Como É Um Sensor Fotográfico
Desde que apareceram as câmeras digitais, os relacionados com a fotografia tivemos a mesma duvida, como é o sensor fotográfico?
As câmeras analógicas de filme, eram claras mostrando a imagem impressa no filme, revelado para ter as fotos em cartolina.
Era palpável, claro como a água, mas compreender como capta a imagem um sensor fotográfico é complicado, não é mesmo?
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Parece coisa de mágica, bruxaria, a imagem entra na câmera e seguidamente aparece no display, sem ter acionado o disparador!
E antes de tirar a fotografia, permite fazer todos os ajustes na ótica e na câmera para conseguir a foto perfeita!
Vou tentar explicar de forma simples como é o sensor fotográfico, como funciona, e as características que afetam à fotografia.
1.- Como é o sensor fotográfico?
Um sensor fotográfico é um chip feito de milhões de componentes (os fotodiodos), sensíveis à luz que quando expostos, captam as ondas projetadas pela imagem que compõe a lente.
Isto é conseguido convertendo a atenuação de ondas de luz refletidas pelos objetos, em sinais elétricos.
Os sensores fotográficos são usados em câmeras fotográficas digitais, equipamentos médicos, equipamentos de visão noturna, etc.
Cada elemento fotossensível do sensor é chamado de pixel, palavra derivada do acrônimo em inglês picture element.
A quantidade de pixels do sensor é medida em milhões de pixels, ou Megapixels (Mpx).
A forma do sensor é geralmente retangular, principalmente a usada nos formatos 3:2 e 4:3.
1.1.- Quantos tipos de sensores há?
Como é o sensor fotográfico? Basicamente há dois tipos de sensores de imagem que são mais utilizados atualmente:
Há outros tipos (Super CCD, Faveon X3) usados em aplicações especificas.
O tipo CMOS é o mais usado atualmente, porque consume menos energia, fabricação mais barata, e mais rápido processando imagens.
A tecnologia CCD foi utilizada nas câmeras digitais profissionais de alta gama, porque oferecia imagens com maior resolução, mas hoje os CMOS atingiram praticamente a mesma qualidade de imagem.
Particularmente, sensores fotográficos das câmeras compactas e DSLR , são menores (APS-C Advancead Photo System type C ), do que a área de 24×36 mm das câmeras de 35 mm (C135) e, portanto, levam a um ângulo de visão mais estreito.
1.2.- Afeta o tamanho do sensor às imagens?
Dependendo como é o sensor fotográfico, com maior formato, um determinado número de pixels, produzirá imagens de maior resolução, porque os pixels individuais são maiores e, portanto, a câmera será mais sensível à luz.
As lentes produzidas para câmeras de filme de 35mm “full-frame” (C135), dependendo da marca, se podem montar nas câmeras (APS-C).
O círculo de imagem das objetivas sistema (C135), é maior do que exige o sensor, introduzindo luz indesejada na câmera.
O rectángulo azul mostra o que vê um sensor de 24×36 mm, e o rectágulo vermelho, o que veria um sensor APS-C de 15×23 mm (O círculo mostra a imagem real da maioria das objetivas desenhadas para formato 35 mm SLR, que vai alem do rectángulo azul).
Por outro lado, o tamanho menor do sensor, se comparado com o “full-frame”, produz recorte da imagem. Este efeito é conhecido como recorte do campo visual.
O quociente do tamanho do formato é conhecido como fator de recorte "cropado" ou fator de multiplicação da distância focal (fmdf).
1.3.- Como funciona um sensor?
O sensor CMOS, é um micro-chip sólido, que converte a luz em cargas elétricas e as traduz em dados digitais.
CMOS é usado em câmeras digitais e, tem sido utilizado como uma alternativa mais barata aos sensores do tipo CCD.
Respeito do funcionamento dum sensor CCD de n canais, o silício abaixo da porta “bias gate” é levemente interno.
O sensor CCD opera então em um estado de não-equilíbrio, chamado de esgotamento profundo.
A seguir, quando os pares elétrones-vacâncias se geram na região de esgotamento, são separados por um campo elétrico, que faz com que os elétrons se movam em direção à superfície, e as vacâncias em direção ao substrato.
