El sensor CCD / CMOS

La llegada de la fotografía Digital supuso un importante cambio, que fue la sustitución de la película fotosensible química (llamada hoy en día analógica) por sensores capaces de captar la luz con una determinada resolución y tamaños, denominados generalmente CCD (siglas en inglés de charge-coupled device: ‘dispositivo de carga acoplada’).

Los CCDs han ido evolucionando y si bien es cierto que actualmente se pueden ver en muchas cámaras compactas e incluso en cámaras reflex digitales, la tendencia actual es que estos están siendo sustituidos por una evolución más avanzada denominada CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, "estructuras semiconductor-óxido-metal complementarias"). 

Generalmente se suele usar el nombre CCD como término general que puede incluir cualquiera de las tecnologías usadas, y como ocurre en el mundo de la informática, éstos sensores han ido evolucionando desde los inicios de la fotografía digital, mejorando su resolución constantemente, aunque en algunos casos a costa de un mayor ruido en ISOS altos, especialmente en cámaras compactas, por el reducido tamaño de estos sensores a contra del aumento de fotosensores o pixeles para aumentar la resolución.

Los primeros dispositivos CCD fueron inventados por Willard Boyle y George Smith el 17 de octubre de 1969 en los Laboratorios Bell, ambos premiados con el Premio Nobel de Física de 2009 precisamente por este invento. En la actualidad podemos encontrar con facilidad cámaras reflex en el mercado con sensores de 10, 14, 16, 18, 25....

A modo curioso y ejemplo podemos ver como actualmente hay cámaras que con sensores muy pequeños tienen 12 Mp o incluso más, mientras que cámaras reflex con CCDs mucho más grandes tienen la misma resolución. ¿Quiere decir esto que tendrá la misma calidad y definición de imagen una cámara compacta que una reflex? Por supuesto que NO.

Influye mucho el tamaño del CCD y por supuesto, la calidad de la óptica. Por lo general y salvo los modelos de alta gama o profesionales que el CCD es de tipo Full Frame (igual que el negativo de 35mm) los demás modelos son de un tamaño menor a este, siendo de diferentes formatos o tamaños según la marca o modelo..

La mayoría de marcas del sector fotográfico digital apostaron por el sistema APS y Full Frame para sus cámaras Reflex, mientras que Olympus y Panasonic apostaron por el sistema Cuatro Tercios para su sistema reflex y posteriormente el Micro Cuatro Tercios para las cámaras sin espejo, el Micro Cuatro Tercios utiliza el mismo sensor de Cuatro Tercios  18 ×13,5 milímetros, pero la distancia entre el CCD y la lente es mucho más reducida.

Más allá de las cámaras reflex profesionales de formato Full Frame, podemos encontrar el mercado profesional denominadas de Formato Medio, que al igual que ocurría con sus películas, los sensores son mucho más grandes que los usados por las cámaras SLR y tienen mayores resoluciones, que suelen rondar los 40, 50 y hasta los 60 Mp. Hasta hace bien poco la tecnología era CCD pero en la actualidad ya han comenzado a usar la tecnología CMOS ofreciendo un mayor rendimiento, un buen ejemplo lo vemos en los recientes modelos de Hasselblad, Phase One y Pentax.

Lejos de ser un sistema o mercado estándar y único, los sensores tienen una gran diversidad en el mercado en cuanto a tipo, tamaños, y los resultados de calidad de imagen pueden variar según el modelo de cámara, marca, o incluso fabricante del sensor, y Sony tiene mucho que decir en ese aspecto.

Es precisamente el tamaño de estos un dato que últimamente se tiene como referencia o resulta un dato a tener en cuenta en parte por la calidad de la imagen, pero también por como nos afecta o influye posteriormente en las ópticas con el denominado : factor de multiplicación.

Esto se debe a que el objetivo en si es un 55mm y que lo que hace la cámara es simplemente recortar una parte de la imagen original.

Este factor como dije anteriormente varia en función del tamaño, formato y según la marca, incluso dentro de una misma marca puede haber diferencias entre distintos modelos.

