Cómo obtener e interpretar la información de color a partir de la luz incidente es una de la tareas más complejas que debe tratar un sensor de imagen. Existen diversas soluciones, cada una de ellas con sus pros y sus contras.

Como ya anotábamos en Sensores de imagen – Introducción, la solución más conocida consiste en utilizar un determinado «filtro de color» para cada fotodiodo –el «recipiente» responsable de captar la luz incidente en el sensor–, de modo que cada uno de ellos pueda procesar la información relativa a un determinado color. Utilizando un filtro para cada color primario RGB –Rojo, Verde y Azul– se puede finalmente reconstruir una imagen en color mediante un proceso de interpolación cromática que se llevará a cabo en el Procesador de imagen. Es lo que se conoce como la pauta de Bayer.

Filtros en fotodiodos para separa los fotones según su longitud de onda
El sistema del filtro de Bayer

El omnipresente Bayer

La gran ventaja del filtro de Bayer es su facilidad de implementación, además de tratarse de una solución más que probada, industrialmente hablando; muy elocuentes fueron las palabras del CEO de Sigma al respecto, pronunciadas durante nuestros recientes encuentros en la CP+2016: «[Los] fabricantes lo único que han de hacer para montar sus cámaras con sensor de Bayer es comprar bloques ya hechos; como piezas de Lego».

Es por este motivo que la gran mayoría de fabricantes de cámaras utilizan sensores basados en el filtro de Bayer. Sin embargo, presentan un importante inconveniente: la inherente pérdida de resolución. En efecto, no es posible obtener un píxel con toda la información de color a partir de un único fotodiodo, pues cada uno de estos últimos solo «recibe» una determinada información de color. Es necesario formar pautas de 2×2 fotodiodos para extraer toda la información de color necesaria. Como consecuencia, en el peor de los escenarios, la imagen resultante tendría una resolución –en píxeles– un 50% menor que la teóricamente posible si contáramos todos los fotodiodos del sensor. No obstante, existen formas de aumentar la resolución equivalente, solapando, por ejemplo, estos bloques de 2×2 fotodiodos en ambas direcciones.

El Foveon, ¿es la solución?

Parece claro que el gran hándicap de la solución de Bayer es la utilización de estos filtros de color en cada uno de los fotodiodos del sensor. Introducida en 2002 con la Sigma SD9, la tecnología utilizada en los sensores Foveon intenta dar respuesta a este problema. Así pues, emulando lo que ya se venía haciendo en los negativos de película de color, el Foveon apila tres capas diferentes de fotodiodos –el equivalente a las tres capas de emulsión–, cada una de ellas sensibles a un rango de longitudes de onda determinado, que corresponde a cada uno de los tres colores primarios.

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Comparación del sensor Foveon con el de Bayer

Gracias a esta arquitectura tricapa –en oposición a la monocapa utilizada por los sensores de Bayer–, los sensores Foveon son capaces pues de extraer toda la información de color en un mismo píxel. Técnicamente hablando, el sustrato de silicio utilizado por el Foveon absorbe los fotones a diferentes profundidades dependiendo de su longitud de onda. La ventaja más obvia de este planteamiento es la de evitar el uso de los algoritmos de interpolación de la arquitectura de Bayer que da lugar a artefactos molestos.

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Estructura del sustrato de silicio del sensor Foveon

Pero, evidentemente, no todo son ventajas. El primer problema es su complejidad, sobre todo comparado con los sensores de Bayer, pues es necesario leer mucha más cantidad de datos para la obtención de una imagen equivalente en píxeles. Además, en cuestión de fabricación, actualmente solo Sigma –su impulsor– hace uso de la arquitectura Foveon. Y aunque si bien es cierto que los avances tecnológicos han permitido mitigar en cierto modo este problema de complejidad, existe otro inconveniente ligado a su modo inherente de funcionamiento: la propia estructura tricapa.

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El sensor Foveon X3

En efecto, no todos los fotones se absorben a la misma profundidad, y esto acarrea importantes consecuencias. Mientras que el azul se capta muy cerca de la superficie del sustrato de silicio, el verde y el rojo se absorben a profundidades mayores. Pero sobre todo el rojo, que es la capa más profunda de todas, y por tanto, donde los fotones llegan con menos intensidad. Aquí radica uno de los principales problemas de los sensores Foveon: su dificultad para captar suficiente cantidad de «luz roja», lo que se relaciona directamente con la dificultad que muestran estos sensores al aumentar la sensibilidad o ISO, sobre todo cuando se comparan con los sensores de Bayer. A pesar de ello, es innegable que la tecnología Foveon presenta ventajas sobre la arquitectura de Bayer cuando se trabaja con sensibilidades bajas.

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La reciente Sigma dp Quattro H incorpora el sensor Foveon X3 más grande hasta la fecha

Tres sensores para tres colores

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El filtro óptica tricoico se encarga de separa el haz de luz incidente en los tres colores primarios RGB

Pero más allá del aferrado debate existente entre simpatizantes y detractores de los sensores Foveon, existen otro tipo de soluciones que buscan abarcar el tratamiento del color de otra perspectiva. Es el caso del sistema 3-CCD utilizado en muchas videocámaras, y que consiste en la utilización de tres sensores diferentes, cada uno de ellos dedicado a tratar uno de los tres colores primarios en exclusiva. Evidentemente, para que cada uno de estos sensores reciba los fotones con la longitud de onda deseada, es necesario el uso de un prisma separador –como un filtro óptico tricoico– capaz de separa la luz incidente en tres haces diferentes. El mismo efecto se puede conseguir haciendo uso de múltiples filtros dicroicos.

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Uso de filtros dicroicos en la tecnología 3MOS

Panasonic introdujo en 2008 un sistema equivalente al 3-CCD pero con sensores MOS, con lo que esta arquitectura es extensible al uso de tres sensores cualquiera que sea su tecnología; por ello, es más exacto referirnos a sistema 3-Chip. Las ventajas de estos sistemas es que cada uno de los tres sensores puede tratar cada uno de los tres colores de la forma más eficiente posible, haciendo innecesario el uso de interpolaciones –Bayer– o evitando los problemas de absorción de los fotones –Foveon–. Por supuesto, al pasar de la teoría a la práctica, surgen varios inconvenientes con lo que se debe lidiar, siendo uno de ellos los problemas derivados del alineamiento del prisma(s).

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Cámara fotográfica 3CCD para alto rendimiento

Por otro lado, la mayoría de estos sistemas basados en tres sensores solo se utilizan en videocámaras, y no en cámaras de fotografía convencionales. La razón principal la encontramos en el tamaño de los sensores empleados en cada uno de estos sectores. Mientras que las videocámaras utilizan sensores relativamente pequeños, las cámaras –no compactas– usan sensores cuyo tamaño es bastante más grande. Y siendo justamente el sensor uno de los elementos más costosos de la cámara, el uso de sistemas trisensor incrementa notablemente los costes de la cámara, además de su tamaño, al tener que albergar todo el sistema formado por el prisma más los tres sensores. Hoy en día, de hecho, solo se usan en aplicaciones específicas de alto rendimiento y donde el coste no es el principal factor a tener en cuenta.

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