Page 1

MANUAL BÁSICO DE TECNOLOGÍA AUDIOVISUAL Antonio Cuevas antoniocuevas@gmail.com

Tema 27

SENSORES DE IMAGEN TIPOS

27.1

La unidad de captación de la imagen 27.1.1 Fenómenos fotoemisor y fotoconductor

27.2

Tubos de cámara y sensores de estado sólido

27.3

Esquema de funcionamiento del CCD

27.4

Obtención del color 27.4.1 Sistema de tres sensores 27.4.2 Sistema de un solo sensor

27.5

La tecnología HAD (microlentes)

27.6

Nuevos tipos de sensores 27.6.1 CMOS o APS 27.6.2 Super CCD (Fuji) 27.6.3 Super CCD SR 27.6.4 CCD de iluminación trasera (Back Illuminated CCD) 27.6.5

El sensor Foveon X3: un CMOS de tres capas

27.7 Tipo de sensores utilizados en cinematografía digital 27.7.1 La cámara Red One

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 1 de 62


UNIDAD DE CAPTACIÓN DE LA IMAGEN El sistema de captación de la imagen de un camascopio se compone del sistema óptico y del sistema de procesamiento y registro de la imagen generada por dicho sistema óptico. En el tema anterior hemos analizado la unidad óptica. Hablemos ahora del sistema de registro. La misión de todas las cámaras es el registro de la imagen. Pero, a diferencia de las cinematográficas cuya imagen no es procesada, solo registrada, en las cámaras electrónicas se da también una manipulación, en ciertos casos “a la carta”, de la imagen obtenida por el sistema óptico. Antes de ello, la primera misión de una cámara electrónica es efectuar la conversión de la luz reflejada por el sujeto y transmitida por el objetivo en electricidad, es decir en una forma de energía fácilmente manipulable, transportable y almacenable. La imagen electrónica es la consecuencia del tratamiento y transformación de esa señal y, al igual que el sonido se convierte en señal eléctrica por medio de un micrófono, la cámara electrónica transforma las variaciones de luz en variaciones de electricidad. Esta transformación de luz en electricidad se lleva cabo gracias a dos fenómenos físicos que ya eran conocidos con anterioridad a la aparición del vídeo y la televisión: el fenómeno fotoemisor y el fenómeno fotoconductor.

Fenómeno fotoemisor El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz en 1887, estudiado por Lenard en 1900 y, finalmente, tan satisfactoriamente explicado por Einstein en 1905 que le supuso el Premio Nobel de Física en 1921 <1>. Existen algunos materiales que cuando reciben luz generan a cambio pequeñas cantidades de electricidad. Este fenómeno se denomina fotoemisor o fotoeléctrico. Consiste en la liberación de un electrón de la estructura del material a cambio de absorber uno (o varios) fotones. Esta propiedad está presente en algunos metales y semiconductores, entre ellos el litio, cesio, silicio <2> y selenio <3>. El silicio en estado muy puro y cristalizado es el material que emplean los sensores. Se da, además, la feliz circunstancia de que las tensiones eléctricas que se producen son directamente proporcionales a las cantidades de luz que las generan. Así, una imagen óptica, que no es sino una sucesión de áreas de distinta luminosidad (luces y sombras), si es proyectada sobre una capa de material fotoemisor, generará tensiones eléctricas distintas en cada área, según la luminosidad (cantidad de luz) que reciba cada una de estas zonas de la imagen óptica.

Cuando la superficie de ciertos metales recibe luz bajo determinadas condiciones, dichos metales emiten electrones, es decir, una pequeña corriente eléctrica.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 2 de 62


Este fenómeno se había utilizado con anterioridad en la construcción de fotómetros y exposímetros para fotografía y cine. En la actualidad existen diversas aplicaciones de las células fotoeléctricas de selenio como pueden ser las pequeñas calculadoras sin baterías, los sistemas de apertura automática y, desde luego, los paneles para producir electricidad a partir de la energía solar. En nuestro caso, el fenómeno fotoeléctrico permite convertir las variaciones de luminosidad en variaciones de corriente eléctrica, una forma de energía fácilmente manipulable, transportable y almacenable <4> En la práctica, cuando la luz incide en el sensor, se almacena como una carga eléctrica en cada fotocelda. Un fotón o varios de ellos producen un electrón (conversión de energía luminosa en energía eléctrica), y esa energía convertida se lee ahora como un voltaje. El siguiente paso consiste en transformar ese voltaje en datos digitales, e implica un convertidor analógico-digital o CAD. Pero como todo ello es información monocromática, es necesario intercalar ante el sensor, en unas cámaras un prisma de separación (Beam Splitter), en otras un mosaico de filtros de color. Este mosaico tiene un patrón de filtros rojo, verde y azul aunque, como veremos enseguida, hay el doble de elementos con filtro verde que con filtro rojo y azul, debido a la mayor sensibilidad y poder de resolución del ojo a la longitud de onda verde. De esta forma se pierden dos tercios de la información cromática de la escena. Ahí entra en escena el procesador de la cámara que ha de interpolar los datos mediante un procedimiento asimismo llamado “interpolación cromática” que permite “fabricar” los valores de los píxeles perdidos en función de los valores de los adyacentes.

<1> Por sus explicaciones sobre el efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la física teórica, Albert Einstein obtuvo en 1921 el Premio Nobel de Física y no, como erróneamente se cree, por la Teoría de la Relatividad, pues el científico a quien se encomendó la tarea de evaluarla, no la entendió, y la Academia Sueca temió correr el riesgo de que posteriormente se demostrase que fuese errónea pues en aquella época era considerada muy controvertida por buena parte de la comunidad científica. (www.wikipedia.org). <2> El silicio, de símbolo Si, es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común en la Tierra después del oxígeno (constituye un 28% de la corteza terrestre). El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio. (www.elaparato.com) <3> Selenio (del griego selenion, “resplandor de la luna”), de símbolo Se, es un elemento semimetálico. Se presenta en forma de polvo rojo y se caracteriza por producir electricidad cuando recibe un flujo luminoso. Las células de selenio - las más antiguas utilizadas para exposímetros - son de gran tamaño y relativamente poco sensibles, de forma que no son de utilidad con iluminaciones débiles. Tienen sin embargo la ventaja de ser las únicas que no necesitan baterías y de presentar una sensibilidad bastante parecida a todos los colores, por lo que sus indicaciones son fiables incluso cuando se interponen filtros de color. Su precisión es también excelente. <4> Hay un segundo y útil fenómeno del que hemos hablado en los capítulos de fotometría: el llamado “fenómeno fotoconductor”. En esta ocasión la luz no genera electricidad, pero sí es capaz de modificar la resistencia eléctrica de algunos materiales, de los cuales el primero en descubrirse fue el sulfuro de cadmio (CdS en inglés). La fotorresistencia es la propiedad más utilizada en los fotómetros y exposímetros de última generación. Ambos fenómenos, fotoemisión y fotoconducción, conducen a lo mismo: convertir las variaciones de luminosidad en variaciones de corriente eléctrica, una forma de energía fácilmente manipulable, transportable y almacenable. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 3 de 62


TUBOS DE CÁMARA Y SENSORES DE ESTADO SÓLIDO El elemento básico que determina muchas de las características de una cámara electrónica o un camascopio, sean o no digitales, es el sensor, el dispositivo electrónico que reemplaza a la película. Aunque existían quienes en su momento defendían que las cámaras de tubos respondían en forma más fluida a los finos matices de iluminación que algunos de los primeros dispositivos de captación de estado sólido (CCD, CMOS, etc), lo cierto es que los antiguos tubos de cámara han quedado totalmente descartados hoy en vídeo profesional y televisión por su alto consumo eléctrico, fragilidad en la alineación, y el gran volumen y peso que transmitían a la cámara. Además, resultaban delicados, perecederos, muy sensibles a los cambios de temperatura, requerían calentamiento previo y originaban ciertos errores de geometría en la imagen producida, similares en su forma a ciertas aberraciones ópticas de los objetivos <5>.

Tubo RCA 2P23 de 1948, uno de los primeros del tipo Orthicon. Precio: $1.200 (equivalentes a unos $9.400 actuales)

Cámara SONY DXC-1820P, equipada de 3 tubos Saticon de 2/3 de pulgada

La alternativa, eficiente y liviana, a los viejos tubos la constituyeron los llamados CCD, Charge Coupled Device, “dispositivos de carga (eléctrica) interconectada” en traducción literal o “dispositivos de transferencia de carga” en traducción más acorde con la función que desempeñan como veremos enseguida. Estos sensores de imagen en estado sólido resultan considerablemente más robustos y estables, y tienen una tolerancia mayor (aunque siempre limitada) con respecto a los niveles extremos de luz que los tubos <6>

Debido a su discreto tamaño y menor avidez de voltaje, posibilitan cámaras mucho más compactas y de menor consumo de energía (siempre escasa en exteriores). Otras dos considerables ventajas son que necesitan bastante menos luz para producir una buena imagen y que registran una buena relación de contraste (son más tolerantes con respecto a las variaciones entre zonas oscuras y claras de la escena). Los mejores de ellos están hoy alcanzando los excelentes niveles obtenidos en esta tolerancia (denominada “latitud” o “rango dinámico”) por el negativo cinematográfico.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 4 de 62


Los sensores de estado sólido, son también más baratos de producir, térmicamente estables, no necesitan precalentamiento, resultan mucho más resistentes a golpes y vibraciones, insensibles a campos magnéticos y su vida es prácticamente ilimitada <7>. Por el contrario, los tubos de imagen tenían una vida restringida y su coste de reposición era alto en dinero (una terna de Plumbicon de una pulgada podía costar $30.000) y sobre todo en tiempo (necesitaban especialistas con herramientas sofisticadas). Los tubos, además, resultaban inestables requiriendo ajustes frecuentes de convergencia (alineamiento). Los elevados gastos de operación, dada la cantidad de horas/hombre que exigía la tecnología de tubos, fue la razón final de su cambio por los CCD, cronológicamente, los primeros sensores de estado sólido disponibles en vídeo y televisión. Los CCD son sensores de imagen en estado sólido ubicados en una matriz de pequeñas celdas militarmente alineadas en filas y columnas. Cada una de esas celdas es un elemento fotosensible microscópico, con la capacidad de producir impulsos eléctricos de distinta intensidad en función de la cantidad de luz que recibe. Cada celda es, entonces, como un pequeño panel solar que producirá un flujo eléctrico variable según la cantidad de luz que incida sobre ella. Su funcionamiento es, en cierta forma, similar al ojo humano, haciendo los píxeles en el CCD una función equivalente a la de los conos en el ojo <8>.

Primer prototipo de cámara fotográfica por CCD, obra del ingeniero Steven J. Sasson, y fabricada por Kodak en 1975. Pesaba 4 kilos y se necesitaban 23 segundos para que el primitivo CCD de 200 x 200 píxeles grabara una rudimentaria imagen en blanco y negro sobre un casete de audio tipo Philips

La superficie de estos diminutos sensores de imagen está dividida en un gran número de elementos de imagen llamados píxeles <9> y en los que se genera una corriente eléctrica (un voltaje) en función de la iluminación producida por la imagen óptica, es decir, la imagen proporcionada por el objetivo.

Cámara portátil de tres CCD fabricada por RCA en 1983. Aunque enorme y pesada comparada con las actuales, resultó magnífica en su tiempo

La tecnología de los primeros sensores de estado sólido, los CCD, apareció en 1969 obra de dos investigadores estadounidenses de George Smith y Willard Boyle, padres del CCD Bell Laboratories: George Smith y Willard Boyle <10>. Originalmente se concibió como un nuevo tipo de memoria de ordenador pero pronto se observó que tenía muchas más aplicaciones potenciales tales como el procesamiento de señales y sobre todo la captación de imagen, esto último debido a la sensibilidad a la luz que presenta el silicio <11>.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 5 de 62


Cuando la luz penetra en la cámara electrónica a través del objetivo, acaba incidiendo sobre los pequeños chips (su tamaño se mide en milésimas de milímetro) sensibles a la luz, cuya superficie de forma rectangular normalmente (cuadrada en alta definición), está compuesta por centenares de miles o millones de células microscópicas que se comportan como minúsculas células fotovoltaicas, cada una generando una pequeña carga eléctrica proporcional a la luz que incide sobre ella. El número de electrones se mide y, a continuación, se convierte en un valor digital. Este último paso se produce fuera del sensor CCD, en un componente de la cámara denominado conversor analógico-digital, de alta importancia en la calidad de la imagen obtenida. TUBOS DE CÁMARA PROBLEMAS: Alto consumo eléctrico Fragilidad en la alineación (convergencia mecánica) Gran volumen y peso Delicados, muy sensibles a los cambios de temperatura. Calentamiento previo Perecederos (una terna de Plumbicon de una pulgada podía costar $30.000).

Tubo RCA 2P23 de 1948, uno de los primeros del tipo Orthicon. Precio: $1.200 (equivalentes a unos $9.350 actuales) >

Los elevados gastos de operación (cantidad de horas/hombre) de la tecnología de tubos fue la razón final de su cambio por los CCD.

