Partes de una cámara
Mecanismo de captura
FotosensoresCaptura de los sensores de imagen CCD y CMOS
Hay dos tipos de unidades de sensor que se pueden usar en cámaras digitales.
Las unidades CCD (dispositivo de carga acoplada) y CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) tienen una característica principal en común. Ambos usan una variedad de millones de pequeños sensores fotográficos. Cada sensor crea una corriente eléctrica cuando se expone la luz. La fuerza de la corriente es proporcional al brillo de la luz. Pero la forma en que se capturan estos datos eléctricos y se convierten en un archivo de imagen es muy diferente.
Una carga a la vez
Los diminutos sensores fotográficos crean solo un minuto de corriente eléctrica. Esto debe amplificarse antes de que sea útil para crear una imagen. Algunos CCD tienen un solo amplificador. Esto trata con la corriente de cada sensor a su vez. El amplificador se coloca en una esquina del sensor donde lee y amplifica la carga del sensor más cercano en la primera fila. La carga en este sensor se libera, dejándola "vacía". Todas las cargas de cada sensor en la primera fila ahora se mueven a lo largo de un sensor, para que el amplificador pueda leer y procesar la próxima carga. Esto continúa hasta que el amplificador haya tratado a su vez las cargas de cada uno de los sensores en la primera fila.
La unidad CMOS de la EOS-1Ds Mark II
En este punto, todos los sensores en la primera fila están "vacíos" de cargas. Esto permite que todas las cargas de los sensores en la segunda fila bajen a la primera fila. La segunda fila ahora está vacía y se llena con la carga de la tercera fila. De esta manera, todos los cargados se despliegan una fila, dejando la fila superior vacía.
Todo el proceso se repite y el amplificador se encarga de las cargas que originalmente estaban en la segunda fila.
Puedes adivinar el resto. Las cargas originalmente en la tercera fila se mueven a la primera fila, donde se alimentan una por una en el amplificador. Esto continúa fila por fila, carga por carga, hasta que la carga del extremo más alejado de la fila superior finalmente llega al amplificador.
Por supuesto, la palabra ‘finalmente‘ es relativa. Todo el proceso tiene lugar muy rápidamente, a menudo en una fracción de segundo.
Cada carga del conjunto de sensores es "etiquetada" por la unidad del amplificador antes de pasarla al microordenador de la cámara para que cada pieza de datos pueda volver a ensamblarse exactamente en la misma secuencia para producir la imagen.
Solo cinco cámaras digitales EOS usan un sensor de imagen CCD, aunque cuatro de estas no son estrictamente cámaras Canon. La EOS DCS3 (julio de 1995), DCS1 (diciembre de 1995), D2000 (marzo de 1998) y D6000 (diciembre de 1998) se produjeron en colaboración con Kodak. Canon proporcionó el cuerpo, pero el sensor de imagen y la electrónica provienen de Kodak.
Solo hay una cámara digital EOS que utiliza un CCD en el que tanto el cuerpo como la electrónica diseñados y construidos por Canon, la EOS-1D (septiembre de 2001), e incluso aquí el sensor CCD se subcontrata.
Las cargas (datos de brillo) de un CCD se mueven a través del sensor fotográfico de la matriz mediante un sensor fotográfico hasta que alcanzan las unidades de amplificador externo.
La ventaja de CMOS
La unidad CMOS adopta un enfoque diferente para procesar las cargas de los millones de fotosensores. En lugar de un amplificador al costado de la matriz, cada píxel individual tiene su propio amplificador personal. Esto significa que todas las cargas se pueden procesar al mismo tiempo, eliminando los sensores para la próxima exposición.
Canon ha concentrado toda su investigación y desarrollo en la unidad CMOS, en lugar del CCD. No solo diseña y fabrica todas sus propias unidades CMOS, sino que también diseña y fabrica los equipos que fabrican las unidades CMOS. La primera cámara digital EOS con un sensor Canon CMOS fue la D30 de mayo de 2000). Todas las cámaras digitales EOS posteriores, con la excepción de la EOS-1D, también cuentan con un sensor de imagen CMOS de Canon.
