TECNOLOGÍA
TECNOLOGÍA
TECNOLOGÍA

 

ELS SENSORS EN LA FOTOGRAFIA

Joan Vidal Llidó

Aquest article espere que represente una introducció al món de la fotografia i els sistemes de visió, i concretament als sensors, que són la part més important de qualsevol càmera. La intenció de l'autor és que aquest escrit siga el primer d'una sèrie d'articles dedicats a la fotografia, encara que la quantitat de temps lliure disponible és la que decidirà el número de documents de la sèrie.


Aquest article espere que represente una introducció al món de la fotografia i els sistemes de visió, i concretament als sensors, que són la part més important de qualsevol càmera. La intenció de l'autor és que aquest escrit siga el primer d'una sèrie d'articles dedicats a la fotografia, encara que la quantitat de temps lliure disponible és la que decidirà el número de documents de la sèrie.

En aquest article, com ja he dit abans, es realitza una descripció dels diferents tipus de sensors que hi ha disponibles per a la seua utilització en sistemes de visió, destacant aquells que, per les seues característiques, resulten més adients per al seu ús astronòmic.


La retina

Òbviament cap article dedicat als sensors òptics pot estar complet sense un apartat dedicat a la retina, que és el sensor més antic i possiblement el més sofisticat.

Com tothom hauria de saber, la retina és un sensor biològic que realitza una funció de captació de llum a l'ull. La retina, al igual que la majoria de sensors, està composta per una gran quantitat d'elements fotosensibles, que contràriament a la resta de sensors, no es troben distribuïts de manera uniforme, sinó que la seua densitat varia en funció de la proximitat a la fòvea centralis o centre de la retina. També caldria destacar que existeix una zona de la retina en la que la concentració d'elements fotosensibles és nul·la, aquesta zona es troba al costat de la fòvea, s'anomena punt cec i és el punt d'unió entre la retina i el nervi òptic. A la retina poden trobar-se dos tipus de cel·lules fotosensibles diferents: els cons i els bastons.

Els bastons, amb una quantitat de 120 milions per cada ull, són les cel·lules fotosensibles més nombroses. Els bastons tenen una alta sensibilitat a la llum, però degut a que son sensibles a tota la radiació electromagnètica visible, proporcionen una visió monocromàtica o "en blanc i negre". La seua concentració augmenta dels extrems cap al centre de la retina, existint un màxim al voltant de la fòvea, a partir d'aquest punt la concentració baixa fent-se nul·la en arribar al centre.

Els cons (6 milions) contràriament als bastons, presenten una alta concentració en la fòvea, concentració que baixa ràpidament en desplaçar-nos cap als extrems de la retina. Existeixen tres tipus diferents de cons: idopsine S, idopsine M i idopsine L. Els cons presenten una sensibilitat menor que els bastons, encara que, degut a que cada tipus és sensible a unes determinades longituds d'ona, proporcionen visió en color.

A diferència dels altres tipus de sensors, la retina presenta una corba de rendiment lluminós variable -figura 1-, aquesta variació de sensibilitat la produeixen uns canvis químics que tenen lloc a la retina. A primeres hores del dia la retina proporciona una visió anomenada fotòpica amb una sensibilitat màxima en els 555nm de longitud d'ona, mentre que a últimes hores del dia (o durant una jornada d'observació) presenta visió escotòpica amb sensibilitat màxima en els 505 nm i un rendiment lluminós de molts més lúmens per watt.

Cal destacar que mentre que en bones condicions d'iluminació el centre de la retina proporciona les imatges més clares, amb iluminació baixa és la zona que envolta la fòvea la que ens ofereix una millor "qualitat d'imatge", és el que s'anomena visió lateral.


Pel·lícules fotogràfiques

El principi bàsic de la fotografia "clàssica" és la modificació o alteració dels compostos que formen la pel·lícula mitjançant l'impacte de radiacions electromagnètiques.

Al mercat hi ha una quantitat enorme de pel·lícules diferents cadascuna amb un rendiment lluminós i una corba de sensibilitat lluminosa diferents. Podem separar les pel·lícules en monocromes 1 i a "tot color", encara que les emulsions a color son diverses emulsions monocromes amb corbes de sensibilitat diferents superposades. Una vegada exposades a la llum, les pel·lícules han de patir uns processos químics per tal de revelar o mostrar la imatge emulsionada i perdre la seua sensibilitat a la llum, açò s'aconsegueix amb una sèrie de banys en certs components químics.

La sensibilitat dels carrets fotogràfics sol expressar-se en ASA (American Standards Association). El "ASA" ens permet comparar sensibilitats de diferents pel·lícules sent la sensibilitat d'un carret 200 ASA doble que la d'un altre 100 ASA, per tant si hem obtingut una imatge amb un carret d'X ASA ens farà falta la meitat d'exposició en un carret de 2X ASA.

