Fundamentos de la Captura Óptica y Digital en Cámaras: Lentes, Sensores y Color

Componentes Fundamentales de la Captura de Imagen Digital

Bloque Óptico: Selección y Enfoque de la Escena

El bloque óptico comprende los dispositivos necesarios para seleccionar la escena y convertirla en señales eléctricas.

Componentes Clave del Bloque Óptico:

1. Lente de enfoque: Concentra el punto de foco sobre el sujeto. En las cámaras domésticas, mediante un motor, la lente se mueve en una corredera, en la que un sistema detecta la distancia.

2. Lente de encuadre (zoom): Seleccionan la zona concreta de la imagen que se mandará. El recorrido del grupo de lentes define la distancia focal mínima y el número de aumentos. W (angular) representa la distancia focal mínima y T (teleobjetivo) la distancia focal máxima.

3. Diafragma: Es una cortina circular regulable que controla la cantidad de luz que se transfiere al interior de la cámara. Cuanto más bajo es el número f (valor de diafragma), más luminoso será el objetivo.

Sensores de Imagen: Conversión de Luz a Señales Eléctricas

Los sensores de imagen son semiconductores distribuidos en forma de matriz. Acumulan una carga eléctrica en cada píxel, cuya magnitud depende de la cantidad de luz incidente.

Tipos de Sensores:

CCD (Dispositivo de Carga Acoplada)

• Es un circuito integrado compuesto por condensadores que convierte las cargas eléctricas acumuladas en los píxeles en voltajes.
• Un convertidor analógico-digital (ADC) traduce la lectura de los valores de las celdas (voltajes) a formato digital.
• Su estructura interna es relativamente simple, exceptuando un chip encargado de procesar la información del sensor.
• Su rango dinámico generalmente supera al de los sensores CMOS; al ser menos sensible en ciertos aspectos, tolera mejor los extremos de luz (altas luces y sombras profundas).
• Presenta un nivel de ruido característicamente bajo, a menudo inferior al de los CMOS equivalentes de generaciones anteriores, en parte debido a que puede contar con un chip externo dedicado a la optimización de la señal, lo que permite un mejor control del ruido.
• Dado que toda la matriz de píxeles tiende a ser muy homogénea, la respuesta del sensor es uniforme y no presenta variaciones significativas entre píxeles.

CMOS (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico)

• Es un tipo de sensor que detecta la luz donde cada celda (píxel) es independiente y cuenta con su propia circuitería de amplificación y, a menudo, de conversión analógico-digital.
• Permite reducir costes de fabricación al no necesitar siempre un chip externo para la digitalización, ya que esta se realiza en los transistores integrados en cada píxel.
• Suelen ser más baratos de producir y, en muchas aplicaciones modernas, ofrecen una calidad de imagen comparable o superior a los CCD.
• Generalmente, son más sensibles a la luz, lo que puede ser una ventaja en condiciones de baja luminosidad.
• Son más rápidos en la lectura de datos, porque el procesado inicial (y a veces la digitalización) se realiza dentro del propio sensor, en paralelo para muchos píxeles.
• El control del blooming (efecto que ocurre cuando un píxel se satura por exceso de luz y comienza a "contaminar" o saturar los píxeles adyacentes) suele ser mejor gestionado.

Separación Cromática: Captura del Color

En el captador CCD, encontramos elementos sensibles a los tres colores primarios (generalmente Rojo, Verde y Azul - RGB). Esta sensibilidad selectiva al color se logra mediante microfiltros de color (cuya disposición sobre los píxeles varía, como en el patrón de Bayer) y es fundamental para la captura de imágenes en color. La necesidad de interpolar la información de color de píxeles vecinos para obtener una imagen a todo color puede influir en la resolución efectiva de los detalles finos.

Para organizar las componentes de los colores, la trama de salida del captador se aplica a un bloque de muestreo y retención. Posteriormente, se procesan estas señales: se relacionan los componentes de color (por ejemplo, los capturados en líneas horizontales adyacentes) y se pueden crear señales de prevídeo a partir de la información agrupada de los sensores. Los prevídeos típicamente consisten en una señal para la luminancia (Y), que representa el brillo, y otra (u otras) para el croma (C), que representa la información de color.