SENSORES DE ESTADO SÓLIDO

CCD = Charge coupled device

Dispositivo de carga (eléctrica) interconectada Dispositivo de transferencia de carga VENTAJAS: Necesitan menos luz (más sensibles). No precalentamiento. Mayor tolerancia a niveles extremos de luz (ya casi como la película cinematográfica). Pequeños, consumen poco à cámaras compactas. Más baratos, más resistentes a golpes y vibraciones. Insensibles a campos magnéticos. Vida prácticamente ilimitada (excepto píxeles muertos)

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 6 de 62


<5> Existieron tubos de imagen cuyo problema principal, aparte de los mencionados, era su mala respuesta al color. No obstante hay que mencionar al tubo denominado Orticon como aquel que mayor calidad alcanzó con las cámaras de blanco y negro y una de cuyas más apreciadas virtudes era la sensibilidad fotométrica (capacidad de producir imágenes nítidas con poca luz). En las muy pocas cámaras de televisión o vídeo que en la actualidad aún pudieran encontrarse utilizando tubos, éstos son del tipo fotoconductor y los más evolucionados han sido el Plumbicon (Philips, imágenes de la derecha), Saticon (Hitachi) y Newvicon (Matsushita). Aunque muy reducido, existe todavía un mercado residual para las cámaras de tubos en aplicaciones industriales como monitoreo y vigilancia.

<6> El mayor rango dinámico (tolerancia respecto a los niveles extremos de luz) es, desde el punto de vista de la calidad de imagen, la aportación más valiosa de los sensores de estado sólido. <7> En referencia a las cámaras digitales para fotografía fija, aunque la tecnología que las hace posibles haya avanzado enormemente, la causa más común de su muerte es la misma que en las viejas cámaras analógicas: el desgaste del sistema de obturación, es este componente mecánico el que sigue determinando su tiempo de vida. Los fallos van desde una respuesta más lenta del espejo, hasta la “explosión” del sistema completo debido a la ruptura de los soportes de los resortes. Se han reportado casos en los que alguna pieza es disparada contra el sensor lo cual inutiliza la cámara por completo.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 7 de 62


Los fabricantes afirman que está probado que sus cámaras funcionan como mínimo hasta cierto número de disparos. Superado este, hablan de un promedio; una buena réflex puede estar por debajo o sobre este promedio. Solo se sabrá cuando haya dejado de funcionar. Nikon es la única marca que comunica estos datos abiertamente en su página de soporte técnico, aunque solo están disponibles los de modelos recientes. Los números publicados son: * Las D5000, D5100, D3000 y D3100, así como la mítica D90, deberían funcionar correctamente más de 100.000 veces. * Las D7000, D300(s) y D700 soportaron en pruebas 150.000 disparos. * Las cámaras de la serie D3 deberían aguantar 300.000 ciclos. Canon, mucho más reticente, reveló en octubre de 2011 que gracias a un sistema rediseñado y construido en fibra de carbono, su nueva EOS D1 X debería tener una vida útil de más de 400.000 mil disparos. Para modelos anteriores, las cifras oficiales fueron finalmente entregadas tras la constante presión a la marca por parte de ciertos blogs especializados. Los datos recolectados son: * La extinta 20D y los dos primeros modelos de la línea Rebel, las 350D (XT) y 400D (XTi), tenían una vida útil de 50.000 ciclos. * Las siguientes tres Rebel (450D, 500D y 1000D); las 30D, 40D, 50D y 60D; y la 5D de primera generación, deberían funcionar sin problemas 100.000 veces. * Las 7D y 5D MkII aumentan su expectativa de vida a 150.000 disparos. * Las 1D y 1Ds de segunda generación deberían durar 200.000 ciclos. * Las 1D y 1Ds MkIII, y la 1D Mk IV, los últimos modelos antes de la unificación de ambas líneas en la 1D X, debería resistir 300.000 disparos. Canon no ha entregado datos oficiales de duración para las últimas Rebel (550D, 600D y 1100D), aunque es de esperarse que este sea también de 100.000 disparos, ya que la 60D de gama más alta comparte ese límite. Al parecer, otras marcas como Sony y Pentax tienen cifras similares para las gamas equivalentes. Teniendo estos datos, se puede estimar la vida restante promedio de la cámara consultando el contador de datos que muchas de ellas incorporan. En el caso de Canon existe una utilidad llamada EOSInfo que al iniciarlo con la cámara conectada vía USB a la computadora, informa este número además de la información de copyright, dueño y artista que se embebe a cada imagen. Para la línea Nikon es mucho más sencillo. Este número es embebido en cada foto a través de los metadatos EXIF. Con cualquier lector de datos EXIF en la sección maker-notes se encuentra un campo llamado Total Number of Shutter Releases for Camera con el dato en cuestión. Un buen programa para hurgar en estos metadatos es Opanda IExif <8> Los millones de elementos de filtrado del rojo, verde y azul o celdas fotográficas de una matriz grande son comparables a los conos de la fóvea en el ojo humano. La intensidad de la luz es convertida en señales eléctricas tanto en el ojo como en el CCD. En éste, las partículas luminosas conocidas como fotones entran en el cuerpo o substrato de silicio de un elemento, suministrando la energía adicional necesaria para liberar los electrones cargados negativamente de los átomos de silicio. Cada elemento lleva una puerta o contacto electrónico o acoplado. Cuando se aplica un determinado voltaje a este contacto, la zona de silicio situada debajo se hace receptiva a los electrones liberados, funcionando como un recipiente o alvéolo. La carga total negativa de los electrones contenidos en el alvéolo es proporcional a la luz introducida en el elemento. <9> La Academia Española de la Lengua aceptó el uso de la palabra píxel, la cual define así: “superficie homogénea más pequeña de las que componen una imagen, que se define por su brillo y color”. El término original inglés es una contracción de picture (pix) y element. El plural, en idioma español, de la palabra píxel, es píxeles, también escrita con tilde al tratarse de una esdrújula.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 8 de 62


<10> Willard Boyle y George Smith recibieron en el año 2006 el premio de la Academia Nacional de Ingeniería de EE.UU dotado con la cantidad de 500.000 dólares como reconocimiento a la invención del sensor CCD, que puede ser encontrado tanto en muchas cámaras digitales como en equipos sofisticados, caso del telescopio Hubble y los vehículos que se enviaron a Marte. En octubre de 2009 recibieron el Premio Nobel de Física (compartido con Charles Kao) Boyle y Smith tuvieron la idea en 1969 mientras trabajaban para los Laboratorios Bell. ”Fue después de más o menos una hora de trabajo” recuerda Boyle, “fuimos al pizarrón y ahí realizamos algunos bosquejos. Más tarde fuimos al laboratorio de modelos y fabricamos uno”. Los Laboratorios Bell son varios centros de investigación científica y tecnológica ubicados en más de diez países y que pertenecen a la empresa estadounidense Lucent Technologies. Sus orígenes se remontan a los Laboratorios Telefónicos Bell, los cuales fueron fundados en el año de 1925 en el estado de Nueva Jersey por la empresa AT&T. NOBEL DE FÍSICA A LOS DOMINADORES DE LA LUZ QUE LLEVARON A LA COMUNICACIÓN POR FIBRA ÓPTICA Y LA FOTOGRAFÍA DIGITAL Charles Kao, William Boyle y George Smith pusieron en el Reino Unido y Estados Unidos las bases de múltiples aplicaciones prácticas en optoelectrónica El País, Madrid, 6 de Octubre de 2009 Tres veteranos científicos que lograron hace varias décadas dominar la luz y dieron lugar a aplicaciones prácticas en la electrónica y las comunicaciones, como los sensores de imagen de las cámaras digitales y la transmisión por fibra óptica a larga distancia, han obtenido el premio Nobel de Física. Charles Kao, nacido en China en 1933 y que trabajaba en los laboratorios de Standard, en el Reino Unido, puso las bases para una transmisión eficiente de una enorme cantidad de información a través de la luz por las fibras ópticas, sin la cual no existiría la comunicación casi instantánea como la de Internet. Se lleva la mitad del premio, dotado con 980.000 euros.

Los científicos Charles K. Kao, Willard S. Boyle y George E. Smith, galardonados con el Premio Nobel de Física por sus investigaciones en optoelectrónica.- EFE William Boyle (nacido en Canadá en 1924) y George Smith (nacido en 1930 en Estados Unidos) crearon en los Laboratorios Bell de Estados Unidos el circuito semiconductor de imagen CCD (Charged Coupled Device), el sensor que es la base de la fotografía digital y ha introducido los píxeles (unidades de información) en el lenguaje habitual. Por ejemplo, el telescopio espacial Hubble toma sus espectaculares imágenes a través de una avanzadísima cámara CCD. Estos científicos comparten la otra mitad del premio. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 9 de 62


"Son inventos que han cambiado completamente nuestras vidas y también han proporcionado herramientas para la investigación científica", dijeron los representantes de la Academia de Ciencias sueca durante el anuncio del galardón, a las 11.45 en Estocolmo. La tecnología CCD se basa en el efecto fotoeléctrico que predijo Albert Einstein, y que le valió el premio Nobel en 1921. Este efecto hace que la luz se transforme en señales eléctricas. El hecho de que permita captar imágenes sin recurrir a la película y en forma digital ha hecho explotar las posibilidades de la fotografía y el video, incluidas las científicas, y facilita la transmisión de las imágenes por las redes mundiales de comunicaciones, basadas en gran parte en la fibra óptica, de la que ya hay instalados 1.000 millones de kilómetros. <11> La primera cámara fotográfica basada en la tecnología CCD que logró impacto fue la Sony Mavica cuya presentación en 1981 supuso una auténtica revolución. Aunque no llegaría a comercializarse, sentó las bases de los aparatos que hoy conocemos. Se trataba de una SLR basada en una cámara de vídeo a la que se había incorporado un obturador (1/60 segundo) para captar imágenes fijas. Contaba con ópticas intercambiables y discos magnéticos (Mavipak) para guardar hasta 50 imágenes.

Canon realizaba los primeros experimentos prácticos con la

imagen electrónica y la transmisión telefónica de fotografías en 1984, coincidiendo con los Juegos Olímpicos de Los Ángeles. Dos años después, sería la primera marca en comercializar una cámara digital: la Canon RC-701 (RC: Realtime Camera). El sistema completo de aquella maravilla del momento, de 180.000 píxeles (0,18Mp) costaba nada menos que Canon real izaba los 27.000 dólares (unos primeros experiment os práct icos con l a imagen $56.000 actuales). electró nica y la transmisión telefónica de fotografías en 1984, coinc idiendo con los Juegos Ol ímpi cos de Lo s Ángeles.

Stil l Video Camera En 1986, Canon sería la primera marca en comercializar una cámara digital: la RC-701 (RC: Realtime Camera). El s istema completo de aquella maravilla de u nos 180.000 pí xeles (0,18 Mp) costaba 27.000 dólares (unos $56.000 de 2011)

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 10 de 62


ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DEL CCD Su funcionamiento es sencillo: el CCD presenta una serie de pequeños “condensadores” o elementos de imagen, formados por tres capas: una superior sensible a la luz, una intermedia aislante y una inferior que actúa como “almacén” de electrones que suele denominarse sustrato. Cuando un haz de luz llega al CCD, los fotones inciden en la capa superior originando electrones: aproximadamente por cada dos fotones que se reciben, al menos uno de ellos origina un electrón; la capa inferior (sustrato) va acumulando los electrones originados es decir, funciona como una especie de “almacén”. Su funcionamiento se basa en el fenómeno fotoeléctrico. Después de un determinado tiempo de exposición a la luz, un circuito adecuado va “leyendo” los “almacenes” uno a uno y de manera ordenada y secuencial, haciendo que los electrones se desplacen físicamente desde la posición donde se originaron (en la superficie del chip), hacia el amplificador de señal con lo que se genera una corriente eléctrica que será proporcional al número de fotones que llegaron al píxel. Cada “almacén” queda así vacío y listo para recoger el siguiente cargamento de electrones. Cuando todos los píxeles ya han sido leídos, el mapa de voltajes resultante puede ser convertido en un mapa lumínico, es decir, en una imagen, en base a un concierto bien simple: alto número de cargas resultan en áreas brillantes, bajo número de cargas en áreas oscuras. Las cargas eléctricas que se han ido acumulando en los píxeles van saliendo del chip de manera ordenada, por filas y columnas; estos voltajes analógicos <12> después son manipulados por los circuitos digitales adecuados, según un protocolo determinado, de manera que al final ese conjunto reticulado de pequeñas manchas claras y oscuras forman una imagen, una especie de mapa de bits brillantes y oscuros, de modo similar a una fotografía aunque aquí los clásicos granos de haluros de plata serían los equivalentes a los píxeles. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 11 de 62


Repitamos el proceso, en términos más gráficos y esquemáticos: 1.- En cada uno de los píxeles o elementos de imagen se genera un pequeñísima corriente eléctrica en función de la iluminación producida por la imagen óptica. 2.- Tras la capa fotosensible se encuentra dispuesta una red de electrodos receptores en donde se condensan las cargas eléctricas generadas en los píxeles (debido a que dichos electrodos están polarizados por una corriente eléctrica positiva que atrae las cargas eléctricas de los electrones que son negativas). Intercalados entre los electrodos receptores existe una segunda red de electrodos cuya polaridad es cero (sin corriente) que reciben el nombre de electrodos de transferencia. 3.- Si ahora se invierte la polaridad de los electrodos, los de transferencia quedan positivos y los receptores quedarán “cero” lo que provoca la transferencia de las cargas eléctricas, desplazándose un lugar a la derecha de su primitiva situación. 4.- Un nuevo cambio de polaridad provocará un nuevo desplazamiento hacia el siguiente electrodo, y así sucesivamente hasta que todas las cargas hayan salido de la fila a través del elemento de medida X, que es el encargado de suministrar la señal de vídeo al ir recibiendo continua y secuencialmente nuevas aportaciones de cargas eléctricas. Los píxeles de los CCD están organizados en un patrón geométrico que en cámaras de vídeo profesional toma la disposición rectangular (filas y columnas). Fuji (arriba en la página siguiente) utiliza la disposición octogonal (panel de abeja) en su, así llamado, Super CCD que enseguida veremos con más detalle.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 12 de 62


Existen diferentes tamaños de sensores electrónicos para las cámaras de vídeo; los más comunes son: 2/3 de pulgada, 1/2 pulgada, 1/3, 1/4 y 1/6. Los principales fabricantes son Dalsa, Kodak, Sony y Fuji. Las cámaras de cinematografía digital utilizan sensores mucho mayores, del tamaño del negativo cinematográfico en 35mm, de área casi 9 veces mayor que la alta definición en 2/3, como veremos enseguida. El área de imagen en un CCD de 2/3” en formato 4:3 es sólo ligeramente menor que el área de imagen en el negativo cinematográfico de 16mm. El CCD de 2/3 en formato 16:9 también es similar al área del negativo de Super16mm, la diagonal del CCD es de 11mm mientras que la diagonal del Super16 es 14,4mm. Por tanto las tablas de profundidad de campo (calculadores llamados Kelly en el argot cinematográfico) son, en la práctica, de aplicación para estos CCD. En la tabla inferior se detallan todas estas dimensiones.

