Funcionamiento de Sensores de Imagen Digital: CCD, CMOS y Conceptos Clave

Conceptos Fundamentales de Imagen Digital

Señal Digital

La señal digital es un tipo de señal en la que cada signo que codifica su contenido puede ser analizado en términos de magnitudes que representan valores discretos o separados.

El Sensor de Imagen

El sensor de imagen es una matriz de pequeñas celdas (fotositos o píxeles) perfectamente alineadas en filas y/o columnas.

Funcionamiento Básico y Fotorreceptores

Los fotorreceptores o fotositos son semiconductores de silicio que capturan fotones (luz) y generan una carga eléctrica (electrones) proporcional a la intensidad lumínica recibida. Cada uno de estos elementos genera la información base para un píxel en la imagen final.

Conversión Analógico-Digital y Color

Los datos del voltaje generado en cada píxel, según la cantidad de luz recibida, deben ser convertidos a datos digitales binarios que puedan ser interpretados por un procesador o un ordenador. Esta conversión se realiza en el conversor analógico-digital (ADC). Este componente es crucial, ya que determina el número de bits (la profundidad de bit) que describirá el color o tono de cada píxel.

Es importante notar que, salvo excepciones específicas, los sensores digitales son inherentemente "ciegos" al color. Solo diferencian intensidades luminosas, registrándolas inicialmente como diferentes tonos de gris.

Filtro Bayer

Para capturar color, la mayoría de los sensores utilizan un filtro Bayer. Se trata de un mosaico de filtros de color (rojo, verde y azul) colocado directamente sobre la matriz de fotositos. Una disposición común es tener un 50% de filtros verdes (a los que el ojo humano es más sensible), un 25% de filtros rojos y un 25% de filtros azules. Cada fotosito registra así la intensidad de luz de un solo color primario. Los colores completos de cada píxel se reconstruyen posteriormente mediante un proceso llamado interpolación (o demosaicing), que utiliza la información de los píxeles vecinos.

Tipos de Sensores

Sensor CCD (Dispositivo de Carga Acoplada)

En este tipo de sensor, la carga eléctrica generada en cada fotosito se transfiere a través de las celdas vecinas en un proceso de desplazamientos sucesivos y secuenciales hasta un punto de lectura común, usualmente al final de cada fila o columna. La lectura se realiza de forma secuencial, típicamente por filas.

Sensor CMOS (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico)

En los sensores CMOS, los fotones que recibe cada celda son convertidos en voltaje directamente en la misma celda receptora (píxel). Las celdas funcionan de manera más independiente que en un CCD. La digitalización puede ocurrir píxel a píxel, ya que cada uno suele integrar su propio amplificador de señal eléctrica y, a veces, incluso el conversor A/D.

Sensor Super CCD

Este diseño, desarrollado por Fujifilm, utiliza dos tipos de fotositos por cada ubicación de píxel: uno grande (S), más sensible a la luz baja, y uno pequeño (R), mejor para registrar altas luces sin saturarse. Esta configuración busca aumentar el rango dinámico de la imagen capturada.

Sensor Foveon X3

A diferencia de los sensores con filtro Bayer, el Foveon X3 captura la información completa de los tres colores primarios (rojo, verde y azul) en cada ubicación de píxel. Lo logra apilando los fotodiodos sensibles a diferentes longitudes de onda verticalmente, aprovechando que la luz de distintos colores penetra el silicio a diferentes profundidades. Esto elimina la necesidad de interpolación de color (demosaicing), funcionando de manera análoga a la película fotográfica en color.

Procesamiento y Calidad de Imagen

Profundidad de Bit

El bit es la unidad mínima de información digital. Un bit puede representar dos valores (0 o 1). La profundidad de bit en imagen digital se refiere a la cantidad de bits utilizados para representar el color o tono de cada píxel en cada canal de color.

• Los archivos JPEG típicamente usan 8 bits por cada canal de color (rojo, verde, azul). Esto permite 2⁸ = 256 niveles distintos por canal.
• Los archivos RAW suelen utilizar 12, 14 o incluso 16 bits por canal, capturando una gama tonal mucho más amplia (2¹² = 4096, 2¹⁴ = 16384 o 2¹⁶ = 65536 niveles por canal, respectivamente), lo que ofrece mayor flexibilidad en el post-procesado.

Sensibilidad ISO, Ruido y Buffer

Sensibilidad (ISO) y Ganancia

Cuando se varía el valor de sensibilidad ISO en la cámara, no se modifica la sensibilidad inherente del sensor a la luz que recibe. Lo que realmente se hace es aplicar una ganancia (amplificación) a la señal eléctrica generada por el sensor antes de la conversión a digital. Aumentar el ISO amplifica tanto la señal útil (luz capturada) como las señales no deseadas.

Ruido Digital

Amplificar una señal eléctrica débil, especialmente con valores ISO altos, introduce interferencias o artefactos no deseados en la información que formará la imagen. Este fenómeno se conoce como ruido digital: cualquier dato espurio que acompaña a la señal original, dificultando su transmisión, almacenamiento y deteriorando la calidad final de la imagen (visualmente aparece como grano o píxeles de colores incorrectos).

Buffer de Memoria

El buffer es una memoria intermedia de alta velocidad situada entre el sensor (y el procesador de imagen) y la tarjeta de memoria. Su misión es almacenar temporalmente las fotografías capturadas (a menudo en formato RAW o JPEG procesado) antes de que se escriban de forma definitiva en la tarjeta de memoria, que suele ser más lenta. Esto permite que la cámara pueda realizar disparos continuos o en ráfaga a mayor velocidad de la que permitiría la escritura directa en la tarjeta.