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SENSORES DIGITALES

El sensor de imagen de una camara digital es el equivalente a la película fotográfica que utiliza la cámara analógica. Una cámara digital utiliza un sensor formado por millones de elementos, millones de pequeños semiconductores de silicilio -fotocaptor-, los cuales captan los fotones (elementos que componen la luz), estos fotones desprenden electrones dentro del sensor de imagen, los cuales se transformarán en una serie de valores electricos y luego se transforman en datos digitales creando un píxel.
En los sensores CCD y CMOS llamamos pixel tanto al fotocaptor como al la cavidad donde esta ubicado ese fotocaptor.
Al pulsar el botón de disparo del obturador de la cámara empieza la exposicion de la fotografia, cada uno de estos elementos tiene un fotosito o cavidad (uno por cada pixel) que cuando es expuesta a la luz recoge y almacena fotones y genera electricidad, un valor en cada pixel.
Una vez que termina la exposición, la cámara se cierra y cada uno de estos fotositos deja de recibir la luz, contra mayor intensidad de luz, más carga eléctrica existirá.

La cantidad relativa de los fotones en cada cavidad se clasifican en distintos niveles de intensidad, cuya precisión está determinada por niveles de profundidad (0 – 255 para una imagen de 8 bits).
Resumiendo, el sensor de imagen es un chip que alberga millones y millones de células fotosensibles ordenadas por cavidades, cada punto de la imagen se forma dependiendo de la cantidad de luz que recibe cada cavidad.

Cada cavidad sólo mide la cantidad de luz que recibe, pero son sensibles a todas las longitudes de onda y por lo tanto sólo podrían proporcionar imágenes monocromáticas.
Para obtener imágenes a color, cada cavidad tiene que tener un filtro colocado sobre ella, que sólo permita que lo traspase un color determinado de la luz.
Prácticamente todas las cámaras digitales actuales sólo pueden captar uno de los tres colores primarios en cada cavidad, el rojo, el azul o el verde, de forma que una cavidad tendra un microfiltro rojo, otra uno azul y otra uno verde, este conjunto de cavidades con sus filtros tiene el nombre de ” Matriz de Bayer”, figura inferior.
El número de fotocaptores de cada color no es el mismo, teniendo el doble de fotocaptores de un color que de los otros dos. Normalmente es el color verde el que tiene mayor número de fotocaptores, ya que el ojo humano es más sensible al color verde, por lo que resulta adecuado que el sensor tenga una mejor definición al verde que al resto de los colores.
En el siguiente dibujo podemos ver que combinando esos colores primarios obtenemos los colores secundarios y a su vez combinandolos entre ellos todos los demas.

Lo que ve tu camara a traves del mosaico de Bayer

Imagen real (Recortada)

No todas las camaras digitales utilizan una matrix de Bayer en los sensores, aunque si es el sensor mas más común. El sensor Foveon utilizado en la Sigma SD9 y SD10 captura los tres colores en cada píxel.

INTERPOLACION CFA (Color Filter Array)

Bueno ya tenemos un conjunto de colores primarios que el mosaico de bayer ha suministrado al sensor de la camara. ¿Que hace ahora la camara? Bueno pues utilizando un algoritmo que realiza un proceso digital que convierte esos colores primarios en una imagen final que contiene toda la informacion de color de cada pixel. Lo que realiza es una interpolacion del color o reconstruccion.
¿Como puede ser si la camara no capta las imagenes a todo color? En vez de pensar en cada una de las cavidades roja, verde y azul, pensemos en una cavidad que contiene los tres colores rojo, verde y azul, es decir todo el color. Serian los datos obtenidos de 1,2,3,4,5 y 6 del siguiente dibujo.

Vamos a dar un paso mas, este sistema funciona bien pero sin embargo la mayoría de las cámaras realizan medidas adicionales para extraer aún más información de la imagen con esta gama de colores. Si la cámara tratara todos los colores en cada una de las matrices anteriores como si hubieran entrado en el mismo lugar, entonces sólo seria capaz de obtener la mitad de la resolucion en la direccion vertical y horizontal.
Si la camara calculara el color utilizando la informacion proporcionada por varios de los conjuntos anteriores, utilizando la informacion de los vertices, entonces se podría lograr una mayor resolución que usando un único conjunto de matrices. Ver siguiente dibujo:

Este sistema nos lo tenemos que imaginar aplicado a sensores de las camaras que tienen millones de pixels de informacion.
Existen otros tipos de algoritmos distintos al que nos hemos referido aqui que consiguen extraer mucha mas informacion, resolucion y con menos ruido.

MICROLENTES

En el sensor las cavidades no estan unas pegadas al lado de la otra, sino que hay un espacio entre ellas para montar elementos electronicos, en realidad casi la mitad de la superficie no son cavidades donde incida la luz.
La pregunta surge al momento ¿Que pasa con la luz que incide entre los espacios de las cavidades? Eso no ocurre ya que superpuesta a la matriz bayer que esta encima del sensor de imagen hay unas microlentes que dirigen la luz hacia la cavidad correspondiente. Estas microlentes actuan dirigiendo los fotones de luz hacia el fotosito que le corresponde, asi no se pierde ninguna informacion de luz.
Las microlentes se perfeccionan cada vez mas y mejoran la señal de cada foton en la cavidad, por lo que crean menos ruido con el mismo tiempo de exposicion, ya que cada vez emplean mas megapixels en la misma zona del sensor sin aumentar el numero de cavaidades o fotositos.