Aquí podemos ver a modo comparativo el tamaño de diferentes tipos de CCD en comparación con el negativo de 35mm.De esta manera podemos identificar los siguientes sensores. Sobre éste tema recomiendo una reseña al origen APS : Ver artículo haciendo referencia a la película APS

APS-H: 1,6x - Canon APS-C: 1.5x - Nikon DX / Pentax / Fuji / Sony Alpha / Canon  Foveon X3: 1,7 - Sigma  Cuatro Tercios: 2x - Olympus, Panasonic CCds FullFrame: ( 36x 4mm ): Canon, Nikon, Sony. (Sin factor de multiplicación)¿ Y como afecta este factor de multiplicación en nuestras lentes?

Cabe recordar que en todas las cámaras digitales que hay en el mercado, (excepto el sistema Foveon de Sigma) ( y el sistema X-Trans de Fujifilm ) el modo de funcionamiento de los sensores CCD / CMOS se basa en el sistema Bayer, captando la luz a través de los diferentes pixeles en la misma superficie y dedicados en diferente distribución para el rojo, verde y azul, creando posteriormente una interpolación para la imagen final, el llamado efecto Moiré, de ahí que estos sensores necesiten en su mayoría el filtro de paso bajo, que de alguna manera difumina o evita ese efecto a costa de perder cierto detalle o nitidez en la imagen final. Cada vez más marcas y modelos se están decidiendo a quitar el filtro de paso bajo para ganar en nitidez de imagen a costa de posibles efectos moiré en algunas circunstancias o tipos de fotos.

En el caso del sensor Foveon X3 de Sigma la cosa cambia y ésta tecnología hace que cada píxel esté compuesto de tres capas superpuestas de manera muy similar a como lo hacía la película química, en el orden en que la frecuencia de luz tiene menor a mayor frecuencia, azul, verde y rojo. La información que capta por estas tres capas en cada píxel se combina los tres colores en cada pixel directamente para crear la imagen final. 

También es importante recordar que la resolución en Megapixeles depende principalmente por la cantidad de píxeles que se encuentran en la superficie del sensor, y que éste número también influye lógicamente en el tamaño de éstos, teniendo en cuenta el número de píxeles en una misma superficie, a mayor resolución, menor será el tamaño de éstos con sus ventajas e inconvenientes.

Ejemplo de píxeles aprox. en un APS-C de Izda a derecha : 6 Mp, 10 Mp, 16 Mp, 24 Mp.

Por otro lado el tamaño del sensor determina el llamado “factor de multiplicación” no quiere decir que nuestra focal de nuestro objetivo se multiplique mágicamente, sino que según este factor y tamaño del sensor, este recorta parte de la imagen original quedándose solo con una parte inferior, dando la sensación visual de un mayor zoom o acercamiento pero no es así.

Si nos fijamos en el esquema – ejemplo, podemos comprobar que el recorte realizado por el CCD con un factor de multiplicación de 1.6 y una focal de 50mm, equivale casi igual a la misma focal ( 70 / 80 ) y que la parte de imagen visible es idéntica a la versión de 35mm / Full Frame de la focal de 70mm.

  Es por ello que es importante saber el factor de multiplicación de nuestro CCD, para calcular la equivalencia de nuestra lente. 

Siguiendo el ejemplo de un sensor APS-C de 18x24 con un factor de multiplicación de 1.6 podemos deducir que un objetivo digital de 50mm equivale a un 80mm de focal de 35mm. Esto se resuelve de la multiplicación del factor, en este caso 1.6 x la focal digital. 

Un ejemplo sería la focal digital de 18mm que suele ser en angular estándar, que multiplicada por 1.6 nos daría una equivalencia de 28,8 . 

Otro ejemplo con un tele objetivo de 200mm, que se convertiría en un 320mm. 

Esta sencilla fórmula matemática hace que “visualmente” nuestros objetivos angulares, sean menos angulares, y que nuestros teleobjetivos sean más teleobjetivos aún. También es importante resaltar como ejemplo, que aunque un objetivo de 55mm diseñado para formato de 35mm se convierta en un 88mm con un factor 1.6x, su comportamiento tanto en luminosidad, diafragma, y profundidad de campo, no se ven modificados y siguen siendo los mismos que un 55mm.