Los sensores de imagen permitieron la eclosión de la fotografía digital y el nacimiento de un nuevo universo de dispositivos y aplicaciones inimaginables hasta entonces. Hoy en día, se producen cientos de millones de sensores y su tecnología es cada vez más compleja. A través de esta serie de artículos pretendemos acercarnos a estos componentes esenciales de la fotografía actual.

Sony es actualmente el mayor fabricante de sensores del mundo
Sony es actualmente el mayor fabricante de sensores del mundo

Cuestión de fotones

Los fotodiodos actúan como cavidades que recolectan los fotones incidentes
Los fotodiodos actúan como cavidades que recolectan los fotones incidentes

En primera aproximación, un sensor de imagen podría definirse como aquel dispositivo que permite captar las ondas electromagnéticas que inciden en su superficie y transmitir la información necesaria para la constitución de una imagen. El caso más común es cuando tratamos con luz, que puede ser representada –debido a su dualidad onda-partícula– (*) como una cantidad finita de fotones. La superficie del sensor está formada por miles o millones de pequeñas cavidades o fotodiodos que se encargan de “recoger” la máxima cantidad de fotones posibles y obtener, mediante el uso de la circuitería interna del sensor, una señal eléctrica proporcional a esta cantidad.

De lo analógico a lo digital

Nótese que hasta aquí no hemos introducido en ningún momento el concepto “digital”. Efectivamente, el proceso de captación de fotones descrito hasta el momento es un proceso intrínsecamente analógico, pues estamos tratando con señales continuas; de hecho, los primeros sensores fueron de tipo analógico, e implicaban trabajar normalmente con tubos de vacío como los conocidos CRT –tubos de rayos catódicos–.

Para poder hablar de “digital” ha de existir primero un proceso de conversión de estas señales continuas –el valor de la señal puede cambiar en cualquier momento temporal– a una señales discretas –solo hay cambios en momentos temporales determinados– mediante lo que se denomina un proceso de muestreo, que precede a la siguiente etapa, el proceso de cuantificación, por el cual se asigna un valor predeterminado a cada una de las muestras de la señal discreta. Todo ello corre a cargo de unos dispositivos denominados conversores A/D (Analógico/Digital). La conversión digital más común es la binaria, que viene determinada por dos valores lógicos –típicamente “0” y “1”, o sea, bits– que corresponden a valores de voltaje eléctrico específicos –por ejemplo, +3,3 y -3,3 V–.

Proceso de conversión analógico-digital
Proceso de conversión analógico-digital

Así pues, un sensor digital se encarga de recoger los fotones incidentes, obtener una señal eléctrica proporcional a la cantidad recogida y luego convertir esta señal a unos valores lógicos digitales que luego podrán ser tratados por los procesadores de imagen correspondientes.

Cuestión de bits

Una vez dentro del dominio digital, hablamos de bits. Y aquí empezamos con los primeros problemas, pues la relación entre estos bits y los fotones captados por los fotodiodos del sensor no es tan directa como pudiera parecer en un principio.

Sensor de imagen digital
Sensor de imagen digital

La primera limitación la encontramos en el proceso de captación de fotones por parte de los fotodiodos, que depende tanto del tamaño de estos últimos como de la cantidad de luz que incida en el sensor. Si inciden demasiados fotones –debido a una exposición demasiado larga, por ejemplo– podría ocurrir que el fotodiodo en cuestión quedase desbordado, y la señal resultante no sería proporcional a la cantidad de fotones que realmente incidió –pues se perderán algunos o incluso muchos–. Algo parecido puede ocurrir en el caso opuesto, si en un fotodiodo dado no cayera ningún fotón; a pesar de esto supuesto valor nulo, el sensor produciría un señal equivalente a un mínimo de señal, debido al ruido térmico intrínseco a todo dispositivo electrónico en funcionamiento. Cuanto menor sea el tamaño del fotodiodo, mayores serán las repercusiones de estos extremos, que hacen que el sensor trabaje en una zona “no lineal” –es decir, que no se mantiene una proporción lineal entre la cantidad de fotones recibida y la señal eléctrica transmitida–.

Relación entre voltage y resolución en la conversión A/D (para 3 bits)
Relación entre voltaje y resolución en la conversión A/D (para 3 bits)

La segunda limitación viene dada por las propias características del conversor A/D, que tiene una gran influencia en la imagen final. Uno de sus parámetros principales –común a todo conversor digital binario– es el número de bits que se utiliza para cuantificar la señal a su entrada. A más bits, mayor será el número de niveles de señal que podremos distinguir, y mayor será la precisión de nuestra señal digital a su salida; esto tiene una relación directa con el rango dinámico de la imagen resultante.

Proceso de cuantificación (3 bits, 8 niveles)
Proceso de cuantificación (3 bits, 8 niveles)

Por ejemplo, si colocamos un conversor A/D de 8 bits de precisión a la salida de cada uno de los fotodiodos del sensor, podremos discernir hasta 28=256 niveles diferentes. Utilizar un número de bits menor significaría perder precisión y no ser capaces de distinguir entre los diferentes niveles de grises; en el peor de los casos, si utilizásemos un conversor A/D de solo 1 bit, solo seríamos capaces de distinguir entre el blanco y el negro. Por otro lado, utilizar un número de bits muy grande, implica no solo un mayor coste del dispositivo en sí, si no aumentar el tamaño de los ficheros digitales resultantes. Como ocurre prácticamente siempre en el mundo digital, se trata de buscar el compromiso adecuado.

Luces y colores

Hasta ahora hemos hablado de cómo los fotodiodos del sensor recogían los fotones pertinentes y transformaban las señales analógicas correspondientes en valores digitales. La intensidad lumínica depende pues de la cantidad de fotones recolectados, pero sin otro proceso suplementario a lo aquí expuesto, la imagen resultante sería representada solo en los que llamamos una “escala de grises”.

Para poder obtener una imagen final con información de color, debemos introducir algún elemento en el sensor de imagen que sea capaz de distinguir las diferentes longitudes de onda que conforman nuestro espectro visible. En efecto, las ondas electromagnéticas pueden identificarse bien por su frecuencia, bien por su longitud de onda, siendo ambos parámetros inversamente proporcionales entre sí.

Espectro visible para el ojo humano
Espectro visible para el ojo humano

Uno de los métodos más utilizados en los sensores digitales actuales es la colocación de un filtro en cada uno de los fotodiodos, sensible a un rango de longitudes de onda determinado. Estos filtros “selectivos al color” dejarían pasar a través de ellos todos los fotones de una frecuencia determinada, y descartarían el resto, de modo que la señal resultante a la salida de este fotodiodo contendría la información de un único color.

Filtros en fotodiodos para separa los fotones según su longitud de onda
Filtros en fotodiodos para separa los fotones según su longitud de onda

Partiendo de los colores primarios del patrón RGB –rojo, verde y azul–, el método de Bayer utiliza filtros para cada uno de estos colores en una pauta de 2×2, repitiendo el verde pues el ojo humano extrae la información de luminancia básicamente de este color.

Pauta de Bayer
Pauta de Bayer

Por supuesto, este método presenta sus inconvenientes, y es que cada uno de los fotodiodos descarta prácticamente dos tercios de los fotones que en él inciden, lo que equivaldría a aumentar el nivel de señal a ruido resultante. A pesar de ello, sigue siendo hoy en día el sistema más utilizado debido a su simplicidad de implementación.

(*) Luz: naturaleza ondulatoria y cuántica

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