Figura1.- Corbes de rendiment lluminós de la retina

 

Una altra característica que cal tenir en compte és la mida del gra, que augmenta amb la sensibilitat de la pel·lícula, ja que per a augmentar-la es creen grans d'halur d'argent més grans. Cal buscar un compromís entre la sensibilitat i la definició, que pot veure's ja prou afectada a partir de 800 ASA.

El problema de la relació mida de gra versus sensibilitat podria solucionar-se amb temps d'exposició majors si no fora per l'anomenada fallada de reciprocitat. La fallada de reciprocitat és un fenomen pel qual, les pel·lícules perden la sensibilitat a la llum amb la pròpia exposició a aquesta. Aquest fenomen sols es fa evident en exposicions llargues, cosa que invalida la relació ASA vs. temps d'exposició per a fotografies en mode B.


Tubs de vidicon

El tub de vidicon -figura 2- és un sistema de captació d'imatges format per un tub de buit similar al d'un monitor CRT clàssic, però que en aquest cas realitza la funció d'obtenir imatges en lloc de crear-les. Aquest sistema de captació d'imatges presenta l'avantatge de ser completament re-utilitzable pel que pot usar-se per a prendre incontables imatges o vídeos.

El funcionament del tub és el següent: Primerament s'exposa la part frontal del tub a la llum, cosa que farà que es perden electrons de manera proporcional a la llum incident en cada punt, resultant en un mapa de càrregues positives igual a la imatge. Seguidament es generen les corrents elèctriques adients per a generar un raig d'electrons que eixirà de l'ànode i que escombrarà completament la part frontal del tub. Quan el raig electrònic incideix en una zona carregada positivament es produeix una transferència d'electrons mesurable amb un amperímetre i que re-estableix la neutralitat del receptor. Finalment les variacions d'intensitat són amplificades i processades obtenint d'aquesta manera la imatge.

Els tubs de vidicon han sigut molt utilitzats fins fa poc en aplicacions molt diverses com càmeres de vídeo, intensificadors de llum... però actualment estan sent substituïts per altres tipus de sensors més sofisticats i eficients.


Sensors CCD

Els sensors CCD -figura 3- són uns dels anomenats sensors d'estat sòl·lid i avui en dia representen el millor que es pot fer en sensors. Tenen nombrosos avantatges respecte els tubs de vidicon: Consumeixen molta menys corrent, tenen una sensibilitat molt més elevada, són més lleugers, són més resistents, produeixen imatges millors...

Físicament són un array de dos dimensions de registres de desplaçament analògics sensibles a la llum, és a dir són "condensadors" amb la capacitat de carregar-se amb corrent elèctrica subministrada per un altre "condensador" veí, transferir la seua càrrega a un altre element del sensor, i el que és més important, poden carregar-se amb un flux de fotons.

Quan un chip CCD és exposat a la llum, cada element sensible d'aquest queda carregat amb electrons, en aquest punt els circuïts de control comencen a enviar les senyals adients per a que cada "condensador" envie la seua càrrega al cubell immediatament superior, i així fins a buidar el sensor de càrrega. Quan el contingut d'una fila de cubells passa a la primera fila del sensor es produeix un desplaçament de les càrregues en horitzontal fins a que la primera fila queda buida, enviant la càrrega de cada cubell a un conversor A/D. Quan tot el sensor queda buit s'emmagatzema la imatge en el medi corresponent.

Aquest tipus de sensor sol tindre una corba de rendiment lluminós centrada en el roig que s'estén cap a l'infraroig proper i cap al blau, pel que per a obtenir integracions en llum visible s'usen filtres IR.

Figura 2.- Tall esquemàtic d'un tub de vidicon

Aquest tipus de sensors presenten també alguns problemes com el de corrent obscura o la baixa sensibilitat al blau que s'intenten solucionar amb refrigeració i amb circuïts intensificadors de senyal respectivament.


Sensors CMOS

Representen el tipus de sensor més modern existent, es fabrica amb tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) front a la obsoleta NMOS dels CCD (Charged Coupled Device) el que dona com a resultat uns sensors molt més barats i amb menor consum. L'únic factor que ha impedit la seua major implantació ha sigut la seua baixa sensibilitat respecte als actuals CCD.

La seua estructura interna és la de una matriu d'elements capaços d'emmagatzemar càrrega, però que en aquest cas es poden llegir com una memòria estàtica, és a dir, aleatòriament, el que els dona major versatilitat. Aquest tipus de sensor està augmentant progressivament de sensibilitat, el que farà amb quasi tota seguretat que substituïsca als CCD a curt o mig termini.

Al contrari que els CCD, els CMOS tenen una molt bona sensibilitat a tot l'espectre visible, fet que unit a la seua baixa corrent obscura, els està convertint en un tipus de sensor a tindre en compte.

Figura 3.- Esquema d'un sensor CCD

 

Bibliografia

Apunts de l'assignatura SDV i de SIA [servei de reprografia de la facultat d'informàtica (UPV)].
Enciclopèdia Larousse.


Peu de pàgina
-------------
1-- L'autor és de l'opinió que una bona fotografia en blanc i negre mai podrà ser superada estèticament per cap fotografia en color.