¿Cuál es la diferencia entre CMOS, BSI CMOS y Stacked CMOS?

El corazón de una cámara digital es su sensor de imagen y, en la era digital, hemos visto evolucionar algunos tipos diferentes de tecnologías de sensores. La mayoría de las opciones actuales utilizan una versión de la tecnología Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS). Estos chips CMOS tienen algunas ventajas reales sobre los sensores del dispositivo acoplado cargado (CCD) comunes en los primeros días de la fotografía digital, incluida la mejora de la eficiencia energética y el control del calor. Esas mejoras allanaron el camino para el video 4K (y más allá) en cámaras con lentes intercambiables.

Pero hay más de un tipo de sensor CMOS. Y si está comprando una nueva cámara sin espejo, es posible que se sienta abrumado por las diferentes arquitecturas y no esté seguro de por qué las cámaras CMOS apiladas cuestan mucho más que los modelos básicos. Siga leyendo para obtener una idea de cómo difieren los diversos sabores de CMOS.

Diferencias arquitectónicas

En su mayor parte, los sensores digitales se construyen en torno a un concepto similar, incluso si existen diferencias en la construcción del chip. El generador de imágenes presenta sitios fotosensibles sensibles a la luz y un filtro con patrones repetitivos de cuadrados rojos, verdes y azules que agregan color. La mayoría de los sensores usan una matriz de filtro de color (CFA) de 4 por 4 llamada CFA de Bayer (llamada así por su creador), pero algunos modelos de Fujifilm usan un CFA X-Trans de 6 por 6 más complejo.

Ilustración que muestra la diferencia entre las matrices de filtros Bayer y X-Trans

La Bayer CFA (izquierda) tiene un patrón repetitivo simple de cuatro por cuatro, mientras que la Fujifilm X-Trans (derecha) usa una cuadrícula de seis por seis para capturar fotos en color (Ilustración: Bob Al-Greene)

También puede encontrarse con sensores Quad Bayer, un tipo común en los teléfonos inteligentes con una gran cantidad de píxeles, así como cámaras de acción y drones. Estos sensores contienen una gran cantidad de píxeles (48MP es una cifra común), pero generan imágenes de menor resolución a través de una técnica llamada agrupamiento de píxeles. Es una característica que también se está abriendo paso en los sensores de cámara de lentes intercambiables (ILC) de maneras ligeramente diferentes. La Leica M11 de precio de lujo, por ejemplo, se apoya en el agrupamiento de píxeles para tomar fotos a resoluciones de 60MP, 36MP o 18MP.

Ilustración que muestra los efectos del agrupamiento de píxeles de Quad Bayer

Pixel Binning combina píxeles Quad Bayer más pequeños en grupos más grandes (Ilustración: Bob Al-Greene)

Los chips CMOS se diferencian de los CCD de generaciones anteriores en algunos aspectos importantes. Por ejemplo, los chips CMOS leen los datos píxel por píxel en lo que se llama un obturador electrónico rodante, en lugar de todo a la vez como un CCD. Pero hay ventajas técnicas que hicieron que la industria fotográfica se alejara del CCD: los chips CMOS incorporan su convertidor de analógico a digital (ADC), en lugar de posponerlo como una unidad separada. Los chips también consumen menos energía y generan menos calor que los CCD, lo que es bueno tanto para la calidad de imagen con poca luz como para la duración de la batería.

CMOS, BSI CMOS y CMOS apilados

Hay tres tipos principales de sensores CMOS. El diseño básico de CMOS vive hoy en día en las cámaras de gama media y de nivel de entrada, modelos que obtienen las funciones más recientes un par de generaciones después de que aparecen en los modelos de gama alta.

El diseño mejorado, CMOS retroiluminado (BSI), es similar en concepto al CMOS normal, pero estos chips organizan los componentes de manera diferente. En resumen, los fotositos están más adelante en el dado y la velocidad de lectura línea por línea es más rápida. Este cambio permite ventajas prácticas: en términos generales, un BSI CMOS es alrededor de un f-stop mejor cuando se trata de ruido de imagen. Eso significa que un CMOS BSI muestra tanto ruido en ISO 12800 como lo haría un chip CMOS similar en ISO 6400. Esto también significa que las cámaras APS-C y Micro Four Thirds con chips BSI funcionan de manera más equitativa con las cámaras CMOS de fotograma completo. Esas no son reglas estrictas y rápidas, pero son buenas pautas a seguir.

Ilustración que muestra la diferencia entre los sensores CMOS, BSI CMOS y Stacked CMOS

Este diagrama muestra las diferencias arquitectónicas entre los sensores CMOS, BSI CMOS y Stacked CMOS (Ilustración: Bob Al-Greene)

La velocidad de lectura más rápida hace posible un obturador completamente electrónico para los modelos BSI CMOS, además permite una respuesta de enfoque automático más rápida para velocidades de ráfaga más altas con enfoque automático. La Fujifilm X-T3 fue la primera cámara de consumo que realmente aprovechó estas características. Debutó con un enfoque de 20 fps con un obturador completamente electrónico en 2018. Todavía necesita usar un obturador mecánico para congelar de manera confiable a los sujetos en movimiento con la mayoría de las cámaras BSI CMOS, pero el obturador electrónico silencioso es útil para retratos y otros sujetos fijos.

