipos de sensores fotográficos de acuerdo al tamaño:
Full Frame:
El sensor Full Frame, también conocido como 35mm, es el formato más grande y utilizado en cámaras profesionales. Con dimensiones de aproximadamente 36x24mm, ofrece una calidad de imagen excepcional y un rendimiento sobresaliente en condiciones de poca luz. Los sensores Full Frame capturan más luz y detalles, lo que se traduce en una mayor resolución, rango dinámico y una excelente capacidad para desenfocar el fondo (efecto bokeh). Sin embargo, las cámaras Full Frame tienden a ser más caras y voluminosas, y pueden requerir lentes específicos para aprovechar todo su potencial.
APS-H:
El tamaño APS-H (Advanced Photo System type-H) es menos común y se encuentra principalmente en cámaras Canon de gama alta. Con dimensiones de alrededor de 28.7x19mm, este formato ofrece un equilibrio entre el Full Frame y el APS-C. El tamaño del sensor APS-H permite un buen rendimiento en condiciones de poca luz y una calidad de imagen sólida. Sin embargo, su disponibilidad es limitada y, en general, las cámaras APS-H son menos comunes en comparación con otros tamaños de sensor.
APS-C:
Los sensores APS-C, con dimensiones de aproximadamente 23.6×15.6mm, son ampliamente utilizados en cámaras réflex digitales y sin espejo. Estos sensores más pequeños ofrecen un rendimiento sólido y una buena calidad de imagen a un precio más asequible que los Full Frame. Además, las cámaras APS-C son generalmente más compactas y ligeras. Sin embargo, debido a su factor de recorte (crop factor), se produce un aumento en la distancia focal efectiva de los objetivos utilizados, lo que puede afectar el ángulo de visión y la profundidad de campo.
Foveon:
El sensor Foveon es una tecnología innovadora desarrollada por la empresa Sigma. En lugar de utilizar los tradicionales sensores CMOS o CCD, el sensor Foveon utiliza una estructura de capas que registra la información de color de manera diferente. Estos sensores capturan el color en tres capas separadas, lo que permite una reproducción más precisa y una mayor fidelidad de color. La tecnología Foveon ofrece una excelente resolución de detalles y una respuesta a la luz única. Sin embargo, los sensores Foveon pueden tener un rendimiento inferior en condiciones de poca luz y su disponibilidad se limita a cámaras específicas de Sigma.
Micro Cuatro Tercios:
El formato Micro Cuatro Tercios (Micro Four Thirds) es una opción popular en cámaras sin espejo. Los sensores de tamaño Micro Cuatro Tercios tienen dimensiones de aproximadamente 17.3x13mm, lo que los hace más pequeños que los sensores APS-C. A pesar de su tamaño reducido, estos sensores ofrecen un rendimiento sólido y una calidad de imagen impresionante. Gracias a la ausencia de espejo, las cámaras Micro Cuatro Tercios son más compactas y livianas, lo que las hace ideales para la fotografía de viajes y la fotografía callejera. Además, este formato cuenta con una amplia gama de lentes disponibles en el mercado. Sin embargo, los sensores Micro Cuatro Tercios pueden tener un rendimiento ligeramente inferior en condiciones de poca luz en comparación con sensores de mayor tamaño.
Además de los tamaños de sensores mencionados anteriormente, existen otros formatos menos comunes que vale la pena mencionar:
Medio formato:
Utilizado en cámaras de alta gama y estudio, los sensores de medio formato son considerablemente más grandes que los Full Frame, ofreciendo una calidad de imagen excepcional, detalles impresionantes y un amplio rango dinámico. Estos sensores son perfectos para fotógrafos especializados en paisajes, moda y fotografía de alta gama, aunque su precio y tamaño pueden resultar excesivos para la mayoría de los usuarios.
Sensores de tamaño APS-S y 1 pulgada:
Estos tamaños de sensor se encuentran en algunas cámaras compactas y cámaras bridge. Ofrecen una mejor calidad de imagen en comparación con los sensores más pequeños utilizados en los teléfonos inteligentes, brindando a los fotógrafos una mayor flexibilidad y control sobre la imagen. Sin embargo, en comparación con los sensores más grandes, pueden tener un rendimiento inferior en condiciones de poca luz y un rango dinámico más limitado.