Sensor vídeo 1/3” 1/2” 2/3” 2/3” 1” Fotografía 35mm Cine 35mm 16mm Super16

Ratio

Diagonal (mm) Ancho (mm) Alto (mm)

4:3 4:3 4:3 16:9 4:3

6,0 8,0 11,0 11,0 16,0

4,8 6,4 8,8 9,6 12,8

3,6 4,8 6,6 5,4 9,6

1,5:1

43

36

24

1,33:1 1,33:1 1,78:1

31,1 12,7 14,4

24,89 10,26 12,4

18,67 7,49 7,49

Los formatos de alta definición comprimida, HDV y ProHD trabajan con sensores de 1/3” (e incluso menores: la Sony HDR-V1 equipa tres CMOS de un cuarto de pulgada) cuyo tamaño diminuto produce una enorme profundidad de campo que dificulta extraordinariamente la obtención del foco diferencial. La única solución, como vimos en el capítulo correspondiente, es utilizar adaptadores para acoplar ópticas cinematográficas de 35mm (o incluso de 16mm). El inconveniente es el alto coste de estos adaptadores.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 13 de 62


No todos los CCD son iguales ni todos ellos perfectos. Las fábricas no establecen un sólo nivel de calidad, algunas unidades salen con más defectos que otras. Un CCD teóricamente “perfecto”, es aquel en que todos los píxeles son fotodetectores (no hay píxeles “muertos”), teniendo un nivel de correlación La diagonal de cada formato (6-8-11-16mm) lineal menor al 5% (menos del 5% de corresponde a la distancia focal de su objetivo normal diferencia medida en la carga de dos píxeles que teóricamente reciben la misma luz). Este CCD “perfecto” Sensor Diagonal Ancho Alto La diagonal de un Ratio vídeo (mm) (mm) (mm) se denomina grado 0 y, sensor 2/3” en 1/3” 4:3 6,0 4,8 3,6 obviamente, es el más caro y formato 4:3 es sólo 1/2” 4:3 8,0 6,4 4,8 ligeramente menor difícil de fabricar. El CCD de grado 2/3” 4:3 11,0 8,8 6,6 que la del negativo 2 o 3 suelen ser suficientes para 2/3” 16:9 11,0 9,5 6,4 de 16mm. > aplicaciones de exigencias medias 1” 4:3 16,0 12,8 9,6 y bajas. La diferencia de precio Fotografía ente un grado 0 y un grado 3 Aunque la diferencia 35mm 1,5:1 43 36 24 es mayor, la Cine puede ser de hasta 6 veces. diagonal del sensor de 2/3 en formato 16:9 es similar a la del de Super16mm.

35mm

1,33:1

31,1

24,89

18,67

16mm

1,33:1

12,7

10,26

7,49

Super16

1,78:1

14,4

12,4

7,49

La profundidad de campo en 2/3”, 16mm y Super 16 es similar

<12> Desde principios de los años 90, las cámaras de video y TV han sido equipadas con CCD. Estos chips han sido divididos en una fina malla de elementos individuales de imágenes que llamamos píxeles. Los sensores de dichos píxeles permanecen hoy día siendo analógicos ya que su salida es una señal eléctrica de voltaje variable según la luz que incide sobre ellos. Por tanto podemos decir con propiedad que no existe hoy ninguna cámara de vídeo, tampoco las de alta definición, que sea 100% digital.

Pero la paradoja continúa. Algunos autores arguyen (una tanto retóricamente quizá) que hay otro medio que, en este particular sentido, sí es digital porque sus sensores de imagen funcionan por el código binario “si o no”. Es un sistema capaz de un extraordinario detalle, más que la HDTV, y de un rango de trabajo muy amplio gracias al uso de cantidades gigantescas de estos sensores individuales que reaccionan a la luz que les llega. Cada sensor es digital, está o no está impresionado. Su enorme cantidad produce un vasto abanico de posibilidades tonales y cromáticas. Los sensores se llaman granos. Y ese medio de captación se llama película.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 14 de 62


OBTENCIÓN DEL COLOR Los sensores electrónicos, a pesar de su fotosensibilidad (capacidad de reaccionar a las variaciones de intensidad de la luz), no distinguen los colores de la imagen. Son dispositivos, por decirlo así, "ciegos" al color. Veamos qué dos procedimientos existen para superar esta carencia.

Sistema de tres sensores La unidad de registro de la imagen de una cámara de tres sensores se ubica detrás del objetivo y es uno de los sectores clave del equipo. Antes del prisma de separación se antepone un filtro de vidrio óptico para eliminar la parte del espectro no visible, es decir, el infrarrojo y el ultravioleta. El bloque se compone de un prisma dicroico <13> montado en una armadura, que se aloja en forma precisa en un compartimiento que permite la instalación y retiro de la pieza.

La luz blanca que penetra por el objetivo encuentra a su paso un primer filtro dicroico cian que refleja el rojo y deja pasar azul y verde. Mientras el rojo llega a su CCD, la luz azul y verde es interceptada por un segundo filtro dicroico verde que refleja el azul hacia su CCD y deja pasar la luz verde que finalmente también alcanza el suyo.

El prisma tiene la misión de dividir la imagen que recibe del objetivo, en tres imágenes espectrales (filtradas) en los colores primarios del espectro; por ello se le denomina divisor del haz (Beam-Splitter). En este prisma se ubican los tres captadores de imagen, bien tipo CCD, bien tipo

CMOS.

Ya hemos dicho que el sensor de imagen es, hablando con propiedad, un dispositivo en blanco y negro porque a más luz más señal, sin importar su calidad cromática. Hay dos métodos para obtener la información en color. Uno es utilizar tres sensores distintos, cada uno de ellos alojado detrás de un filtro de color. Es lo que conocemos como cámara de tres CCD <14> o de tres sensores. Como se aprecia en la Prisma divisor del haz con sus tres CCD imagen superior, la luz es descompuesta por filtros dicroicos y desviada hacia tres sensores, uno para cada color primario. Los sensores para el verde y rojo suelen ser idénticos pero el sensor azul suele estar optimizado para este color.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 15 de 62


SISTEMA DE TRES SENSORES

Antes del prisma de separación se antepone un filtro óptico para eliminar la parte del espectro no visible SISTEMA DEyTRES SENSORES (infrarrojo ultravioleta).

La luz blanca que penetra por el objetivo encuentra a su paso un primer filtro dicroico cian que refleja el rojo y deja pasar azul y verde. > Así, el componente rojo de la luz blanca llega a su CCD SISTEMA DE TRES SENSORES

La luz azul y verde es interceptada por un segundo filtro dicroico en color verde que refleja el azul hacia su CCD. > El dicroico verde deja pasar la luz verde que finalmente también alcanza su CCD. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 16 de 62


La separación de los colores en las cámaras de tres tubos también se hacía mediante espejos y filtros dicroicos. Estos tienen la propiedad de reflejar un primario concreto y ser transparentes a los otros dos. Los tres haces de luces separados que se dirigen a los tubos (o CCD), se convierten en ellos en señales eléctricas, a las que llamamos señal de video roja, señal de video verde y señal de video azul. Los filtros dicroicos realizan la siguiente función: E1 = espejo ordinario (refleja la luz roja) E2= Filtro dicroico cian que refleja el color rojo y deja pasar el verde y el azul. E3= Filtro dicroico verde que refleja el azul y deja pasar el verde. E4= espejo ordinario (refleja el azul)

En el gráfico, el esquema correspondiente a una cámara de tres CCD. En este caso, al ser otra la disposición de los sensores, varían también los filtros dicroicos correspondientes aunque el funcionamiento básico es exactamente el mismo. Un primer filtro dicroico amarillo, refleja el azul y deja pasar verde y rojo. Un segundo dicroico verde refleja el rojo y deja pasar el verde. La imagen final se forma con los porcentajes correspondientes a la ecuación fundamental de la luminancia de forma que el blanco generado por la cámara sea el blanco que reconoce como tal el ojo humano (30% de rojo, 59% de verde y 11% de azul).

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 17 de 62


La curva del gráfico representa la particular sensibilidad cromática del ojo. A causa de ella no todos los colores se aprecian con la misma claridad o brillo. Si bien necesitamos los tres colores primarios para formar el blanco, los necesitamos en proporciones distintas: un 30% de rojo, un 59% de verde y un 11% de azul. Con estas proporciones, la mezcla observada producirá en nuestra retina la impresión de blanco. Teniendo en cuenta esta sensibilidad particular, fue el físico y matemático Grassmann quien primero llegó a la conclusión de que, cuando la retina humana es Curva de sensibilidad espectral del ojo humano, excitada por una unidad de iluminación denominada Función de luminosidad fotópica tricromática, las cantidades respectivas de los colores primarios no son iguales sino, de acuerdo a la curva de sensibilidad espectral del ojo, desiguales en la siguiente proporción: 0.30 lúmenes de rojo + 0.59 lúmenes de verde + 0.11 lúmenes de azul = 1 lumen de blanco Un lumen se define como la unidad de flujo luminoso, o energía visible, emitida por una fuente de luz de una candela de intensidad por un ángulo sólido de un estereorradián. Lo detallaremos con mayor extensión en el capítulo dedicado a fotometría. Precisamente la señal de luminancia de la televisión en color “Y”, viene representada por:

Y = 0.30 R + 0.59 G + 0.11 B Esta simple fórmula matemática se denomina

ecuación fundamental de la luminancia y establece la relación entre el brillo y los tres colores fundamentales. Los porcentajes que se muestran en la ecuación corresponden a la brillantez relativa de los tres colores primarios.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 18 de 62


Como ya sabemos, muchas cámaras profesionales están equipadas de ruedas de filtros controladas mecánicamente (girando la rueda externa de filtros en uno u otro sentido) disponiendo además de la correspondiente advertencia en el visor. Estas ruedas contienen filtros de conversión de temperatura de color y filtros de densidad neutra combinados con los anteriores Las cámaras construidas con la tecnología de tres sensores son más caras, no solo porque tienen que triplicarse los componentes, sino porque la terna de sensores exige absoluta perfección mecánica de forma que la luz procedente de un mismo punto del objeto incida exactamente en las mismas coordenadas de píxel en cada uno de los tres sensores. Y la perfección mecánica resulta cara. Hasta no hace mucho, las cámaras de tres sensores eran la opción profesional clásica para la captura de imágenes en movimiento con buena resolución y calidad cromática. Sin embargo, en muy poco tiempo las cosas han cambiado mucho como veremos enseguida. No es en vano que fabricantes de primerísima línea como Arriflex en sus D-20, D-21 y Alexa, cámaras para cinematografía electrónica, haya optado por un único CMOS como sensor de imagen en lugar de la típica triada de CCD que en el caso de la nueva Panavision Genesis se convierte en un único CCD, aunque grande (tamaño Super 35/4p).

