Explicación de los sensores de imagen

La fotografía tiene la habilidad mágica de inmortalizar un momento. La clave está en el sensor de imagen que se encuentra en el corazón de cada cámara digital. Al igual que la retina del ojo humano capta la luz y la traduce en impulsos nerviosos que el cerebro pueda interpretar, el sensor capta la luz y la convierte en una señal eléctrica que luego se procesa para formar una imagen digital.

A continuación, echamos un vistazo al funcionamiento de los sensores de imagen y exploramos los distintos tipos de sensores de imagen utilizados en las cámaras Canon.

• Conceptos básicos de las imágenes digitales
• Sensores CCD
• Sensores CMOS
• Avances en los sensores CMOS
• Sensores DGO
• El sensor SPAD
• Explicación de los tamaños de sensor

En todos los tipos de sensores, el proceso de formación de imágenes comienza cuando la luz atraviesa el objetivo de la cámara e incide en el sensor. El sensor contiene millones de receptores de luz (fotodiodos) que convierten la energía luminosa en carga eléctrica. La magnitud de la carga es proporcional a la intensidad de la luz: cuanta más luz incida en un fotodiodo concreto, más fuerte será la carga eléctrica que produzca. (Los sensores SPAD funcionan de forma un poco diferente, más adelante hablaremos de ello).

Para captar los colores además de la información de luminosidad, los fotodiodos están equipados con filtros de color rojo, verde y azul. Esto significa que algunos fotodiodos registran la intensidad de la luz roja, otros la de la verde y otros la de la azul.

Las señales eléctricas de todos los fotodiodos del sensor pasan al procesador de imágenes de la cámara, que interpreta toda esta información y determina los valores de color y luminosidad de cada uno de los píxeles (elementos de la imagen) que componen una imagen digital.

Si disparas en RAW, estos datos se guardan en un archivo RAW, junto con la información sobre los ajustes de la cámara. Si la cámara está configurada para guardar las imágenes en cualquier otro formato de archivo (JPEG, HEIF o RAW+JPEG), el procesamiento se realiza en la cámara y suele incluir el ajuste del balance de blancos, la nitidez y la reducción de ruido, entre otros procesos, en función de los ajustes de la cámara. También puede incluir interpolación cromática, que calcula de forma inteligente el valor de color RGB correcto de cada píxel (recuerda que cada fotodiodo solo registra un color: rojo, verde o azul). El resultado final es una imagen digital en color completa, aunque, en realidad, si la imagen es un JPEG, se ha descartado más información original captada por el sensor de la que se ha conservado.

Se suele hablar del número de megapíxeles (millones de píxeles) de un sensor, pero en realidad el sensor no tiene píxeles, sino sensores (fotodiodos individuales). Además, no existe una correspondencia directa entre los sensores del sensor y los píxeles de la imagen digital resultante, por toda una serie de razones técnicas. Es más exacto decir que un sensor tiene un determinado número de «píxeles efectivos», lo cual significa simplemente que la cámara produce imágenes o vídeos de ese número de megapíxeles. La PowerShot V10 de Canon, por ejemplo, tiene un sensor de aproximadamente 20,9 MP en «píxeles totales», pero algunos de los datos del sensor se utilizan para procesos técnicos como la corrección de la distorsión y la estabilización digital de la imagen, de forma que la PowerShot V10 ofrece vídeos (con IS digital de vídeo) de aproximadamente 13,1 MP y fotografías (que se someten a procesos diferentes) de aproximadamente 15,2 MP.

Hay varios tipos diferentes de sensores de imagen. La fotografía digital llegó a mediados de los 80 con la introducción de los sensores CCD (dispositivo de acoplamiento de carga). Estos sensores fueron los primeros en hacer posible la captación de imágenes sin utilizar película, revolucionando la fotografía.

Los sensores CCD están compuestos por una retícula integrada de condensadores semiconductores capaces de mantener una carga eléctrica. Cuando la luz llega al sensor, estos condensadores, que actúan como fotodiodos individuales, absorben la luz y la convierten en carga eléctrica. La cantidad de carga en cada fotodiodo es directamente proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre él.

