Sensores

Los sensores están en el plano focal de las cámaras digitales. Es el plano donde convergen los haces de luz que atraviesan el objetivo y está compuesto por una matriz de millones de cavidades captadoras de luz llamadas fotodiodos. Durante la exposición, los fotodiodos quedan al descubierto para recoger y almacenar la información de brillo y color de cada píxel.

 

Sensor de una cámara digital

Sensor de una cámara digital.

 

Para captar el color se colocan unos filtros cromáticos delante de cada uno de estos fotodiodos. La tecnología más extendida para esta función es la máscara de Bayer que está formada por un 50% de filtros verdes, un 25% de rojos y un 25% de azules. Interpolando dos muestras verdes, una roja y una azul se obtiene un píxel de color. En los archivos raw se guarda la información del patrón de Bayer de forma directa, sin interpolaciones. Por ello, al proceso de relevado raw también se le conoce como ‘debayerización’ (debayering).

 

Patron de bayer. Esquema de la separación de colores RGB.

Patrón Bayer que se usa en los sensores para captar la información de color de cada píxel. Fuente: Vincent Bockaert

 

Aparte de los filtros de color del patrón Bayer, en un sensor hay otros elementos: un filtro de paso bajo para el anti-aliasing[1], un filtro de infrarrojos (IR)[2], unas micro lentes[3] y dependiendo de las cámaras unos filtros de densidad neutra (ND).

 

Arquitectura del sensor de captación digital de imágenes. Fotodiodos, microlentes, filtros de color, antialiasing y filtros infrarojos

Arquitectura del sensor de captación digital de imágenes.

 

Todos estos filtros del sensor, que son necesarios, lastran el potencial de resolución que pueden dar los objetivos y la cantidad de luz que llega a cada fotodiodo, afectando también al rango dinámico de la imagen resultante. A día de hoy el rango dinámico es el gran reto para aumentar la sensación de calidad de una imagen, tanto o más que la resolución.

Al aumentar el tamaño de los fotodiodos, es decir con sensores grandes con menos megapíxeles, llega más cantidad de luz y, por lo tanto, se incrementa potencialmente el rango dinámico.

El tamaño del sensor determina el tipo de objetivo que se necesita. Las cámaras de cine tradicionales utilizaban película de 35 mm y la denominación de los tamaños de los sensores digitales sigue utilizando esta referencia, indicando así que los objetivos que se utilizaban en cine y en fotografía siguen siendo válidos para estas nuevas cámaras.

Pero los términos 35 mm, Super 35 mm, full frame, etc., no son muy precisos puesto que el número 35 hace referencia al ancho en milímetros de una película fotoquímica considerando también la zona de las perforaciones y sin tener en cuenta la relación de aspecto. En la siguiente imagen se puede apreciar la correlación de tamaño de la película fotoquímica y los sensores digitales de Super 35 mm.

 

Fotograma de película de cine y sensor digital de super 35

Tamaño de los sensores digitales de Super 35 en relación con la película de cine. Fuente: Wolfcrow.

 

El tamaño del sensor tiene también una influencia directa en la profundidad de campo. Las cámaras con sensores más grandes, por las características de la óptica que utilizan, dan menos profundidad de campo. Por este motivo, en televisión se han utilizado habitualmente sensores pequeños, más sencillos de ajustar y que dan mucha profundidad de campo. Es una característica muy efectiva para grabaciones rápidas realizadas por un solo operador. En cine, con película de 35 mm, el foco era más crítico dando lugar a bellas imágenes que utilizan el enfoque selectivo. Las cámaras digitales de cine han heredado esa característica porque utilizan sensores grandes.

Para aumentar la espectacularidad y la calidad de la imagen cinematográfica se ha utilizado, en algunas ocasiones, la película de 70 mm (la imagen en positivo que se proyectaba ocupaba aproximadamente 65 mm). En cine digital también se está viendo la misma tendencia: la Alexa 65 tiene un sensor de 65 mm que requiere objetivos fabricados específicamente para este tamaño; Red y Panavision también han lanzado nuevas cámaras 8K con un sensor de tamaño superior al full frame.

En la siguiente figura se pueden comparar los tamaños de sensores más habituales en las cámaras profesionales 4K.

 

Tamaños de sensores de 65 mm, 35 mm, super 35 y 2/3''

Comparación de los tamaños de los sensores más habituales para las cámaras 4K.

 

Los sensores más grandes (de 65 mm o tamaño ligeramente inferior) se utilizan en las cámaras de cinematografía de gama alta con una resolución espacial superior a 4K: la Arri Alexa 65, la Red Weapon 8K y la Panavision DXL.

El formato full frame (equivalente a 35 mm-8 perforaciones) se utiliza mucho en fotografía. Hay cámaras fotográficas DSLR (Digital Single Lens Reflex), como la Canon 5D, que graban vídeo con un sensor full frame. En esta misma categoría de producto, la Sony A7 graba en 4K con sensor full frame y consigue unos resultados espectaculares en condiciones de baja luz y en cuanto a rango dinámico.

La mayoría de las cámaras de cine digital utilizan el sensor de Super 35 mm-3 perforaciones: las Arri Amira y Alexa Classic, las de Red, las de Sony, las de Panasonic, etc.

El sensor de las Arri Alexa XTS está más cercano al Super 35 mm-4 perforaciones con una proporción de 1,55:1 (modo llamado en las Alexa Open Gate 4:3). Esta relación de aspecto se utiliza en muchas ocasiones con lentes anamórficas 2x para hacer los formatos panorámicos scope 2,39:1.

El sensor de 2/3’’ se utiliza frecuentemente en cámaras de televisión.

En la siguiente imagen se puede apreciar las diferencias de tamaño entre algunos sensores que se autodefinen con la etiqueta ‘Super 35’ (Alexa XT, Red Dragon y Sony 65) en comparación con el sensor de la Alexa 65 y el full frame.

 

Tamaños de los sensores full frame, Alexa 65, Alexa XT, Red Dragon y Sony 65

Tamaños de sensor de distintas cámaras de cine digital.

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[1] Cualquier sistema que toma muestras de una señal continua a intervalos discretos presentará ‘moiré’ en algunos casos. Por eso se utilizan filtros de paso bajo (o anti-aliasing) en la mayoría de las cámaras del mercado. Reducen la resolución de detalles potencialmente problemáticos que superen la capacidad de discernir detalles del sensor.

[2] Los filtros IR están diseñados para bloquear las longitudes de onda infrarrojas dejando pasar la luz visible. Se añaden delante de los sensores de las cámaras dada la gran sensibilidad de éstos a la luz casi infrarroja.

[3] Las micro lentes se ocupan de dirigir los rayos de luz a la zona fotosensible.