<13> La palabra dicroico, de origen griego, quiere decir "dos colores"; el vidrio dicroico refleja un color (cuando la luz choca con la superficie del vidrio) y transmite el opuesto es decir, tiene la propiedad de reflejar los rayos luminosos de una parte del espectro visible, y transmitir el resto perfectamente. Por este motivo, si se observa un filtro dicroico al natural, éste parece espejado en coloración complementaria al color que transmite; así, los filtros dicroicos azules utilizados en iluminación parecen espejos amarillos. Los filtros dicroicos tienen la particularidad de resultar muy estables, duraderos y termo-resistentes. El vidrio dicroico se fabrica en una cámara al vacío, donde el vidrio caliente es revestido con múltiples microcapas de óxidos metálicos (selenio, titanio, magnesio, y otros) que han sido vaporizados. Es utilizado mediante espejos o prismas para dividir el espectro luminoso en las bandas de los tres colores primarios: rojo, verde y azul. <14> La ortografía de la frase “cámaras de tres CCD” es correcta. Algunas palabras como “CCD, CMOS, scouting, catering, casting, travelling, zoom, dolly, steadicam, western, film noir, web”, etc, originarias de otro idioma, comparten la misma forma para el singular y plural. No debe escribirse CCD’s, o zooms aunque coloquialmente lo pronunciemos así. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 19 de 62


FILTROS DICROICOS Solo transmiten ciertas longitudes de onda de la luz, reflejando el resto del espectro en lugar de absorberlo. Se basan en el fenómeno de interferencia destructiva. Filtraje muy sel ectivo. Vistos por fuera reflejan los colores que sustraen; mirando a s u través se observa el color que transmite (dicroico = doble color) Útiles en iluminación donde el material filtrante está sujeto a altas temperaturas. Extremadamente resistentes a la degradación: no se quema n porque no absorben calor, lo reflejan. FILTROS DICROICOS

El filtro transmite de manera mucho más discriminada, es prácticamente solo verde la longitud de onda que logra atravesarlo.

Arriba un filtro ámbar dicroico. Abajo un filtro ámbar de absorción. La eficiencia del filtro dicroico es considerablemente mayor que la del de absorción.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 20 de 62


En las cámaras de tres tubos se utilizaba igualmente una combinación de dicroicos y espejos. > La luz blanca (azul + ve rde + rojo) llega al primer filtro dicroico cian (E2). > El componente rojo es reflejado hasta E1 (un espejo) que lo reenvía al sensor rojo.

E2= el filtro dicroico cian que ha reflejado el rojo ……….. ……. deja pasar verde y azul. > E3= filtro dicroico verde que refleja el azul ……. ….. y deja pasar el verde. E4= espejo ordinario (refleja el azul)

Un primer filtro dicroico amarillo, refleja el azul y deja pasar verde y rojo. > Un segundo dicroico verde refleja el r ojo y deja pasar el verde. > La imagen final se forma con los porc entajes correspondientes a la ecuación fundamental de la luminancia de forma que el blanco generado por la cámara sea el blanco que reconoc e como tal el ojo humano (30% de rojo, 59% de verdeSensores y 11% de de azul). imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 21 de 62


Sistema de un solo sensor El segundo método de obtención de una señal cromática es utilizar un solo sensor que tiene en cada píxel su propio y minúsculo filtro de color. Este filtro de color es conocido como filtro CFA o mosaico de Bayer por su inventor Bryce Bayer de Eastman Kodak. Se trata de una malla cuadriculada de filtros rojos, verdes y azules que se sitúa sobre el sensor digital de imagen (CCD o CMOS) para hacer llegar así a cada píxel el brillo de los tres colores primarios. Interpolando las muestras de varios píxeles se obtiene un píxel de color <15>. La forma en que se Detalle de un CCD con “mosaico Bayer”. A la disponen los colores R, izquierda: disposición de los filtros en el mosaico G y B se muestra en las RGB, hay doble cantidad de píxeles destinados a figuras: hay doble captar el verde que los destinados al azul y rojo. número de píxeles con filtro verde que con filtro azul o rojo para hacer más semejante la percepción del sensor a la de la visión humana, siempre más sensible al verde. Este sistema, llamado mosaico de color es más barato pero, en principio, proporciona una menor resolución de color <16>, perdiendo en el filtrado una buena porción de su sensibilidad a la luz. Todo ello referido a sensores de tamaño pequeño porque, como veremos enseguida, en sensores de alta gama las cosas han cambiado mucho en poco tiempo. Antes de llegar al píxel, la luz atraviesa un filtro que solo deja pasar los fotones de la longitud de onda deseada. Cada píxel solo puede tener un filtro y por tanto solo es sensible a un color. Así el fotosensor se convierte en un mosaico de píxeles sensibles respectivamente al rojo-verde-azul o bien al amarillomagenta-cian. Su resolución espacial es menor porque para obtener un solo píxel de color se han de combinar las señales de píxeles adyacentes.

Para compensar las deficiencias del sistema de mosaico a base de primarios, en algunos modelos Sony introdujo un mosaico con un cuarto color (E = emerald)

Hay dos tipos de mosaicos: de colores primarios y de complementarios. El mosaico de colores primarios tiene como ventaja una mejor respuesta de color pero restringe un tanto la sensibilidad del sistema: una vez filtrada, la cantidad de luz que llega al sensor resulta considerablemente mermada (aproximadamente en un 30%) pues la transmisión (cantidad de luz que dejan pasar) de los filtros en colores primarios es relativamente baja y en todo caso menor que la transmisión de los complementarios. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 22 de 62


Para corregir las deficiencias del sistema de mosaico a base de primarios, Sony introdujo en algunos de sus modelos un mosaico con un cuarto color llamado Emerald (que no es otra cosa que un cian).

Otros fabricantes han utilizado los mosaicos de colores complementarios para cámaras para fotografía digital y videoaficionado pues proporcionan un poco más de luminosidad por tener mayor transmisión (visualmente resultan más “claros”) y algo más de relación señal/ruido. En la práctica actual, durante el proceso de fabricación de ciertos sensores para cámaras equipadas de un solo fotosensor, se aplica un revestimiento de filtros de colores que no corresponde a los colores primarios porque, como hemos dicho, se obtendría un bajo rendimiento lumínico (y por tanto mucha sensibilidad al ruido) particularmente en los componentes rojo y azul. Los filtros que utilizan en tal caso son verde, amarillo, magenta y cian y su disposición geométrica en la matriz de sensores es como se muestra en la figura de la derecha. Últimamente se han logrado considerables mejoras en la calidad de la imagen obtenida a base de un solo sensor; de hecho algunas cámaras punteras en cinematografía digital como Arri Alexa y Panavision Genesis utilizan un solo sensor (CMOS la Arri, CCD la Panavision) pero, eso sí, de gran tamaño (Super 35/4p) lo que hace suponer que este método, más simple y barato, será algún día común a nivel profesional. Mientras tanto, la Viper Film Stream de Thompson, otro exponente de la tecnología punta en cinematografía digital, se mantiene fiel al sistema clásico de tres CCD. Por ahora la mayoría de camascopios profesionales y cámaras de televisión en uso utilizan tres sensores instalados mecánicamente en forma precisa para un buen registro y alineación. Algunos fabricantes como Hitachi sueldan los CCD sobre la armadura del prisma utilizando guías de precisión para su ubicación. De esta forma, si un CCD se daña o avería, puede ser reemplazado con relativa facilidad, reduciéndose el coste de la reparación. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 23 de 62


SISTEMA DE UN SOLO SENSOR El mosaico Bayer a base de primarios resta bastante luz (los colores primarios tienen baja transmisión).

Los fabricantes utilizan hoy mosaicos de colores complementarios. Proporcionan más luminosidad por tener mayor transmisión (visualmente resultan más “claros”) y una mayor relación señal/ruido

B+G R +G G+G B+R __________ 4G + 2B + 2R Se mantiene el doble de píxeles sensibles al verde. Y = 30R + 59G + 11B

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 24 de 62


<15> En las cámaras de tipo Stripe-filter hay un filtro antes del CCD que deja pasar las bandas R, G y B alternativamente. Proporcionan RGB real, una excelente fidelidad de color y una alta resolución vertical a expensas de resolución horizontal. Sin embargo, tienen sensibilidad fotométrica reducida. Los primeros equipos de fotografía digital Sinar, venían equipados con esos tres filtros de color (RGB), montados en una rueda rotativa, través de los cuales se efectuaban exposiciones sucesivas. Todavía se comercializa hoy la cámara CMOS-Pro de Sound Vision, que conectada a la computadora permite fotografiar escenas estacionarias a través de tres exposiciones en color o una en B&N (tres disparos consecutivos del flash). <16> En el píxel en el que se recoge información de un color, rojo por ejemplo, no se puede captar la información del resto de los colores. Por consiguiente, un punto de imagen blanco, por ejemplo, originaría voltaje en cuatro píxeles consecutivos: azul, verde (2) y rojo. Un punto de imagen amarillo, en los píxeles verde y rojo. En la práctica, la inmensa mayoría de los colores que observamos tienen mayor o menor proporción de los tres colores fundamentales y, por tanto, originan voltaje en los cuatro píxeles. La información de un color en los píxeles se deduce por interpolación a partir de los píxeles que componen ese color. Debido a la interpolación que por óptima que sea nunca es real, las imágenes captadas con CCD en mosaico dan un cierto grado de borrosidad que las hace ser, teóricamente, de menor calidad. Podría pensarse en una alternativa que interpusiera un filtro de color delante de todo el CCD, que fuera cambiando con el tiempo y que permitiera la captura de los tres componentes de color. Esta alternativa, no obstante, supondría tener que incorporar sistemas mecánicos complejos para el cambio de filtro, como acabamos de comentar en el párrafo anterior. Además, reduciría el tiempo mínimo de exposición en un factor tres y significaría – y esto es lo más importante – que las tres componentes de color asociadas a una imagen, no se correspondiesen con el mismo instante del tiempo (error temporal) dando lugar a distorsiones de color significativas en los objetos móviles de la escena.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 25 de 62


LA TECNOLOGÍA HAD (microlentes) Entre las numerosas técnicas que se han desarrollado en los últimos tiempos para perfeccionar el rendimiento de los sensores de imagen, destaca muy especialmente el sistema de microlentes. La (excelente) idea consiste en incorporar una lentilla de amplificación en cada píxel que aumenta considerablemente su rendimiento. En este sentido, hay que tener en cuenta que el perfeccionamiento de los sensores en el mundo del vídeo, tiene una cierta similitud con la que sucede en el cine con el progreso de las emulsiones fotográficas, en busca de una mejor acutancia, grano más fino y superior sensibilidad. Existe siempre una apreciable separación entre los píxeles que forman cada sensor, debido inevitablemente a la estructura de celdillas en que se alojan los mismos. Esta separación entre sus elementos hace que no se aproveche toda la superficie del fotosensor, perdiéndose la parte del total de las radiaciones lumínicas que inciden sobre la estructura de las celdillas es decir, se reduce el factor de relleno. El factor de relleno es el porcentaje del área del sensor que es sensible a la luz. El caso ideal es 100%, cuando los píxeles activos ocupan el 100% del área del sensor <17>.

CCD HAD para las cámaras 1080i en HDV

Esta pérdida de luz sobre la superficie sensora provoca dos efectos no deseables en el funcionamiento del sensor. Por un En los sensores tipo HAD las microlentillas actúan como lado, su sensibilidad decrece considerablemente al no poder concentradores de la luz sobre convertir en electricidad toda la luz de la imagen, simplemente los píxeles fotosensores porque una parte de esa luz no llega a alcanzar al píxel, se queda en el marco. Por otro lado, las radiaciones que inciden en las zonas no sensibles, pueden crear problemas de reflejos parásitos, alterando la exactitud de la traducción de luz en electricidad. Los sensores tipo HAD (Hole Acumulated Diode), desarrollados inicialmente por Sony, utilizan la técnica de situar una diminuta lente convergente sobre cada uno de los elementos de imagen del sensor, de modo que ésta actúa concentrando la luz que debería caer fuera de la zona fotosensible y desviándola hacia estas áreas. De esta forma, cada una de ellas recoge más luz que la que le recaería sin ellas. El sistema, de fundamento sencillo, requiere sin embargo una altísima precisión debido a las dimensiones microscópicas de los elementos fotosensibles. A cambio dos ventajas clave: mucho mayor factor de relleno y sensibilidad considerablemente mejorada. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 26 de 62


La imagen de la izquierda muestra que la sensibilidad del sensor HAD puede cifrarse en el doble de la que tendría sin las microlentes <18>. Obviamente, al aumentar la sensibilidad del sensor se pueden colocar mayor número de sensores más pequeños frente a la luz. Las ventajas del sistema HAD son por tanto dos: más cantidad de sensores y más sensibilidad a la luz de cada uno de ellos. Esta combinación de alta resolución y fotosensibilidad permite el desarrollo de cámaras ultracompactas. Dentro de la tecnología HAD, el sensor Super HAD de Sony, también denominado Exwave HAD, es por el momento, el producto tope de gama. Posee aproximadamente 1.000 elementos sensores por línea lo que arroja un total de 620.000 en PAL y 525.000 píxeles en NTSC por CCD. La resolución horizontal que anuncia Sony es mayor de 850 líneas, profundidad de modulación elevada y mínimos los efectos Aliasing y Smear <19>. Tecnología HAD

Sensores Super HAD, también denominados Exwave HAD, la última evolución de esta tecnología que eliminando el espacio entre chips contiguos, aumenta considerablemente el factor de relleno. Ventajas: mayor sensibilidad a la luz; mayor cantidad de chips en el mismo espacio. Sony SSC-DC193 con tecnología Exwave

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 27 de 62


La Leica M8 muestra la última evolución de la tecnología HAD (también se aplica en la M9 y M9P). Tal y como se aprecia en el gráfico de la izquierda, la disposición de las microlentes que habitualmente se colocan encima de cada fotodiodo varía ligeramente al alejarse de la parte central del sensor, desplazándose lateralmente. De este modo, es posible redirigir la incidencia de la luz para conseguir que su entrada sea lo más perpendicular posible, con lo que se consigue reducir - asegura Leica - el viñeteado que se podría originar, producto de la diferencia de luz captada en el centro y en los bordes.

