Actualizado a 22/02/2005


Los captadores
Canon
"CMOS"









La recientemente presentada Canon EOS 350D incorpora un nuevo sensor CMOS diseñado y construido por Canon en sus propias instalaciones. Una serie de innovaciones ya probadas en las cámaras Canon réflex monoculares digitales de la serie profesional permiten confirmar que la calidad del sensor de imagen está en vanguardia.

La historia de Canon en el desarrollo de sensores se remonta a 1987, cuando comenzó a utilizar un sensor "BASIS" para sus sistemas de enfoque automático. La labor permanente de investigación y desarrollo en este campo condujo en el año 2000 a la presentación de la EOS D30, a la que se incorporó el primer sensor CMOS para la captación de imágenes a todo color.

Animada por el éxito de la cámara, Canon siguió refinando y desarrollando esta tecnología, inicialmente poco valorada. Tras haber superado a otra serie de tecnologías de sensores en el camino, los sensores CMOS constituyen ahora la base de las cámaras digitales SLR más populares y apreciadas del mundo.

Antes de que Canon pudiera lanzar su última gama de cámaras EOS digitales -la EOS-1Ds Mark II, EOS-1D Mark II, EOS 20D y la recién presentada EOS 350D- sus ingenieros tuvieron que resolver el gran problema con los píxeles de pequeño tamaño, consistente en cómo resolver el problema del ruido que inevitablemente crean los píxeles más pequeños, al necesitar de un mayor grado de amplificación de su señal.


El reto

La gama EOS más reciente cuenta con cuatro sensores de imágenes enteramente nuevos, cada uno de ellos con un número mayor de píxeles que su predecesor. Para poder incorporar más píxeles en el mismo tamaño de sensor, los ingenieros de la compañía han tenido que hacer, en principio, los píxeles más pequeños. El problema con los píxeles más pequeños es que son menos sensibles a la luz y por tanto se requiere más amplificación de la señal para hacerlos legibles. Esta amplificación puede generar ruido indeseable.

Para controlar este ruido, los ingenieros de Canon encontraron la solución desarrollando un sensor de imagen enteramente nuevo para cada cámara.

El sensor de tamaño APS-C de la EOS 300D original ya contaba con 6,3 millones de píxeles efectivos. Aumentar la cuenta de píxeles a 8,0 millones sin aumentar el tamaño del sensor requería una reducción del tamaño de los píxeles que normalmente resultaría en un aumento del ruido no deseado.

Para combatir el problema, Canon creó y desarrolló una nueva generación de amplificadores en el propio píxel, con control del ruido, que fueron probados por vez primera en la EOS-1Ds Mark II, la EOS-1D Mark II y la EOS 20D. Estos nuevos amplificadores fueron diseñados no sólo para vaciar cada píxel de la carga residual antes de cada nueva exposición, sino también para reducir el ruido de la señal, ruido que ocurre cuando se trabaja, tanto con largas exposiciones como con exposiciones en condiciones de poca luz.


Mejora de la eficiencia

Los píxeles que alojan cada fotodiodo sensible a la luz tenían que hacerse más pequeños en los nuevos sensores de alta densidad, por lo que los ingenieros de Canon no tenían otra opción salvo hacerlos más eficientes en su trabajo.

Utilizando un proceso de miniaturización y de superación de la eficiencia de los componentes electrónicos, los diseñadores de sensores de la compañía redujeron tanto el tamaño de las partes que componen cada píxel, como el número de las mismas. Al aumentar la superficie sensible del fotodiodo, el equipo de investigadores consiguió un sensor que era mucho más sensible a la luz y que por tanto necesitaba una menor amplificación de la señal. Por ello, aunque el sitio ("site", en inglés) de cada píxel es menor, su área receptiva es proporcionalmente más grande que antes.


Sensibilidad

Las exposiciones largas se leen conforme suceden, utilizando un método de sustracción de "marco oscuro" ("dark frame") para cancelar la interferencia nativa para colores naturales y una reproducción tonal continua. Por ese sistema, se realiza una lectura electrónica del área del fotograma sin la señal principal correspondiente a la imagen, y la "fotografía" del ruido, se sustrae de la toma general.

Los sistemas de reducción del ruido de tipo fijo y aleatorio también han sido mejorados para producir las imágenes más limpias posibles. No obstante, Canon no ha limitado a los usuarios a utilizar exposiciones cortas o valores ISO del sensor de sensibilidades moderadas. Las nuevas cámaras permiten tiempos de exposición en pasos,  de hasta 30 segundos, así como un modo de exposición “B” ilimitado, que permite mantener el obturador abierto tanto tiempo como se necesite. La sensibilidad del chip puede ser, también, ampliada al equivalente de 1.600 ISO en la EOS 350D Digital y a 3.200 ISO en las D-SLR de la serie Canon EOS-1.


Microlentes

Aunque las microtecnologías descritas más arriba juegan un enorme papel en la calidad de la imagen que proporcionan estos nuevos sensores, quizás el mayor logro de estos densísimos chips sea la eficiencia con la que utilizan la luz ambiente.

Para que los píxeles más pequeños reaccionen de forma más eficiente a la luz, necesitan, bien más luz, bien que la luz existente sea canalizada hacia ellos de una forma más directa, más eficiente.