(Michael Schmid-Wikimedia Commons)
Os tipos de processos de geração de pares que podem ser identificados são:
- Geração na zona de depleção
- Geração na superfície
- Geração no volume neutro
Os três processos são conhecidos como geração de corrente escura, e agregam ruído à imagem. Eles podem limitar o tempo de integração total utilizável.
O acúmulo de elétrons na superfície ou perto dela, pode proceder até a integração de imagem ser terminada e transferir a carga, ou atingir equilíbrio térmico.
1.4.- Características dos sensores
Sensor de enquadramento completo full-frame, um sensor cujo tamanho é equivalente ao formato de 35 mm (36x24mm), das câmeras analógicas.
Anteriormente 35 mm, era considerado um formato de filme pequeno em comparação com o formato médio.
Contrastando com câmeras de sensores menores, por exemplo, aqueles que equivalem a APS-C, menores do que um formato de 35mm.
Atualmente câmeras digitais, compactas e DSLR, utilizam um sensor menor que o formato de 35 mm, mais barato de produzi-los.
Segue esquema com marcas de câmeras digitais, e os tamanhos de sensor que utilizam, comparados com o “full-frame” de 36x24mm:
No passado, os primeiros modelos SLR digitais, como a Nikon NASA-F4 ou a Kodak DCS100, também usavam um sensor menor.
“Crop” refere-se ao fator de multiplicação ou recorte, ou quanto menor é o sensor comparado com o filme de 35mm.
1.5.- Como se determina a sensibilidade?
O número ISO e a unidade de medida da velocidade do sensor fotográfico para captar a luz. Assim quanto mais alto é o número ISO menor é o tempo que precisa o sensor para captar a imagem.
A sensibilidade de um sensor é sua capacidade para conseguir imagem perfeita, com baixa iluminação e com valor ISO alto.
É possível dizer que a sensibilidade do sensor fotográfico, fica determinada pelo rango de valores ISO que ele consegue atingir.
Como é o sensor fotográfico? Os sensores mais normais são sensíveis dentro da faixa ISO 100 a ISO 6400.
Câmeras semiprofissionais e profissionais, tem sensores com sensibilidades na faixa ISO 100 ate ISO 55000, e superiores em alguns casos.
Estas definições levam ao conceito de exposição, que em fotografia, é a quantidade de luz recebida pelo filme (fotografia química), ou pelo sensor de imagem (fotografia digital), para que uma imagem seja formada.
Matematicamente: Exposição = iluminância x tempo
Como a fórmula anterior indica, a exposição, é a combinação de tempo e nível de iluminação recebido pelo sensor.
Portanto numa câmera, o tempo de exposição é controlado pelo obturador e o nível de iluminação pela abertura do diafragma.
Para entender melhor como funciona estes dois parâmetros, e como afetam estes ajustes da câmera à fotografia, veja este artigo.
2.- Formatos dos sensores fotográficos
No gráfico mostrado abaixo, se apreciam os tamanhos dos formatos dos sensores mais usados. Os formatos dos sensores fotográficos variam em tamanho segundo os tipos de câmeras e dos fabricantes.
Os tamanhos menores são montados nas câmeras compactas mais simples, que possuem menos recursos.
Já os sensores de formatos de tamanho (APS-C), se montam nas câmeras ponte, compactas zoom, e em muitas semiprofissionais.
Os sensores de tamanho completo ou “full-frame” (36×24 mm), são montados nas câmeras semiprofissionais e profissionais.
O tipo de medio formato, que é o maior, somente se monta em câmeras profissionais das chamadas de médio formato, como são: Kodak KAF 39000 sensor, Hasselblad, Mamiya, Sinar, e outras do estilo.
2.1.- Como afeta o formato à qualidade da fotografia?
Um número de pixels mais alto, indica a capacidade de imprimir ou visualizar, fotos de maior tamanho perdendo menos qualidade.
Um fator muito importante em relação ao sensor é o tamanho do seu formato (maior ou menor resolução).
Maior quantidade de pixels implica maior sensibilidade e, portanto, melhor qualidade de imagem, isso o determina o tamanho do sensor.
Por isso um sensor full-frame com os mesmos Megapixels que um sensor APS-C, dará sempre imagens de maior qualidade.
2.2.- Que é fator de multiplicação da distância focal?