M8 de Leica (2006). Sensor CCD de 10 megapíxeles fabricado por Kodak. $4.800 (solo el cuerpo de cámara, sin objetivo ni accesorios).

En el enlace http://www.youtube.com/watch?v=gFT-duedoV4 se exhibe un (relativamente) curioso anuncio de la Leica M8 dirigido y protagonizado por Wim Wenders

<17> Circuitos como los registros de lectura y los llamados circuitos anti-blooming reducen el factor de relleno, en algunas ocasiones hasta al 30%. El efecto de esta reducción se traduce en una menor sensibilidad y en efectos de aliasing. Muchos sensores con bajo factor de relleno (normalmente CCD del tipo Transferencia Inter Línea) utilizan microlentes que cubren cada uno de los píxeles incrementando la efectividad del factor de relleno. <18> Para una iluminación de 2.000 lux, las cámaras equipadas con sensores Hyper HAD funcionan correctamente con una abertura de diafragma de F/8.0 frente a la abertura F/5.6 que requiere un CCD convencional. Este aumento de sensibilidad permite registrar imágenes en condiciones débiles de iluminación, o bien permite reducir los niveles de iluminación en los estudios con el consiguiente ahorro en consumo eléctrico y un importante descenso del calor que produce la misma. No hay que olvidar que bajo las mismas condiciones (2.000 lux) un tubo tipo Plumbicon de 2/3” necesitaría F/4.5 y un Saticon F/4. <19> El coste de un sensor tipo HAD es, grosso modo, el doble que un sensor sin microlentes. El coste de un sensor FIT es, también grosso modo, el doble que el coste de los tipos IT y FT. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 28 de 62


NUEVOS TIPOS DE SENSORES Además del clásico CCD existen en la actualidad otras opciones para convertir la energía luminosa en energía eléctrica y generar así una imagen.

Sensores CMOS o APS

CMOS Ventaja decisiva: - Capacidad de manejar grandes cantidades de información. El CMOS es, en términos reales, todo un MICROPROCESADOR

Igual que los CCD, los sensores tipo CMOS están también hechos de silicio y basados en el efecto fotoeléctrico. El acrónimo CMOS hace referencia a

Complementary Metal Oxide Sony HVR-AE1 (HDV). Semiconductor - semiconductor Arriflex D-20. Un CMOS Super 35 Un CMOS 1/3” complementario de óxido metálico. También es denominado Active Pixel Sensor (APS), sensor de píxel activo. Al igual que los CCD, los CMOS están dispuestos en un patrón geométrico de píxeles ordenados en filas y columnas.

Sin embargo, y a diferencia de los CCD, en los CMOS cada píxel lleva integrado su propio amplificador (es por ello que se les denomina APS, de “píxel activo”) y el conversor digital se encuentra integrado en la propia estructura del sensor. Esto simplifica extraordinariamente el manejo de imágenes con grandes cantidades de datos.

El sensor CMOS no representa una innovación en sentido estricto puesto que llevan ya años en el mercado. Este tipo de sensor fue desarrollado por el Jet Propulsion Laboratory de la NASA con el fin inicial de lograr sistemas de registro en video que no consumieran tanta energía y por tanto requirieran menor espacio y peso en los viajes espaciales. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 29 de 62


La principal diferencia constructiva entre el CCD y el CMOS es que las operaciones matemáticas de conversión análogo-digital y ajuste se hacen, en el caso del CMOS, directamente en el mismo chip, en vez de requerir complejos circuitos adicionales de Los sensores CMOS son cálculo como ocurre en los CCD. imprescindibles en aplicaciones Mientras que el CCD debe de bajo consumo, poco tamaño transportar la señal hasta los y calidad media como teléfonos móviles y cámaras web. extremos del sensor para primero amplificarla y luego transmitirla desde allí hasta el ADC (conversor analógico-digital), en el CMOS cada píxel incorpora un microamplificador de la señal eléctrica y el conversor digital se encuentra integrado en la propia estructura del sensor. Por otro lado, los CMOS son semiconductores y, como tales, requieren un proceso de fabricación mucho menos complejo y más económico que los CCD ya que la tecnología de fabricación del CMOS es la misma que la de los microprocesadores. Los CMOS son también más fáciles de interconectar a nuevos sistemas que los CCD porque, en realidad, podemos considerar al CMOS como todo un microprocesador. Esto quiere decir que los CMOS son una alternativa flexible para los fabricantes y por tanto, facilitan nuevos desarrollos. Las características del CMOS ahorran costos y permiten diseños más compactos. Los fotones que recibe cada celda en los CMOS son convertidos en carga eléctrica y en voltaje en la misma celda receptora; de esta manera al contrario que en los CCD, las celdas son totalmente independientes de sus vecinas. En contrapartida, la circuitería que lleva incorporada el sensor CMOS genera algo de ruido electrónico que puede menoscabar el resultado final de la imagen. Otro de sus inconvenientes – como se aprecia en las imágenes de la página anterior – es su menor factor de relleno. Por tanto son menos sensibles que los CCD a igualdad de tamaño del sensor. Los sensores CCD tienen mayor sensibilidad a la luz, más calidad (en tamaños pequeños) y también precio más alto, en tanto que los de tipo CMOS son menos sensibles y de menor calidad a igualdad de tamaño, pero al ser fáciles de fabricar son obviamente más baratos. Tradicionalmente se habían utilizado los CCD para las cámaras profesionales y semiprofesionales y los CMOS para cámaras de aficionado, celulares y webcam. Hoy, sin embargo, se ofrecen cámaras para cinematografía digital (Arri D-21, Alexa, Red) y camascopios HDV (Sony HVR-AE1 y HDR-V1) equipados de CMOS debido a una decisiva ventaja de este sensor: su capacidad para manejar grandes cantidades de información. El CMOS en tamaño pequeño es todavía sensible al ruido de imagen, tiene un rango dinámico reducido y presenta una relativamente baja sensibilidad, pero parece esperarle un futuro razonable por las siguientes razones: ·

Uno de los problemas críticos de todo dispositivo portátil es el del consumo eléctrico. Las cámaras digitales no están exentas de este problema, en parte por el consumo del sensor. Los CMOS están altamente optimizados, de modo que consumen entre 30 y 50 milivatios en tanto que un CCD consume entre 2 y 5 vatios, es decir, unas cien veces más. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 30 de 62


·

Mientras que en el CCD toda la información es transmitida a través de las celdas vecinas hacia sus bordes donde la información es recolectada, el CMOS tiene capacidad de transmisión en cada una de las celdas. Esto evita el emborronamiento (Blurring) o contaminación entre píxeles vecinos cuando hay situaciones de sobreexposición y, además, permite mejores opciones de interpolación de la imagen. Cuando se trata de manejar grandes cantidades de información (sensores grandes) el CMOS es una muy buena alternativa.

·

El interés en el CMOS por parte de la industria radica en que, a diferencia de la fabricación de CCD, que debe hacerse en plantas especializadas a partir de materias primas no comunes, los CMOS pueden ser fabricados en las líneas de producción normales de semiconductores a partir de materias primas relativamente baratas y de uso generalizado.

En resumen, el CCD obtiene más calidad de imagen a costa de un consumo más elevado. Por su lado, el CMOS es superior en integración y bajo consumo a costa de perder calidad de imagen en situaciones de poca luz. Esto no debe llevar a la confusión de pensar que un CCD de una cámara compacta media es superior en calidad de imagen a un CMOS de una cámara fotográfica SLR de alta gama, lógicamente a mismo tamaño de sensor esta diferencia se diluye; el CMOS obtiene excelentes calidades con sensores grandes. Grandes fabricantes como Canon y Nikon equipan sus cámaras de fotografía digital en gama alta con sensores CMOS grandes, del mismo tamaño que el negativo fotográfico de 35mm con las consiguientes ventajas de integración de sus sistemas ópticos: los objetivos para fotografía tradicional pueden utilizarse en estas cámaras sin pérdida de poder de cobertura. En las imágenes las excelentes Canon EOS y Nikon DX2 de 12.4 megapíxeles efectivos. Pese a ser uno de los grandes defensores de la tecnología CCD, en el 2005 Nikon acabó por sucumbir a las ventajas del CMOS con la D2X.

En palabras de Canon: Full Frame 35mm CMOS Sensor. A la derecha un diagrama explicativo Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 31 de 62


Eastman Kodak, fabricante de sensores tanto CCD como CMOS ofrece este

cuadro resumen de la tendencia de migración en el uso de diferentes tipos de sensores, desde los ya desaparecidos tubos hasta los relativamente nuevos CMOS en su página Web: http://www.kodak.com/US/en/corp/res earchDevelopment/technologyFeatures/ CMOS.shtml

El camascopio Sony HVR-V1 en 1080 líneas está equipado de tres de diminutos sensores CMOS de 1/4 de pulgada.

El CMOS ha demostrado una mayor agilidad en la captación y gestión de los archivos. Las pruebas no pueden ser más claras: en la actualidad dos de los modelos de cámaras fotográficas digitales más rápidos del mercado tanto en fotogramas por segundo como en disparos consecutivos (Canon EOS y Nikon D2X ) y otros de cámaras de cinematografía digital (Arriflex D-21 y Alexa) de alto flujo de datos implementan un CMOS (o una variante de esta tecnología, en el caso de la D2Hs de Nikon).

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 32 de 62


CCD

CMOS

Ventajas

Inconvenientes

Ventajas

Tecnología ampliamente contrastada

Alto consumo de energía

Alto rango dinámico

Caros y difíciles de fabricar

Bajo ruido

Relativamente inestables

Permite tamaños de píxel muy pequeños (alta resolución)

Necesita abundantes circuitos complementarios

Alto factor de relleno (más sensibles a igualdad de tamaño)

El CCD crea una señal analógica (voltaje) que debe digitalizarse posteriormente

Crea de una vez una señal digital

Relativa lentitud de procesamiento

Mucha mayor agilidad en la captación y gestión de los archivos

Inconvenientes

Tecnología relativamente incipiente Menor rango Más baratos y dinámico (en fáciles de fabricar tamaños pequeños) Ruido mayor pero Muy fiables debido a disminuyendo en la integración del chip cada generación de nuevos CMOS Los píxeles son Menos circuitos mayores al integrar el complementarios al chip procesador integrar cada píxel su (menor resolución amplificador y por unidad de procesador superficie) Bajo consumo de energía

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 33 de 62

Menor factor de relleno (menos sensibles a igualdad de tamaño)


Super CCD de Fuji Fuji creó el Super CCD, un chip

donde los sensores están colocados en un ángulo de 45 grados, en el año 2000. El objetivo era aumentar la resolución aparente de las imágenes, que podían llegar fácilmente a los seis megapíxeles en una época en la que las cámaras de tres ya eran un lujo. La primera generación mostraba una calidad de imagen por debajo de la media. A pesar de ello, Fuji apostó por esta tecnología a largo plazo. En 2003 Fuji Photo Film Co. y Fujifilm Microdevices Co., presentaron la segunda generación del Super CCD, que ofrece un superior rendimiento en la calidad de captura de imágenes digitales. La primera cámara digital para fotografía profesional con esta tecnología fue la Fujifilm FinePix S1, de 6,1 millones de píxeles. En comparación con lo que ofrecían las cámaras digitales en 1995, el número de píxeles en los sensores CCD ha aumentado aproximadamente 10 veces. Pero mientras que un número mayor de píxeles conducen a una resolución más elevada de imagen, sucede que los píxeles adicionales pueden afectar negativamente a la sensibilidad. Las diferencias entre un chip convencional y el nuevo desarrollo de Fujifilm, parten de sustituir el fotodiodo rectangular tradicional por otro de forma octogonal lo que, en opinión del fabricante, supone las siguientes ventajas: ·

Su forma octogonal y el arreglo en forma de panal de abeja mejora la eficiencia de la distribución del espacio y como consecuencia el Super CCD aumenta la sensibilidad y su rango dinámico es más amplio comparado con un CCD convencional con la misma cantidad de píxeles. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 34 de 62


·

El arreglo de panal de los píxeles origina también mejoras en la distribución de frecuencias espaciales de datos de imagen. Comparado con el CCD convencional, puede incrementar el número efectivo de píxeles hasta 1,6 veces.

·

El Super CCD permite un cierto ahorro de energía eléctrica porque genera una alta resolución de imagen con menos píxeles.

·

Los investigadores advirtieron que la gente percibe las líneas horizontales y verticales mejor que Fujifilm FinePix S1, de 6,1 las diagonales y teniendo en cuenta esa característica del ojo millones de píxeles. La humano los técnicos de Fuji adoptaron la idea inicial de girar primera cámara (año 2003) los píxeles 45 grados. Haciendo simplemente esto se logró con tecnología Super CCD. disminuir la distancia de separación entre los píxeles. Además, a los elementos fotosensibles se les dio una forma octogonal, como de panal, con lo que se los pudo aproximar entre sí más que a los píxeles rectangulares. El resultado es una resolución significativamente más alta de las líneas horizontales y verticales, con lo que la mayor información de la imagen se sitúa en las estructuras que mejor registra el ojo humano.