Los ingenieros de Canon han desarrollado un nuevo tipo de microlentes para cada píxel. Son más grandes y más efectivas que los modelos usados en el pasado, debido a que estas lentes tiene un elemento angular más grande, por lo que están mejor preparadas para recoger la luz y dirigirla directamente a la parte sensible del píxel. Puesto que las lentes tienen menos espacio entre ellas, están mejor preparadas para recoger más luz y hacen que menos luz caiga entre las áreas receptoras y se desperdicie.

En efecto, estas lentes recogen más luz de la misma forma que puede hacerlo el objetivo angular de una cámara. Un elemento frontal más grande capta una sección de información mayor que pasa en su dirección, mientras que el domo de las lentes dirige y enfoca la luz hacia donde tiene mayor importancia. Como resultado, las microlentes captan más luz para canalizar al sensor a partir de lo ofrecido por el objetivo de la cámara, usándo esa luz para iluminar e informar a los píxeles del sensor. Mejorando la luminosidad efectiva de la imagen recibida, el sensor es capaz de pasar información al dispositivo de procesado con un grado de amplificación más bajo que el que hubiera sido necesario. Por tanto, se necesita menor grado de amplificación, y la consecuencia inmediata es un menor nivel de ruido.


En detalle

Paradójicamente, las altas resoluciones (una alta densidad de píxeles) conducen de forma prácticamente ineludible a la confusión del detalle fino y a la aparición de franjas color en los bordes, porque la resolución del sensor excede los límites a que pueden trabajar eficientemente los diseños Bayer RGB de cuatro píxeles, con el nivel de detalle al que puede grabar el sensor.

Sin la intervención del diseñador del sensor, esto resulta en una perturbadora representación inadecuada de los detalles más finos -”moiré”-, así como a una cromaticidad espuria marginal donde los sujetos de un color se encuentran con el color de fondo de otro: “color falso”.

La solución de Canon ha sido dotar a sus cámaras de un filtro de paso bajo
("low pass filter") de tres capas, el cual combate las pautas de ruido de moiré y colores falsos, ordenando la luz entrante para que se adecue exactamente a las capacidades de muestreo.

La primera parte de este nuevo filtro es un filtro de corte de infrarrojos que evita que el sensor grabe las longitudes de onda situadas más allá del espectro visible normal. Esto controla la respuesta del sensor a los rojos en general, garantizando que no se “sobreexpongan” ni se saturen al límite.

Las siguientes capas son una especie de "sándwich" compuesto por un polarizador y substratos de un único cristal que se combinan para proporcionar una disposición de ondas de luz horizontales y verticales para adecuarse a las características de la resolución del sensor. Puede verse una información mucho más amplia en El filtro "Low Pass". Este filtro organiza la luz que pasa a través del objetivo en una forma de sensor de alta resolución que puede sacar más partido, creando el potencial para imágenes más nítidas y detalladas, a la vez que proporcionan bordes de las imágenes más claros y definidos, que no resultan influenciados por los colores del entorno.


Micro se convierte en macro

Si pusiésemos a analizar los sensores de estas cámaras, posiblemente no apreciaríamos ningún cambio visible. No podríamos ver las nuevas microlentes, los fotodiodos más grandes, los circuitos más pequeños o la construcción del filtro de paso bajo. Para ver la diferencia, lo mejor sería comparar las imágenes que estos sensores crean con aquellas captadas por sus predecesores inmediatos.

El principal objetivo de Canon con la introducción de estas nuevas cámaras es aumentar la cantidad de información que se guarda para archivar. La fidelidad de esta información depende de la relación entre señal y ruido, y con estos nuevos sensores, Canon ha roto la relación entre paso e interferencia. Esto se ha conseguido desarrollando métodos para controlar con exactitud la forma en que los píxeles reaccionan a la luz y para determinar cómo dichos píxeles reciben la luz en primer lugar.


Aumenta la distancia

La carrera de los "megapíxeles" continuará para aumentar la resolución. Pero conforme esto va ocurriendo, la importancia de las tecnologías de reducción o eliminación del ruido también aumenta a fin de garantizar que los aumentos en la resolución mejoran, en lugar de  empobrecer, la calidad de imagen.

Los fabricantes que sólo se apoyan en el software y el firmware para hacer frente al mayor ruido generado por los píxeles más pequeños en los sensores de mayor densidad, tendrán dificultades, al tiempo que las empresas que adquieran los sensores a terceros tendrán poco que decir sobre cómo son diseñados dichos componentes.

En su calidad de diseñador y fabricante de sensores CMOS, Canon se encuentra perfectamente situada para personalizar el tamaño de los píxeles, el diseño de los fotositios y de los componentes de los sensores a fin de adecuarlos a cada nuevo diseño de cámara,  así como al mercado específico al que se dirijan. Las barreras inherentes a cada entrada a dicha posición significan que el liderazgo de Canon en el segmento de las réflex monoculares digitales podría continuar durante varios años. “Como compañía dedicada a la fotografía y a la imagen, Canon siempre ha tenido la intención de ejercer el control de toda la senda de la luz, desde el objetivo a la imagen impresa”, declaró el Sr. Fukuchi, director general senior,  División Camera Products Management, Canon Consumer Imaging Europa. “El dominio del potencial del CMOS ha sido fundamental para nuestro éxito”.

(Adaptado por Valentín Sama a partir de información originaria de Canon Inc.)








Indice de Laboratorio Digital