En un sensor CCD, la carga de cada fotodiodo se transfiere a través de la retícula del sensor (de ahí el término carga acoplada) y se lee en una esquina de la matriz, como si se tratara de pasar agua a lo largo de una fila de cubos o de una cadena humana. Este método garantiza un alto grado de calidad y uniformidad de la imagen porque cada píxel utiliza la misma ruta para emitir su señal. Por este motivo, la primera cámara digital profesional de Canon, la EOS-1D, lanzada en 2001, contaba con un sensor CCD de 4,15 MP. Sin embargo, este proceso también consume más energía que el de los sensores CMOS.

En 2000, Canon introdujo su primer sensor CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) en la EOS D30 de 3,1 MP. A diferencia del sensor CCD, que transfiere las cargas a través del sensor a un único nodo de salida, un sensor CMOS contiene varios transistores en cada fotodiodo que permiten procesar la carga directamente ahí mismo. Esto tiene varias implicaciones.

Para empezar, los sensores CMOS requieren menos energía, lo que los hace más eficientes desde el punto de vista energético. También pueden leer cargas eléctricas a una velocidad mucho mayor, lo que es crucial para rodar secuencias a alta velocidad. Además, los sensores CMOS comparten la misma estructura básica que los microprocesadores de ordenador, lo que permite su producción en serie a un coste inferior y la incorporación de funciones adicionales como la reducción de ruido y el procesamiento de imágenes directamente en el sensor.

Todas las cámaras Mirrorless del sistema EOS R de Canon cuentan con sensores CMOS, al igual que las gamas de cámaras réflex EOS, EOS Cinema y PowerShot.

La tecnología de los sensores CMOS ha seguido evolucionando. Canon ha desarrollado la innovadora tecnología Dual Pixel CMOS AF, que permite utilizar cada píxel del sensor tanto para la imagen como para el enfoque automático, lo que se traduce en un rendimiento de AF más rápido y preciso.

En 2020, se introdujo una versión mejorada del sistema: Dual Pixel CMOS AF II. Esta incorpora el enfoque automático EOS iTR de Seguimiento y Reconocimiento Inteligente (EOS iTR AF X), un sistema de detección y seguimiento de motivos de Canon que utiliza IA de aprendizaje profundo. El Dual Pixel CMOS AF II se utiliza ahora con gran frecuencia en las gamas del sistema EOS R y EOS Cinema, ya que ofrece mayor velocidad de enfoque automático, precisión y cobertura para fotografías y vídeos en cámaras como la EOS R7, la EOS R6 Mark II y la EOS C400.

El Dual Pixel Intelligent AF, que debutó en 2024 en la EOS R1 y la EOS R5 Mark II, ha perfeccionado en mayor medida las capacidades de detección y seguimiento, y fue responsable de la incorporación de características como el AF Action Priority, que permite a la cámara seguir acciones comunes en determinados deportes y desplazar automáticamente el enfoque al área donde está sucediendo la acción.

En la EOS R1, el enfoque automático ha avanzado aún más con el AF tipo cruz, que permite al sensor detectar la diferencia de fases no solo de forma vertical, como otros sistemas AF, sino también de forma horizontal al mismo tiempo. Esto mejoró los resultados de sensibilidad con una mayor precisión y velocidad de enfoque en situaciones con baja iluminación y bajo contraste, y con un rendimiento del AF aún más estable en el modo de disparos en serie.

Otro avance de la tecnología CMOS de Canon es el diseño apilado y retroiluminado del sensor que se utiliza en la EOS R1, la EOS R5 Mark II y la EOS R3. Este diseño sitúa los fotodiodos por encima de la capa de transistores para mejorar la eficacia de captación de la luz, lo que se traduce en menos ruido y mejor calidad de imagen. Además, la estructura apilada permite una lectura de datos más rápida, lo que contribuye al rendimiento de alta velocidad de la cámara.

La EOS R1 y la EOS R5 Mark II también están equipadas con DIGIC Accelerator, que incrementa el volumen de datos que puede procesar la cámara. Junto al sensor apilado y retroiluminado de alta velocidad, el DIGIC Accelerator activa multitud de funciones, como velocidades de obturación electrónicas más rápidas, obtención simultánea de fotografías y vídeos y una reducción significativa de la distorsión de rolling shutter en comparación con cámaras anteriores.