·

Mayor sensibilidad. La forma octogonal da a los píxeles individuales una superficie mayor. Al mismo tiempo, la forma es similar a la de los pequeños microlentes a través de los cuales la luz pasa para llegar al sensor. En vez de la alta pérdida de luz que ocurre con los rectangulares, los octogonales tienen la ventaja de aprovechar mejor el haz de luz. Esto no solo incrementa la sensibilidad sino que también amplía el rango dinámico del sensor y, por ende, el contraste de la imagen.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 35 de 62


Super CCD SR de Fuji La última evolución del Super CCD ha producido avances que en teoría resultan realmente notables desde el punto de vista de la tecnología. Sin embargo, la experiencia acumulada por nosotros, los profesionales, muestra que lo que los fabricantes incorporan a sus productos con frecuencia no es aquello que tecnológicamente aporta algo sino aquello que, sobre todo económicamente, les aporta algo a ellos - y cuanto más números tenga la cifra en dólares de ese “algo” mejor -. Quiero decir con esto que con toda seguridad solo Fuji ofrecerá este útil e innovador Super CCD SR de segunda generación. Los demás fabricantes, que también han invertido enormes sumas en investigación, intentarán convencernos de que sus desarrollos alternativos son magníficos – lo sean o no – y algunos con el mayor descaro nos venderán como auténtico desarrollo lo que solo es una evolución al insípido escalón siguiente de sus sistemas clásicos. Así es esta selva. La tecnología de la imagen digital ha tenido muy notables avances en la calidad producida y en la facilidad de manejo de los equipos. Pero la tecnología clásica de la imagen fotoquímica tradicionalmente ofreció ventajas en dos apartados concretos: resolución y latitud, esta última es equivalente a “rango dinámico” en vídeo, y en ella la ventaja de la imagen fotoquímica fue tradicionalmente considerable. Llamamos latitud a la medida del margen de diferencias máximas de luminosidad que un material sensible puede reproducir. El rango dinámico indica la manera en que el sistema de registro de la imagen (los CCD en este caso) pueden diferenciar entre los niveles de luz es decir, es el margen entre el punto más claro y el más oscuro que el CCD puede detectar sin perder detalle ni en las luces altas ni en las sombras. Cuanto mayor sea el rango dinámico, más detalle tendremos en dichas zonas extremas, altas luces y sombras densas. Las películas cinematográficas son excelentes en cuanto a la distinción de pequeños cambios en el nivel de luz, mientras que los sistemas de captación digital tradicionalmente han tenido una gama de luminosidad limitada. Esta es una de las diferencias fundamentales entre la imagen fotoquímica y electrónica y la cuestión concreta en que la imagen cinematográfica superó tradicionalmente y con mucho a la electrónica. El nuevo Super CCD SR de Fuji, la cuarta generación del Super CCD, ataca este asunto de frente y en forma teóricamente inteligente: igual que un equipo de sonido tiene altavoces (bocinas) especializados en la reproducción de los tonos dentro de un rango de frecuencias, es decir, tweeter para las altas frecuencias o agudos, y otros, los woofer, especializados en bajas frecuencias o graves, así el Super CDD SR de Fuji tiene dos sensores, cada uno especializado en un trabajo particular. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 36 de 62


Fuji es el segundo fabricante por volumen de ventas de película cinematográfica (aunque el primero en la calidad de alguna de sus líneas de producto como por ejemplo ciertas películas de alta sensibilidad en opinión del autor de estas líneas). Es decir, Fuji conoce muy bien las carencias de su material digital respecto al cinematográfico puesto que se desempeña en ambos campos.

Todos los negativos fotográficos y cinematográficos de color no importa el fabricante, utilizan una mezcla de cristales de haluros de plata de alta (grandes) y baja (pequeños) sensibilidad compartiendo la misma emulsión. Fuji afirma haberse inspirado en el sistema visual humano en que los conos se encargan de la visión fotópica y los bastones de la escotópica. Los cristales de baja sensibilidad proveen la mayoría del detalle de la imagen mientras que los de alta sensibilidad se ocupan de ese mismo detalle en las zonas de imagen correspondientes a las sombras densas. El trabajo conjunto de ambos tipos de cristales incrementan la latitud (rango dinámico) y mejoran los detalles en las sombras en relación a las emulsiones de otros fabricantes de negativo de uso fotográfico que suelen ser más baratas pero de infinitamente peores resultados en cuanto a latitud. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 37 de 62


Fujifilm FinePix S5 Pro (2007) con sensor Super CCD SR (ahora llamado SR Pro), 6,17 millones de fotosensores tipo S (altas luces) y otros 6,17 tipo R sombras) para un total de más de 12 megapíxeles.

Durante varios años, las cámaras digitales de alta gama de Fuji han incorporado la tecnología de sensores Super CCD, buena tecnología pero quizá algo hipervalorada. Ya hemos dicho que la disposición en forma de panel de abeja de los sensores octogonales optimiza geométricamente el tamaño de cada píxel lo que redunda en mayor sensibilidad y menor ruido. De esto no parece haber duda pues la cuestión analizada es de orden geométrico más que electrónico: el píxel octogonal aumenta el factor de relleno (disminuye los espacios inertes a la luz) y por tanto la señal incorpora menos ruido.

El nuevo Super CCD SR de Fuji adopta el diseño básico de los materiales fotoquímicos de la propia compañía nipona: se mantiene el concepto de píxel octogonal pero la hábil innovación consiste en que cada sensor SR en realidad consta de dos fotodiodos separados denominados S (sensitivity) Pixel o Primary Photodiode y R (range) Pixel o Secondary Photodiode. El mayor (Sensitivity o Primary) tiene mejor sensibilidad a la luz que el menor. Combinando las imágenes producidas por ambos se obtiene un incremento del rango dinámico respecto a los sensores basados en un único tipo de píxel. En las imágenes de la página siguiente se compara el resultado de la tecnología CCD estándar (columna de la izquierda) con la tecnología Super CCD SR (columna de la derecha).

Super CCD SR de Fuji

Dos fotodiodos: el Primary tiene mejor sensibilidad a la luz que el Secondary. Combinando las imágenes de ambos se incrementa el rango dinámico respecto a los sensores basados en un único tipo de píxel.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 38 de 62


Super CCD SR

CCD estándar

CCD estándar

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 39 de 62

Super CCD SR


CCD de iluminación trasera Algunas aplicaciones de imagen necesitan capturar imágenes de alta fidelidad también en condiciones de muy baja iluminación. Es el caso, por ejemplo, de la observación del espacio exterior. Para ello utilizan el sistema denominado back illuminated CCD o “CCD de iluminación trasera. Normalmente la luz entra en el CCD por su frontal e incide en los sensores. Para mejorar la iluminación, estos sensores están cubiertos con polisilicio, material que resulta transparente a longitudes de onda altas pero opaca a las longitudes de onda más cortas que 400nm. Es posible mediante ciertas técnicas reducir el espesor del CCD hasta aproximadamente 10 micras y focalizar la imagen no en la parte frontal del CCD sino en la parte trasera. Este tipo de CCD tiene más del doble de eficiencia cuántica <20> que los sensores convencionales y pueden captar longitudes de onda desde rayos X, hasta el infrarrojo cercano. El chip 486 de iluminación trasera fabricado por Dalsa para aplicaciones científicas, médicas y espaciales, es de tipo Full Frame (denominación que detallaremos en el capítulo siguiente) y produce una imagen de muy alta resolución (4096 x 4096 píxeles). El sensor FOVEON X3: un CMOS de tres capas En una imagen digital, cada píxel tiene tres componentes para definir el color exacto que debe mostrar. Esos componentes son las proporciones de rojo, azul y verde que se mezclan para obtener el color exacto que corresponde al píxel. Esto nos podría hacer pensar que un sensor de un megapíxel es capaz de medir cada uno de esos tres componentes de color en cada uno de ese millón de píxeles. En la práctica no es así: de ese millón de píxeles, la mitad mide solo el color verde, una cuarta parte solo rojo y la otra cuarta parte solo azul. Como hemos visto en el patrón Bayer, los sensores de cada color están intercalados de manera apropiada para poder cubrir toda la imagen. Es una suerte de tablero de ajedrez con sensores verdes cada dos píxeles, y rojo y azul alternándose en los espacios restantes. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 40 de 62


La cámara se encarga luego de “interpolar” o “mezclar” esta información para crear los píxeles finales, con los tres componentes RGB en cada uno. Las cámaras de un solo sensor generan una limitación física a la resolución, porque con cada celda de la matriz sólo podremos capturar la luz de un solo color, y el archivo resultante sería en consecuencia muy pequeño, generándose además “huecos” de información. El problema se soluciona “rellenando” estos huecos mediante técnicas matemáticas de interpolación, en las que el software de la cámara calcula el color posible de una celda sobre la base de los colores de las celdas adyacentes. La inmensa mayoría de las cámaras actuales de fotografía digital usan este tipo de sensores únicos. Por tanto, deben usar la interpolación que, inevitablemente, lleva a una cierta distorsión del color y una pérdida del detalle de las imágenes. A diferencia del resto de tecnologías, el Foveon no necesita ningún tipo de cálculo o invención para determinar los valores de los canales que el sensor no ha podido capturar. Cada píxel de la imagen final está formado por información real de los tres canales RGB capturados de forma independiente por las diferentes capas del sensor.

1. En los sistemas convencionales, una única capa de fotodetectores sensibles a diferentes colores está dispuesta en mosaico. 2. Los filtros de color sólo dejan pasar una longitud de onda de luz (roja, verde o azul) para cada uno de los píxeles, limitándolos así a la captura de un único color. 3. Como resultado, los sensores de mosaico capturan sólo el 25% de la luz roja y azul, y apenas el 50% de la verde.

1. El sensor Foveon X3 dispone de tres capas superpuestas de fotodetectores en el bloque de silicio. 2. Mediante la absorción de colores de luz según la profundidad, cada capa captura un color. Apiladas una sobre la otra, se obtienen píxeles capaces de reproducir todos los colores.

Foveon FO18-50-F19 X3 de 4,5 Mp y 1 1/8 de pulgada

3. Como resultado, el sensor Foveon X3 captura luz roja, verde y azul en cada píxel. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 41 de 62


Para capturar el color que otros sensores de imagen pierden, los sensores de imagen Foveon X3 - obra del legendario inventor norteamericano Carver Mead <21> usan tres capas de fotodetectores fundidos en silicio. Las capas son posicionadas para obtener ventaja del hecho de que el silicio absorbe los diferentes colores de la luz a diferentes profundidades, de manera que una capa registra el azul, otra capa registra el verde y la siguiente el rojo. Esto significa que por cada píxel en un sensor de imagen Foveon X3, existe en realidad una pila de tres fotodetectores, que forman el primer sistema existente de captura con un sensor de color de imagen completo. Todos los otros sensores de imagen se caracterizan por sólo una capa de fotodetectores. El gran avance de Foveon <22> - una empresa pequeña y antes poco conocida, fabricante de semiconductores para cámaras digitales y otros productos de alta tecnología - es lograr un sensor capaz de medir los tres componentes en cada píxel. Un megapíxel es realmente un millón de píxeles con sus tres componentes. Un sensor Foveon de 1 megapíxel es equivalente a un sensor tradicional de 3 megapíxeles; uno de 5 megapíxeles equivale a 15 megapíxeles. Aunque esta comparación no es completamente precisa, resulta apropiada. Las otras ventajas del Foveon X3 son: - Reducción de la electrónica, (necesaria para la interpolación y el cálculo que necesitan los sensores tradicionales para construir la imagen final a partir de la información capturada), la simplificación del procesado del color (del cual depende en gran medida la calidad final de las imágenes) y, cómo no, un aumento muy significativo de la luminosidad, la viveza y naturalidad de los colores y la nitidez general de las capturas. - Capacidad para solventar los problemas de los sensores convencionales derivados, por su construcción, de la reproducción de líneas o perfiles muy finos. Estos no disponen de una resolución de color de píxel real (cada punto de color en la imagen procede de una interpolación entre varios píxeles del sensor), por lo que la reproducción de líneas finas (textos, cabellos o tejidos) supone mayores dificultades. En este sentido las imágenes obtenidas por el Foveon X3 carecen prácticamente de moaré como se aprecia en las imágenes. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 42 de 62


Las imágenes siguientes dan una idea de la mejora teórica aportada por este sensor: imágenes con mayor riqueza de detalles, particularmente en áreas difíciles en el terreno digital como son los textos o la singularización de líneas finas, curvas o rectas.

Mosaico

Foveon X3

Finalmente, otra de las peculiares características del sensor Foveon X3 es lo que se denomina windowing. Se trata de una opción del chip controlador del sensor que ofrece acceso a lecturas selectivas de determinadas partes de la imagen.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 43 de 62


En 2002, cuando vieron la luz los sensores Foveon <23>, muchos y famosos analistas de la industria predijeron que esta tecnología podría ser el avance más significativo en imágenes digitales desde que en 1969 Bell Laboratories inventara el primer sensor de silicio para blanco y negro. Algunos llegaron más lejos afirmando que el chip de Foveon sería capaz de revolucionar la imagen digital. Pese a tan buenos augurios, hasta ahora la cosa no ha sido para tanto: ni el Foveon se ha implantado como sensor estándar ni se ha configurado como un producto "definitivo". La mayoría de los fabricantes han invertido sumas enormes en la tecnología del mosaico Bayer. Las cuatro grandes del mercado – Canon, Fuji, Kodak y Sony – fabrican sus propios sensores sobre tecnologías clásicas CCD o CMOS y no parecen dispuestas ahora a depender de tecnologías ajenas por excelentes que parezcan. Foveon es para ellas, simplemente la competencia comercial. La batalla que les espera a los californianos puede ser larga. Así es esta selva. Como resumen, muy pocas marcas han llegado a utilizar el sensor Foveon: Sigma SD9, Sigma SD10 ($1.500 aproximadamente), Polaroid x530 ($400 aproximadamente) y Hanvision HVDUO-5M, esta última para aplicaciones especiales. Es decir, poca cosa en el enorme panorama digital actual.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 44 de 62


Cámaras que utilizan hoy Foveon X3: Sigma DP2 – Sigma DP1 – Sigma SD14 – Toshiba Telli – FoMOS Camera – Si gma D9 – Sigma D10

Poca cosa en el enorme panorama digital actual.