Ao comprar uma lente para câmera digital, é importante considerar que as distâncias focais são expressas em termos do que obteria colocando a lente numa câmera “full-frame”.
A maioria de câmeras possui sensores menores que o “full-frame”, mais baratos por ser mais fácil fabricá-los.
Quando montamos uma lente no corpo de uma câmera digital que não seja “full-frame”, o ângulo de visão diminui.
E a imagem obtida seria semelhante à mesma foto tirada com uma câmera “full-frame” recortada a menor tamanho.
A perda de enquadramento varia de uma câmera para outra e depende do coeficiente de redução.
A maioria dos sensores de câmeras compactas SLR, têm um coeficiente de redução entre 1,5 e 1,6 e de 2 para as que usam o formato 4/3.
A imagem abaixo ilustra a perda de enquadramento de alguns sensores com diferentes coeficientes de redução em relação a um sensor de imagem completa “full-frame”.
O significado dos retângulos da imagem é o seguinte: (fator de multiplicação da distância focal = fmdf)
- A imagem é o “full-frame” (sensor 24×35 mm)
- O preto é o fmdf de 1,5 (sensor APS-C)
- O retângulo azul é o fmdf 1,6 (sensor APS-C)
- O retângulo vermelho é o fmdf 2 (sensor quatro terços)
Para ter idéia aproximada, do resultado que uma determinada lente pode dar, multiplique sua distância focal pelo fmdf da câmera.
Por exemplo:
Se tiver um fmdf=1,5, uma lente de 50mm, vai-lhe dar o mesmo ângulo de visão de uma lente de 75mm, em uma câmera “full-frame”.
2.3.- Por que há diferentes formatos de sensores?
Todos os fabricantes de câmeras fotográficas digitais possuem sua própria linha de tipos de câmeras fotográficas.
Dessa forma eles conseguem atender às exigências do mercado, tanto dos fotógrafos iniciantes quanto dos mais profissionais.
O mercado impõe suas regras de concorrência, pressionando os fabricantes a melhorar as características técnicas e os preços das câmeras.
Os aficionados à fotografia sabem que o elemento mais delicado, importante e caro da câmera, é o sensor.
Há câmeras de preço baixo, médio, alto, e muito alto, devido em boa parte, aos tamanhos dos sensores.
Portanto, alem dos refinamentos eletrônicos dos modelos mais caros, o que marca a categoria das câmeras (deixando de fora à ótica), são os formatos e sensibilidades dos sensores.
Na seguinte imagem temos um “wafer” ou biscoito, de microcircuitos integrados, que são a base dos sensores das câmeras digitais.
Wafer” ou “biscoito” de circuitos integrados de sensores de imagem
Como idéia da dificuldade no processo de fabricação, indicar que estas “wafer” têm um diâmetro de 4 a 8 polegadas, e recomendo assistir este vídeo da Intel: https://www.youtube.com/watch?v=jHDHiNeKIzM
Este “wafer” está composto de vários substratos de materiais semicondutores (silício), e outros produtos condutores, base dos circuitos impressos.
Se durante o processo de fabricação alguma impureza fica entre dois substratos, obriga a descarta o “wafer” inteiro.
Isso já é um fator de dificuldade alem de que, quanto maior é o tamanho do sensor, menor quantidade deles se obtém, e gera maior desperdiço.
Cada retângulo da imagem acima é um sensor, portanto, quanto maior numero se obtiver, menor é o custo.
Alem de isso tudo, as instalações de produção são muito sofisticadas e robotizadas por causa dos componentes microscópicos.
3.- Que tecnologia usa um sensor fotográfico?
Os sensores de imagem como (CI) circuitos integrados que são, usam exatamente a tecnologia de micro chips eletrônicos.
Um (CI), também conhecido como chip ou microchip, é uma estrutura de material semicondutor (silício), de alguns milímetros quadrados de superfície, na qual os circuitos eletrônicos são fabricados por fotolitografia, e protegidos por um encapsulamento.
O encapsulamento possui condutores metálicos adequados para fazer a conexão entre o circuito integrado e um circuito impresso.
Os sensores fotográficos estão dentro do tipo Circuitos Integrados Híbridos de Capa Fina e estão classificados como GLSI (Giga Large Scale Integration), contendo mais de um milhão de transistores.