Para el mundo exterior, la concentración de Canon en CMOS parecía un poco perversa. A fines de la década de 1990, las imágenes de los CCD tenían una calidad significativamente mayor que las de las unidades CMOS. Había dos razones principales para esto. Los CCD son menos propensos al "ruido", un patrón similar a un grano que aparece en la imagen, especialmente a velocidades ISO equivalentes más altas. Además, la sensibilidad a la luz de una unidad CMOS era menor que la de un CCD. Esto requirió una mayor amplificación de la señal, lo que condujo a más "ruido".
Pero Canon reconoció que las unidades CMOS ofrecían beneficios a largo plazo y se propusieron superar las desventajas.
Una ventaja es que las unidades CMOS necesitan mucha menos energía para funcionar que los CCD. Una cámara digital exige muchas baterías para operar el enfoque automático, la exposición automática, el control del obturador y, en algunas cámaras, el flash incorporado. Cualquier técnica que ayude a reducir el agotamiento de la batería es algo bueno.
Además, las unidades CMOS son mucho más baratas de fabricar que los CCD. Esto puede parecer extraño teniendo en cuenta que cada sensor necesita su propio amplificador, pero todo esto se hace con microelectrónica directamente en la unidad del sensor. El CCD necesita un amplificador separado y otros componentes electrónicos asociados que se suman al costo de la unidad ya costosa.
El menor costo de las unidades CMOS es importante para Canon porque está vendiendo su gama de cámaras digitales de consumo a un mercado masivo. El uso de CMOS influyó en la comercialización de la primera cámara réflex digital de menos de € 1.500, la EOS 300D, en septiembre de 2003.
Superar los problemas
Los sensores CMOS eran conocidos por su "ruido". En términos simples, esta es una actividad eléctrica que no juega ningún papel en la formación de una imagen real del sujeto. Una causa de este ruido son los amplificadores individuales vinculados a cada fotosensor. Inevitablemente, hay ligeras variaciones en la salida de los millones de amplificadores en la matriz, y esto crea un patrón de ruido en la imagen.
Canon ha superado esto con pensamiento lateral. En lugar de intentar igualar los amplificadores, ha aceptado que siempre habrá un patrón de ruido. Por lo tanto, cada vez que toma una fotografía, en realidad realiza dos exposiciones: una del sujeto y otra con el obturador cerrado. Esta segunda exposición solo captura el patrón de ruido. Si los valores de este patrón se restan de la primera exposición, obtendrá una imagen con poco o ningún ruido.
Los fotosensores en una unidad CMOS se colocan dentro de "pozos". Entre los pozos hay circuitos asociados con las unidades de amplificador. Los rayos de luz que alcanzan los espacios entre los pozos se desperdician, lo que reduce la eficiencia de la unidad CMOS.
El segundo problema principal con los sensores CMOS también está relacionado con los amplificadores, aunque de manera diferente. En un CCD, casi toda la superficie de la unidad está ocupada por fotosensores. En una unidad CMOS, se necesita espacio para los circuitos del amplificador, por lo que se dedica menos espacio a los fotosensores. Esto significa que parte de la luz que llega a la unidad golpea áreas entre los sensores y se pierde, lo que reduce la sensibilidad general de la unidad.
Hay dos soluciones para este problema. Primero, el circuito puede hacerse más pequeño y los fotosensores más grandes. Pero hay un límite para esta reducción, y una escalada en el costo de fabricación, por lo que siempre habrá espacio entre los sensores. Para contrarrestar esto, se utilizan millones de microlentes, una sobre cada fotosensor. La microlente cubre el fotosensor y los circuitos. Los rayos de luz que golpean el borde de la micro lente, que normalmente se desperdiciarían, ahora se enfocan en el fotosensor. El efecto es aumentar la sensibilidad de la unidad del sensor.
El resultado es que las unidades de sensor CMOS de Canon pueden competir e incluso superar a las unidades de sensor CCD. Todas las cámaras digitales profesionales EOS actuales usan unidades de sensores CMOS, y las revisiones comentan regularmente la falta de ruido, incluso en configuraciones ISO altas.
Colocando una micro lente sobre cada sensor y su circuito captura la luz que normalmente se desperdiciaría y la redirige a los fotosensores.
Referencias