Toshiba Telli Debut de Toshiba en HD

FoMos Cámaras a medida para aplica ciones biológica s (35 bits)

Sigma D14 $1.600 ( cue rpo) Foveon X3 (2ª generación) 14,1 Mp efe ctivos

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 45 de 62


Sensor FOVEON X3

En el patrón Bayer, los sensores de cada color están intercalados de manera apropiada para poder cubrir toda la imagen. Es una suerte de tablero de ajedrez con sensores verdes cada dos píxeles, y rojo y azul alternándose los espa cios restantes.

La interpolación inevitablemente lleva a una cierta distorsión del color y una pérdida del detalle de las imágenes. Sensor FOVEON X3

La cámara se encarga luego de "interpolar" o "mezclar" esta información para crear los píxeles finales, con tres componentes cada uno.

Foveon X3 1.- El sensor Foveon X3 dispone de tres capas superpuestas de fotodetectores en el bloque de silicio. 2.- Mediante la absorción de colores de luz según la profundidad, cada capa captura un color. Apiladas una sobre la otra, se obtienen píxeles capaces de reproducir todos los colores. 3.- Como resultado, el sensor Foveon X3 captura luz roja , verde Sensor FOVEON y azul en cadaX3píxel.

Con el CMOS Foveon, un megapíxel es realmente un millón de píxeles con sus tres componentes. Un sensor CMOS Foveon de 1 megapíxel es equivalente a un sensor tradicional de 3 megapíxeles; uno de 5 megapíxeles equivale a 15 megapíxeles. Aunque esta comparación no es completamente precisa, es al menos apropiada.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 46 de 62


<20> El sensor CCD convierte los fotones incidentes en electrones que se almacenan en los píxeles individuales en forma de una carga eléctrica. La eficiencia cuántica, como veremos en el capitulo siguiente, es una medida de la fracción de fotones incidentes que son convertidos en electrones en el semiconductor. La eficiencia cuántica depende de la longitud de onda y suele situarse entre valores del 30% al 90% dentro del intervalo de longitudes de onda visibles y el infrarrojo cercano (450-800 nm). Los sensores más económicos suelen ser de iluminación frontal (front-side illuminated). Pero la luz, al tener que atravesar el aislante de dióxido de silicio, es en parte absorbida en las longitudes de onda más cortas y la eficiencia cuántica disminuye. Los sensores de iluminación trasera (back-side illuminated), poseen una eficiencia cuántica mucho más elevada ya que los electrodos se encuentran en la parte inferior de la oblea. Para aumentar la eficiencia cuántica de los sensores suelen darse tratamientos antirreflectantes que pueden ser especiales para determinadas longitudes de onda (como UV), o incluso recubrirse de sustancias fluorescentes que se excitan en el ultravioleta y reemiten en longitudes de onda visibles. <21> “Es fácil tener una idea complicada. Es muy, muy complicado tener una idea simple”. Carver Mead. Foveon es el nombre del fabricante norteamericano fundado en 1997 por el doctor Carver Mead, especialista en tecnología electrónica y profesor, durante más de 40 años, en el Instituto Tecnológico de California. En septiembre de 2000 anunció un captador CMOS de 16,8 millones de píxeles, es decir, el de mayor resolución construido hasta la fecha. Un año antes, en octubre de 1999, fruto de los desarrollos previos, la marca patentó el diseño del X3. <22> En la página web de Foveon hay unos magníficos tutoriales al respecto. Los enlaces son: http://www.Foveon.com/files/ccd_vs_x3_photondropv5.swf http://www.Foveon.com/files/image_comparisonv2_2.swf

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 47 de 62


<23>. Afirman que nuevo sensor digital iguala la calidad de la película por John Markoff para The New York Times (10 de febrero de 2002) SAN FRANCISCO, 10 de febrero. Si Carver Mead está en lo correcto, la película fotográfica es una especie en vías de extinción. El doctor Mead, quien tiene 67 años de edad, fue pionero de la industria moderna del chip para computadoras en los setentas, pero nunca ha dejado de inventar. El lunes, Foveon, su empresa ubicada en Silicon Valley, tiene planeado comenzar a distribuir un nuevo tipo de sensor de imagen digital considerado por los expertos como el primero en igualar o sobrepasar las capacidades fotográficas de la película de 35mm. Se está utilizando el sensor de la compañía en una cámara réflex de un solo objetivo que Sigma, un fabricante japonés de cámaras y óptica, tiene planeado poner a la venta a finales de mes por aproximadamente 3.000 dólares. La distribución de la segunda generación de sensores Foveon está planeada para este otoño y, si los demás fabricantes de cámaras lo adoptan, podría estar disponible a principios del año siguiente en las marcas más populares de cámaras digitales de menos de 1.000 dólares. El primero de los nuevos sensores distribuido por la empresa está siendo fabricado por National Carver Mead, Semiconductor y tendrá aproximadamente 3,53 millones de píxeles. Con dicha resolución este fundador de dispositivo estará ubicado en el rango medio del mercado de los sensores para imágenes Foveon. digitales usado en cámaras fijas y de video. Sin embargo, sus diseñadores dicen que debido a la técnica de captura de color de la nueva tecnología, se le puede comparar con los sensores de más de siete millones de píxeles actualmente disponibles en cámaras de 6.000 dólares o más.

“Transformará la industria por completo", dijo George Guilder, economista y analista de la industria de la informática, refiriéndose al sensor de Foveon. Los ejecutivos de Eastman Kodak, uno de los más grandes fabricantes de cámaras digitales para consumidores y para profesionales, dicen que han hablado con Foveon sobre la posibilidad de usar los sensores de Foveon en una parte de la línea de productos Kodak. "Estamos muy conscientes de lo que están haciendo y estamos siguiendo sus avances", dijo Madhay Mehra, gerente del grupo de captura digital profesional de Kodak. "Nuestra postura es que si está tecnología funciona, será de gran

trascendencia".

Si Foveon quiere realizar el objetivo de convertirse en una compañía líder en el mercado de sensores digitales para imagen, tendrá que atraer a fabricantes como Kodak. Actualmente, el mercado de los sensores está dominado por los gigantes de la electrónica como Sony y el fabricante de chips europeo ST Microelectronics, compañías que han invertido miles de millones de dólares en sus propias tecnologías. "No me queda duda de que se trata de una tecnología importante", dijo Chris Chute, un analista del centro de investigación International Data Corporation. "El problema está en que existen en el mercado competidores ya muy

consolidados. El fabricante número uno de cámaras digitales en el mundo es Sony, una empresa gigantesca comparada con Foveon".

Aun así, los expertos en fotografía dicen que el enfoque seguido por Foveon en relación con los sensores podría ser el adelanto más importante en la fotografía digital desde la invención del primer sensor blanco y negro en los laboratorios Bell en 1969. El sensor de Foveon simplifica significativamente el proceso de captura de una imagen digital y evita gran parte de las aberraciones de color que han plagado a la fotografía digital. La actual camada de sensores digitales captura la luz usando un mosaico de filtros de color rojo, verde y azul que limita la información de color a un color por píxel en la superficie del sensor. La técnica requiere que el chip realice 100 cálculos por píxel para igualar el color, lo que puede provocar inexactitudes. La limitación también obra en detrimento de la resolución y pone límites sobre su capacidad de funcionar en condiciones de poca luz.

"La mayoría de las cámaras digitales no realiza un buen trabajo a la hora de registrar los colores que realmente vemos", dijo el Dr. Mead. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 48 de 62


El sensor de Foveon, en vez de separar la imagen en colores distintos y distribuirlos en varios píxeles, captura el color midiendo la profundidad de penetración de los fotones de luz en la superficie del material sensible. No sólo produce una mayor resolución en un número dado de píxeles, sino que también se pierde menos luz y se necesitan menos cálculos de corrección que pueden distorsionar la imagen. "Ya no es necesaria la película fotográfica", dijo el Dr. Mead. Con más de mil millones de cámaras de película en el mundo, es poco probable que pronto desaparezca la fotografía convencional, opinó Don Franz, editor de Photo Imaging News, una publicación sobre esta industria. Sin embargo, Don Franz considera que el mercado de cámaras digitales está creciendo rápidamente, con cerca de ocho millones de cámaras vendidas en los Estados Unidos el año pasado y diez millones más en el resto del mundo, y con un mercado global valorado en 8.600 millones de dólares. Alexis Gerard, editora de The Future Image Report, un boletín en donde se analiza el mercado de la fotografía digital, dijo que la industria está en un punto de transición en cuanto a la tecnología digital y que la tecnología de Foveon podría ayudar a acelerar esa transformación. "Tener sensores que midan los tres colores en cada elemento al máximo de exposición ha sido el Santo Grial de la ingeniería", dijo Alexis Gerard. Los expertos dicen que uno de los aspectos más intrigantes de los sensores Foveon es que podrían facilitar la creación de una cámara digital mixta que funcione igualmente bien para video y para fotografía fija. Actualmente, los mercados para las cámaras digitales fijas y las de video son distintos porque gran parte de los sensores no pueden pasar de la alta resolución de las imágenes fijas a la menor resolución de las imágenes en movimiento. La nueva tecnología de Foveon, que la empresa ha denominado X3, se distancia de los dos tipos de sensores de imagen que habían proliferado en una amplia gama de productos para el consumidor: CMOS (complementary metal-oxide semconductor) y una variedad más compleja llamada CCD (charged coupled device). Dos años atrás, Foveon se había concentrado en cámaras profesionales basadas en sensores CMOS, pero abandonó el proyecto tras dar con la tecnología X3.

Foveon está siendo deliberadamente vaga acerca de sus métodos de fabricación pero dice que su diseño reduce los costos de producción y podría abrir una oportunidad para los fabricantes estadounidenses de chips en el campo de los sensores digitales. National Semiconductor, uno de los fabricantes de chips más antiguos de Silicon Valley y productor de los actuales sensores de Foveon, ha invertido en Foveon. Brian L. Halla, director de National Semiconductor, se siente optimista al respecto, pero no da por hecho que será fácil ganar terreno ante los competidores ya consolidados. "Sony ha invertido en una nueva planta de fabricación de CCD y podrían luchar contra esta tecnología bajando los precios", dijo Brian Halla. El Dr. Mead, quien fundó Foveon en Santa Clara, California, en 1997, trabajó durante mucho tiempo como físico en el California Institute of Technology, antes de jubilarse hace dos años. En los setenta fue pionero en el desarrollo de técnicas de diseño que ayudaron a la formación de la industria moderna de semiconductores, en particular, desarrolló un proceso conocido como integración de sistemas muy grandes (V.L.S.I.), que hizo posible colocar decenas de miles de transistores en un único chip de silicio. El Dr. Mead fue cofundador de Synaptics, principal fabricante de touchpads. También participó en la creación de Impinge, una empresa que fabrica tecnología para semiconductores análogos, y Sonic Innovations, un fabricante de aparatos para sordos. "La fuerza de Carver es su ingeniosa comprensión de la física", dijo Carlo Sequin, un profesor de ingeniería electrónica en la Universidad de California en Berkeley y uno de los inventores de la cámara digital de video en los laboratorios Bell en 1973. "Inventa atajos que hacen que las cosas vuelvan

a ser simples otra vez".

Información aparecida en: http://www.zonezero.com/magazine/news/sensorsp.html

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 49 de 62


TIPOS DE SENSORES UTILIZADOS EN CINEMATOGRAFÍA DIGITAL

El neologismo “cinematografía digital” hace referencia a las imágenes generadas por cámaras electrónicas de sensores de estado sólido cuyo tamaño es equivalente al fotograma de Super 35 de cuatro perforaciones, es decir, el de cine mudo. La cámara Dalsa Origin, (sistema de captación, solo cámara) para cinematografía digital de fabricación canadiense, utiliza un único CCD de 4096 x 2048 píxeles (cuadruplica la resolución de la alta definición 1080 x 1920) a 16 bits cuyo tamaño corresponde al fotograma de Super 35/4p, y con un enorme rango dinámico: 12 diafragmas. En la imagen central se aprecia la diferencia de tamaños entre el fotograma de Super 35/4p y el CCD de 2/3 típico de alta definición <24>. La cámara equipa visor óptico, no electrónico. Dado que cada imagen a 16 bits pesa 16Mb, las exigencias de almacenamiento son enormes: a 24 i.p.s. la cámara genera casi 400Mb por segundo (1,44Tb por hora).