A tecnologia dos (CI) do tipo CMOS, é a que oferece maiores vantagens para fabricação de sensores fotográficos:
- O baixo consumo de energia.
- Por sua natureza regenerativa, são robustos contra ruídos ou degradação de sinal.
- Os circuitos CMOS são mais simples de projetar do que outros tipos.
- Tecnologia de fabricação bem desenvolvida, e permite densidades de integração muito altas a preços menores que outras tecnologias.
Versão simplificada em 3D de um sensor CCD.
A seta verde indica o sentido de transferência de carga.
A área de cor azul representa um pixel
Sobre o sensor, seja ele CCD ou CMOS, é colocado um mosaico de Bayer (RGB) vermelho verde e azul.
Este mosaico de Bayer é uma matriz de cores, que faz chegar a cada fotodiodo a informação de luminosidade correspondente a uma seção das distintas cores primarias.
Filtro ou mosaico de Bayer utilizado em numerosas câmeras digitais.
Interpolando as amostras de quatro fotodiodos vizinhos se obtêm um pixel de cor (Bryce Bayer inventor deste sistema).
3.1.- Quem desenvolveu o sensor fotográfico?
O primeiro tipo de sensor de imagem foi o CCD (Charge-Coupled Device) Dispositivo de Carga Acoplada.
(À esquerda , imagem de um sensor atual do tipo CCD)
Este sensor é um circuito integrado que contêm um número elevado de condensadores enlaçados e acoplados.
Sob o controle de um circuito interno, cada condensador pode transferir sua carga elétrica a um ou vários condensadores vizinhos.
A alternativa ao sensor CCD é o sensor CMOS que é mais barato e fácil de fabricar.
(À direita, imagem de um sensor atual do tipo CMOS)
A invenção do sensor CCD foi feita por dois físicos, um canadense Willard Sterling Boyle e o norte americano George Elwood Smith, em 17/10/1969.
Os dois foram premiados com o Nobel de Física em 2009, em reconhecimento a esta invenção.
Ambos trabalharam nesta descoberta nos Laboratórios Bell de Murray Hill em New Jersey USA.
3.2.- Que tipo de sensor consome mais bateria?
Como já foi apontado em parágrafos acima, o sensor tipo CCD têm maior consumo de bateria do que o CMOS.
Hoje em dia os CCD são mais utilizados em câmeras digitais profissionais muito avançadas, e em câmeras de vídeo profissionais e de TV.
Isso por dois motivos principais, sempre tiveram maior resolução de imagem, e porque são mais caros pela dificuldade de fabricação.
Os sensores fotográficos do tipo CMOS, alem de ter um menor consumo de bateria, são mais fáceis de fabricar, mais baratos, e nos formatos APS-C, têm muito boa resolução de imagem.
3.3.- Que tipo de sensor tem a mais alta definição?
Ainda hoje é preciso indicar que a maior definição na hora de tirar uma fotografia, somente se consegue com um filme de 35 mm de boa qualidade.
Um bom filme de alta qualidade, Fuji Velvia 50, por exemplo, pode atingir uma definição de imagem de no mínimo 87 Megapixels.
E se falamos de um celulóide de 4×5 polegadas (95×120 mm), chega a uma definição que mesmo um sensor digital com ao redor de 2 Gigapixels, não consegue ver.
Por isso, diante desta realidade vamos centrar a idéia nos sensores fotográficos que hoje oferece o mercado.
Assim por pouca diferença em qualidade, mas muita em preço, um sensor do tipo CCD ganha do tipo CMOS.
Portanto, se você precisar de uma câmera digital para fazer fotografia muito profissional e muito especializada, terá que pagar pelo sensor “full-frame” do tipo CCD.
Mas de não ser assim meu amigo, não desperdice seu dinheiro e trabalhe com câmeras digitais com sensor CMOS. Terá que ampliar as fotos muito para apreciar alguma diferença.
4.- Conclusão
Acredito que ficou explicado com clareza, como é um sensor fotográfico, e também foram eliminados os “mistérios” ao respeito.
Espero que minha humilde aportação ao descrever, o que é um sensor fotográfico e sua função na câmera digital, seja da maior utilidade para todos, na hora de escolher seu equipamento fotográfico.
Com este critério, espero que independentemente da marca, saiba determinar sem a menor dúvida, qual é a câmera digital que interessa para seu trabalho.
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