También se utiliza una tecnología de sensor similar en determinadas cámaras EOS Cinema. La EOS C80 y la EOS C400 incorporan sensores CMOS de iluminación posterior (BSI) Full Frame 6K, que proporcionan un mejor rendimiento con baja iluminación en comparación con los sensores de iluminación frontal. Además de proporcionar 16 pasos de rango dinámico y un ruido mínimo, la rápida velocidad de lectura del sensor BSI minimiza la distorsión de rolling shutter.

Canon sigue investigando y desarrollando sensores CMOS. Uno de los resultados es un sensor CMOS de 35 mm Full Frame de altísima sensibilidad, con fotorreceptores mucho más grandes (aproximadamente 7,5 veces más grandes que los sensores anteriores). Los fotorreceptores de mayor tamaño son capaces de captar más luz, en este caso logrando una sensibilidad equivalente a un valor ISO de 4 millones, lo que permite que la cámara capte imágenes de colores vivos en entornos muy oscuros. Esta tecnología se utiliza en la cámara de vídeo ME20F-SH de Canon con iluminación ultrabaja.

Canon también ha desarrollado un sensor con un número de píxeles ultraalto, utilizando técnicas avanzadas de miniaturización para reducir el tamaño de los fotodiodos. Esto facilita la captación de imágenes de resolución muy alta, con un recuento de píxeles de hasta 250 MP. En una imagen captada con esta tecnología, es posible distinguir las letras de un avión en vuelo a 18 km de distancia y alcanzar una resolución aproximadamente 30 veces superior a la del vídeo 4K. Esto tiene un gran potencial para aplicaciones de vigilancia, observación astronómica e imágenes médicas.

Uno de los inconvenientes de los sensores CMOS actuales es que, por razones técnicas como el ancho de banda de los datos, los datos se leen secuencialmente en lugar de todos a la vez. Esto da lugar a problemas como la distorsión de «rolling shutter» de motivos en rápido movimiento que han cambiado su posición durante el tiempo en que se lee el fotograma. Sin embargo, el avanzado diseño apilado y retroiluminado del sensor CMOS que utilizan cámaras como la EOS R1 y la EOS R5 Mark II permite velocidades de lectura mucho más rápidas, lo que reduce en gran medida este problema. De hecho, se ha eliminado casi por completo en la EOS R1, que presume de una reducción de un 40 % de rolling shutter, que supera a la ya de por sí lectura rápida del sensor CMOS de la EOS R3.

Canon está investigando activamente otras soluciones como la tecnología de «obturador global», que permite la lectura de todo el sensor de una sola vez, pero se trata de una tecnología muy compleja, que añade ruido y coste a la imagen, y aún no puede producir resultados de calidad muy alta.

El sensor DGO (salida de ganancia doble) es un sensor de imagen avanzado utilizado en las cámaras de vídeo profesionales EOS C300 Mark III y EOS C70 de Canon.

El sensor DGO de Canon funciona mediante la lectura de cada píxel en dos niveles de amplificación diferentes, uno alto y otro bajo, y la posterior combinación de estas dos lecturas en una sola imagen. La lectura de alta amplificación está optimizada para captar detalles finos en las regiones de sombra, al tiempo que reduce el ruido. La lectura de baja amplificación está diseñada para mantener y reproducir con precisión la información de las zonas iluminadas. La combinación de ambas produce una imagen con un rango dinámico más amplio, que conserva más detalles y muestra menos ruido en comparación con las imágenes de las tecnologías de sensores convencionales.

La tecnología DGO no consume más energía que un sensor convencional y, además, es compatible con el sistema Dual Pixel CMOS AF y la estabilización de imagen electrónica de Canon, lo que proporciona un enfoque automático rápido y fiable, y una imagen muy estable.