El coste de alquiler de la Dalsa Origin incluyendo grabador (data recorder) es de $3000 diarios. Si se incluyen óptica y accesorios, la factura diaria puede subir a más de $5.000 (tarifas Dalsa, enero 2007) Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 50 de 62


<24> La canadiense Dalsa, fabricante de sensores, presentó en 2006 el primer CCD con más de 100 millones de píxeles, exactamente 111.513.600 píxeles, (10.560 por 10.560 píxeles) con un tamaño de 10,16 por 10,16 centímetros, por encargo del ejército de los Estados Unidos, destinado aparentemente a la observación del espacio exterior (aunque no serían de extrañar aplicaciones militares dado el precedente de la llamada Guerra de las

Galaxias).

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 51 de 62


La Víper

FilmStream de Thompson y Grass Valley

utiliza tres CCD. Una gran parte del metraje de las películas

Collateral

Dion Beebe (DF) y Michael Mann (director) en el rodaje de Collateral

(totalmente nocturna) y Miami Vice, entre otras, se filmaron con esta cámara. Otra

parte fue hecha en 24P y el resto en 35mm. El bloque óptico de la Thomson Grass Valley Víper FilmStream contiene tres CCD de 9.2 megapíxeles para un total de 27.6 millones de píxeles en formatos nativos 16:9 o 2,37:1. El obturador mecánico garantiza la inexistencia de smear, fenómeno del que hablaremos enseguida.

CINEMATOGRAFÍA DIGITAL “Cinematografía digital” hace referencia a imágenes generadas por cámaras electrónicas de sensores en tamaño equivalente al fotograma de Super 35, es decir, el de cine mudo.

Super 35

24,89 x 18,67mm = 465mm2

2/3 de pulgada (16:9)

9,59 x 5,39mm = 51,39mm2

El Super 35 tiene casi 9 veces más área de imagen que la alta definición

Arri, el gran fabricante alemán de cámaras cinematograficas propone la Arri D-20, basada estructuralmente en la Arri 435 de cine en 35mm. Utiliza un solo sensor tipo CMOS con patrón Bayer, tamaño Super 35/4, ratio nativo 4:3 de 3018 x 2200 píxeles activos. Esta cámara electrónica equipa un visor óptico. Tiene dos modalidades de registro y almacenamiento de la imagen: “video” y “film”. En el modo “video”, los datos recolectados por el sensor con

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 52 de 62


una resolución de 2880 x 1620, son procesados en la cámara misma y enviados a un dispositivo de almacenamiento (disco duro) o grabador, con una resolución de 1920×1080. En el modo “film”, la información de la imagen recogida por el sensor es enviada en forma “bruta” (RAW) al dispositivo de almacenamiento, para luego ser procesada en postproducción, tal y como si se tratara de un negativo para ser revelado en el laboratorio. La idea de Arri ha sido crear una cámara de cine digital para los directores de fotografía de cine tradicional, es decir, sin las complicaciones que significa tener que conocer el formato en sí. Para ello, proponen un equipo en el que prácticamente no hay nada que manipular, ofreciendo una imagen lo más plana y con la máxima información posible para luego, en postproducción, seguir el camino habitual de manipulación y control de la imagen. Entre las características más destacadas de este equipo, está su visor óptico: la imagen observada en él es la reflejada por el espejo del obturador que también es mecánico, no electrónico. La abertura de este puede ser variada desde 11.2º a 180º. Por el diseño del sensor CMOS, Arri anuncia la posibilidad de llegar a las 150 imágenes por segundo, pero actualmente no hay ningún proceso que pueda manejar tal cantidad de información, con lo cual esa capacidad teórica queda notablemente reducida a la hora de la verdad. Para algunos profesionales, la Arri D-20 plantea dudas puesto que una de las particularidades más interesantes de una cámara electrónica de alta gama es precisamente poder controlar los parámetros de imagen, entre otras cosas, la curva de gamma. Todo ello ahora debe ser reconstruido en postproducción ya que la cámara graba sin procesar, en modo Raw, obteniéndose un, por así llamarlo, “negativo digital”

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 53 de 62


Las texturas de imagen obtenidas por la D-20 son absolutamente cinematográficas. Las texturas de la imagen digital obtenidas por la D-20 son absolutamente “cinematográficas”.

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 54 de 62


¿QUÉ TECNOLOGÍA SE EMPLEA EN C INEMA TOGRAFÍA DIGITAL?

CINEMATOGRAFÍA DIGITAL Mayor área de imagen significa: - Mayor resolución - Mayor rango dinámico - Menor profundidad de campo: foco más diferencial >

El Super 35 (y la cinematografía digital) tienen casi 9 veces más área imagen la alta definición ¿QUÉ TECNOLOGÍA SE de EMPLEA EN que C INEMA TOGRAFÍA DIGITAL?

El DF chileno Claudio Miranda fotografió The Curious Case of Benjamin Button y Zodiac con la Viper. Ambas dirigidas por David Fincher (Seven, Fight

DA LSA Evolution (2008) Igual electrónica pero más ligera que la Origin (uso al hombro).

¿QUÉ TEC NOLOGÍA SE EMPLEA EN CINEMATOGRAFÍA DIGITAL?

Víper FilmStream Tres CCD de 9.2 megapíxeles para

Club, Panic Room, etc)

¿QUÉ TECNOLOGÍA SE EMPLEA EN C INEMA TOGRAFÍA DIGITAL?

Pa navision Genesis Superman Returns Scary Movie 4 Apocalypto Flyboys

Dion Beebe (DF) y un total de 27.6 millones de píxeles Michael Mann (director) en formatos nativos 16:9 o 2,37:1. en el rodaje de Collateral El obturador mecánico garantiza la inexistencia de smear . ¿QUÉ TECNOLOGÍA SE EMPLEA EN C INEMA TOGRAFÍA DIGITAL? Nueva ARRI D-21 que se diferencia de la anterior D-20 en su velocidad variable (hasta 60 i.p.s.) y en sus tres salidas: RAW, M-scope (salida específica para anamórfico) y HD. La cámara puede entregar simultáneamente dos de ellas, la D-20 solo una.

Cámara + grabadora (camascopio). Magnetoscopio adosable Sony SRW-1 que graba en cintas HDcam SR más de 50 minutos. Un solo CCD (tecnología Sony) de 12,4 megapíxeles Visor electrónico Accuscene

Un CCD de 4096 x 2048 píxeles (cuadruplica la resolución de la alta definición 1080 x 1920) a 16 bits y enorme rango dinámico: 12 diafragmas . Visor óptico, no electrónico

Un CMOS Super 35

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 55 de 62


¿QUÉ TECNOLOGÍA SE EMPLEA EN CINEMA TOGRAFÍA DIGITAL?

Sony F35 Respuesta tardía del fabricante nipón al desafío de la cinematografía digital. Graba a 1080p, 4:4:4, 10 bits, de 1 a 50ips en soporte HDcam SR, mediante magnetoscopios portátiles o disco duro.

Un solo sensor CCD de Super35 con montura PL

Teniendo en cuenta lo que oferta su competencia, el precio es del todo disparatado: unos 210.000 euros, solo el cuerpo de cámara. SILIC ON IMAGING Slumdog Millionaire se rodó con una pequeña cámara Silicon Imaging, prácticamente un sensor con obj etivo. Se conecta mediante un cable Ethernet a un disco duro que graba toda la información en RAW, sin tratar, a 2k (20 48 x 1152) > “ The film used a prototype Digital

Cinema Camera from Silicon Imaging. When used in Mumbai, there were SI technicians on set constantly to deal with any problems the prototype had, of which there were many” IMDb

Slungdog Millionaire es la primera película rodada en cine digital (2K) que obtiene el Oscar a la mejor fotografía (Anthony Dod Mantle) Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 56 de 62


Otra grande de la cinematografía digital es la nueva Panavision Genesis, desarrollada por el legendario fabricante de estadounidense en colaboración con Sony. Equipa un único CCD en tamaño Super 35/4p con lo que las imágenes generadas tienen el foco diferencial típico de 35mm y un excelente rango dinámico. La cámara Genesis de Panavision fue la elegida para rodar la última versión de las aventuras de Superman (Superman Returns), dirigida por Brian Singer (Sospechosos Habituales, X-Men, Valkyrie ...) y fotografiada por Newton Thomas Sigel. Apocalypto, Scary Movie 4 y Flyboys también se originaron con la Panavision Genesis.

En las imágenes se observa el foco diferencial obtenido con la Panavision Genesis, cuyo único CCD corresponde al formato de Super 35/4p

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 57 de 62


Dean Semler (ASC) rodó Apocalypto con la Panavision Genesis en las selvas de México

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 58 de 62


La cámara Red One La última y enorme sorpresa viene firmada por la recién llegada compañía estadounidense Red Digital Cinema Camera Company que presentó el 24 de abril de 2006 en la feria NAB de Las Vegas el primer prototipo de la Red One, una cámara de cine digital que captura a 4K con sensor de tamaño Super 35/4p y que, según su fabricante, se posiciona en el mercado como "la cámara de alta definición con más resolución del mundo". Esta cámara es el último gran proyecto de Jim Jannard, un experto profesional de la fotografía, el vídeo y la tecnología, y fundador de la conocida marca de gafas de sol Oakley, lo que explica el particular diseño de la cámara. La Red One no pudo empezar con mejor pie en aquel show de Las Vegas: el 26 de abril recibía uno de los premios NAB2006 AIM, a la innovación en “media”, dentro de la categoría de Creación de Contenido. La Red One trabaja en 4k, 2k, 1080p, 1080i y 720p, con o sin compresión, en 4:4:4 o en 4:2:2 y destaca por su sensor CMOS bautizado como Mysterium. Captura 11,5 megapíxeles a 60 cuadros por segundo, lo que supondrá cinco veces más información por segundo y un aumento considerable de la calidad de grabación, en comparación con otros camascopios que graban a 2,1 megapíxeles a 30 cuadros. Red

Digital Cinema Camera Company ya no habla simplemente de HD sino de “Ultra High Definition'”.

El sensor CMOS (4520 x 2540 píxeles) tiene unas dimensiones de 24,4mm x 13,7mm, equivalentes al tamaño Super 35/4p, lo que permite ofrecer una profundidad de campo idéntica a la de este formato. Obviamente puede usar ópticas de cine de montura PL. La latitud o rango dinámico también marca diferencias porque, dependiendo del modo de grabación, se consiguen de 11 a 15 diafragmas (algo que habrá de comprobarse científicamente). La velocidad de grabación de la Red One va desde solo 1i.p.s. a 120i.p.s. y, para mayor durabilidad y menor peso, ha sido construida en aleación de magnesio. Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 59 de 62


La Red One tiene dos opciones de almacenamiento (Digital Media Magazine), con interfaces Firewire 400/800, USB 2 y eSATA. El Red Drive vendría a ser un disco duro con capacidad comprendida entre los 40 y los 160 GB; mientras que el RedFlash, basado en memoria flash tendría una capacidad de 32 a 128 GB. El cuerpo de la cámara pesa poco más de tres kilos (ventajas de la aleación de magnesio) y tiene un costo de solo $17.000 (un precio diez veces menor, que una Dalsa, por ejemplo, que genera 4K) mientras que el Digital Media Magazine costaría cerca de mil dólares. Quizá la parte más interesante del diseño de esta cámara sea su modularidad y escalaridad. El diseño, grosso modo, consta de un captador, óptica, software, interfaces y soportes de grabación. Todo en ella es sustituible y actualizable, es decir, no es necesario cambiar de cámara según la aplicación. Grabar sobre disco duro, emitir en directo, emitir para Internet, etc., significa simplemente cambiar el interfaz, cambiar el software, un concepto de trabajo que rompe con lo conocido hasta ahora. Cooke ofrece cuatro objetivos Cooke S4/i para la cámara Red One con distancias focales de 15mm hasta 100mm; se diferencian por el grabado de la marca y detalles en rojo. La montura es estándar PL. El juego se llama Cooke RED Set, y sus objetivos incorporan tecnología de captura de metadatos que pueden leer directamente las cámaras RED. El Cooke RED Set incluye el zoom S4/ 15-40mm, T2.0 CXX; y tres objetivos de focal fija (primes) S4/ 50mm, T2.0; S4/ 75mm, T2.0; y S4/ 100mm, T2.0

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 60 de 62


RED Ópticas RED

Zoom 18-50mm – T3 - $6.500

Zoom 50-150mm – T3 - $8.500

La cámara puede ser adquirida con monturas PL en Super 35 y Super 16 o con la tradicional B4.

RED Ópticas RED Zoom 18-85mm T2.9 - $9.975

RED

180mm F2.8 $4.950

Crossing the Line - D.: Peter Jackson - 1ª película en Red One Angels and Demons (Ron Howard) Knowing (Alex Proyas) The Informant (Steven Soderberg) El Argentino (Steven Soderberg) Guerrilla (Steven Soderberg) Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 61 de 62


RED ONE. El “no va más”

4K MYSTERIUM® Frame Capture Shot with the RED 300mm f2.8 lens, 24fps at 1/48 sec. 4.9k 12 bit, down-converted to 4k, down-converted to 8 bit jpeg. No noise reduction, sharpening. RED ONE. El “no vaNo más”

Sensores de imagen. Tipos. Antonio Cuevas – Pág. 62 de 62

Sensores de imagen  

Manual de Tecnología Audiovisual de Antonio Cuevas.

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you