Los sensores CCD y CMOS miden la intensidad de la luz, es decir, miden cuántos fotones llegan al sensor en un tiempo determinado. Los sensores SPAD (diodo de avalancha de fotón único) funcionan de forma diferente, utilizando el efecto «avalancha» en los semiconductores. Cuando un fotón incide en el sensor, genera un electrón que desencadena una reacción en cadena o «avalancha» de producción de electrones. Este fenómeno en cadena hace que una gran corriente fluya de forma instantánea, que se interpreta como una señal de tensión en forma de una serie de impulsos que corresponden a fotones individuales.

Gracias a esta exclusiva tecnología de detección de la luz, los sensores SPAD pueden alcanzar un increíble rendimiento con baja iluminación. Utilizando el extraordinario sensor SPAD, Canon ha desarrollado la MS-500, una innovadora cámara de objetivos intercambiables capaz de captar imágenes en color de alta definición en condiciones de iluminación extremadamente baja, incluso en la oscuridad casi total de un entorno nocturno.

Además, la montura de bayoneta de la MS-500 para un objetivo broadcast de 2/3 pulgadas permite a la cámara utilizar la amplia gama de objetivos broadcast de Canon, con su excelente rendimiento óptico de superteleobjetivo. Esto significa que la cámara es capaz de detectar motivos a varios kilómetros de distancia, aunque no estén iluminados, lo que la convierte en un recurso muy valioso para la seguridad, la vigilancia y una amplia gama de aplicaciones científicas.

Está claro que el número de megapíxeles de un sensor (ya sean píxeles totales o efectivos) no lo es todo. El tamaño físico del sensor es un factor importante. Los sensores APS-C son físicamente más pequeños que los Full Frame, lo que significa que, aunque el número de píxeles sea idéntico, una cámara con un sensor Full Frame ofrecerá un rango dinámico más amplio y un mejor rendimiento con baja iluminación: si tiene el mismo número de megapíxeles pero en un área mayor, entonces tiene fotodiodos más grandes, que serán capaces de captar más luz. Esto hace que las cámaras Full Frame, como la EOS R1 y la EOS R5 Mark II, sean la opción favorita de los profesionales, especialmente de los que fotografían paisajes, arquitectura o retratos.

Por el contrario, como los sensores APS-C son más pequeños, el motivo ocupará más espacio en el encuadre que si se utilizara el mismo objetivo con los mismos ajustes en una cámara Full Frame, por lo que, en realidad, un sensor APS-C aumenta el alcance del objetivo. En las cámaras Canon, el «factor de recorte» es de aproximadamente 1,6x, lo que proporciona una distancia focal efectiva 1,6 veces mayor que la del mismo objetivo en una cámara Full Frame. Esto da a un objetivo de 50 mm, por ejemplo, el campo de visión de un objetivo de 80 mm (50 x 1,6 = 80). Esto quiere decir que las cámaras APS-C son muy adecuadas para una amplia gama de usos, incluida la fotografía de naturaleza y urbana. Además, gracias a su sensor más pequeño, las cámaras APS-C como la EOS R50 y la EOS R10 son más pequeñas y ligeras que sus equivalentes Full Frame, lo que las hace una opción ideal para fotografía de viajes o de naturaleza.

Algunas cámaras de vídeo utilizan sensores Super 35 mm (área activa de aproximadamente 24,6 x 13,8 mm, dependiendo del ajuste de resolución), que son ligeramente más grandes que los APS-C (22,2 x 14,8 mm), pero siguen siendo menos de la mitad que los de Full Frame (36 x 24 mm). Se utilizan mucho en la industria cinematográfica gracias a su equilibrio entre coste, calidad de imagen y aspecto cinematográfico (con poca profundidad de campo). Las videocámaras y otros tipos de cámaras utilizan otros tamaños de sensor, como el sensor CMOS apilado tipo 1.0 de 20,1 MP de la cámara compacta PowerShot G7 X Mark III y el sensor CMOS 1/2.3 de 11,7 MP de la PowerShot PX.

La elección del tamaño del sensor depende en gran medida de sus necesidades de disparo y de su presupuesto. Cada tamaño de sensor ofrece distintas ventajas y comprenderlas puede ayudarle a seleccionar la cámara adecuada para sus necesidades específicas. Sin embargo, puede ver por qué la estandarización de "píxeles efectivos" proporciona una medida más sencilla para comparar diferentes cámaras y diferentes tecnologías.