Los chips CMOS apilados llevan el concepto BSI CMOS un paso más allá. Colocan los componentes en una disposición similar, pero el diseño también apila el procesador de señal de imagen y su memoria DRAM ultrarrápida en el mismo silicio. Esto hace que las velocidades de lectura sean aún más rápidas. La primera cámara convencional con CMOS apilado, la Sony a9 de 2019, llamó la atención al ofrecer una experiencia fotográfica sin interrupciones: puede usarla para disparar fotos a 20 fps sin perder de vista su escena.

cámara nikon z9

El sensor CMOS apilado de la Nikon Z 9 lee lo suficientemente rápido como para eliminar la necesidad de un obturador mecánico, una verdadera hazaña para una cámara diseñada para congelar sujetos en movimiento en su lugar (Foto: Jim Fisher)

Debido a que la tecnología hace posible este tipo de fotografía, los chips CMOS apilados se han convertido en el estándar de facto para los profesionales de ILC de alta gama que usan para fotografiar desde el margen o desde un palco de prensa. Hemos visto algunas cámaras alcanzar los 30 fps (la Sony a1), y la Nikon Z 9 maneja fotos de 11 MP a 120 fps debido a su chip apilado y procesadores duales. La lectura ultrarrápida y la potencia de procesamiento también mejoran el enfoque automático. Los chips apilados ahora superan a los sensores BSI CMOS en velocidad de enfoque, precisión y reconocimiento de sujetos. Todo esto funciona en conjunto para garantizar que las cámaras apiladas no solo tomen un montón de fotos seguidas; ellos toman un montón de enfocado fotos seguidas.

En resumen, los chips CMOS son las opciones básicas principales para las cámaras digitales actuales. Pasar a un modelo con un sensor BSI CMOS aumenta la velocidad de lectura y mejora las imágenes con poca luz. Finalmente, los chips CMOS apilados aumentan aún más la velocidad y mantienen al sujeto a la vista mientras la cámara crea una imagen.

Cámaras CCD, Foveon, monocromáticas y de espectro completo

Anteriormente mencionamos los sensores CCD. Estos chips fueron el estándar para las cámaras de consumo en los primeros años, pero dieron paso a CMOS en años más recientes. El primero todavía tiene defensores pero, aparte de los compactos de gama muy baja, no ve el sensor en los modelos de consumo modernos.

Garaje fotografiado con cámara sensor Foveon

La Sigma DP2 Merrill utilizada para tomar esta foto captura los colores con un sensor Foveon de tres capas, un enfoque diferente al que adoptan las cámaras de Bayer (Foto: Jim Fisher)

Foveon es otro tipo de sensor que utilizan exclusivamente las cámaras Sigma X3, Merrill y Quattro. Los chips Foveon registran el color de manera diferente a través de un trío de capas sensibles a la luz en lugar de una matriz de filtros de color. En el lado positivo, estas cámaras no necesitan interpolar para completar el color faltante, lo que significa que pueden capturar muchos más detalles que un sensor Bayer de conteo de píxeles similar. Pero también hay inconvenientes: las aplicaciones de procesamiento sin procesar no admiten archivos de muchas cámaras Foveon y las fotos muestran un ruido muy fuerte en ISO moderados. Actualmente, solo hay un modelo Foveon en el mercado, el Sigma dp Quattro. No revisamos la cámara, pero sí observamos la Quattro H, ahora descontinuada, un modelo hermano que coincide con la mayoría de sus características, pero usa un sensor Foveon que es un poco más grande que APS-C.

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Fotografía en blanco y negro capturada con Leica M10 Monochrom que muestra a la cámara y al fotógrafo en el espejo lateral

Las cámaras especiales como la Leica M10 Monochrom omiten una matriz de filtros de color para capturar el mundo en blanco y negro; Tomé esta foto en el espejo con la M10M y una lente Elmar 5cm F3.5 de la posguerra (Foto: Jim Fisher)

Las cámaras monocromáticas son otra variación. Leica hace algunas opciones especiales que abandonan la matriz de filtros de color y capturan imágenes en blanco y negro exclusivamente. El M10 Monochrom y el Q2 Monochrom son terriblemente caros, pero los especialistas en monocromo pueden encontrar que valen la pena. Estas cámaras muestran una ventaja en los detalles, al igual que los chips Foveon, pero son superiores a las opciones de color con valores ISO altos: eliminar el filtro Bayer casi duplica la cantidad de luz que llega al sensor.

No encontrará ninguna cámara infrarroja de espectro completo a la venta en su gran tienda local, pero existen. Las cámaras de consumo tienen un filtro sobre el sensor para eliminar la luz invisible. Pero empresas como KolariVision(Se abre en una nueva ventana) y MaxMax(Se abre en una nueva ventana) puede eliminar este filtro o venderle una cámara preconvertida que puede ver longitudes de onda infrarrojas y ultravioletas. A los especialistas en paisajes les encanta usar estos sensores para capturar escenas surrealistas de aspecto alienígena aquí mismo en la Tierra.

foto infrarroja del árbol

Las cámaras convertidas para imágenes infrarrojas, ultravioletas o de espectro completo capturan longitudes de onda de luz que sus ojos no pueden ver (Foto: Getty / Justin Reznick Photography)

De cara al futuro, Semiconductor Solutions Group de Sony (una unidad separada de su división de cámaras) está desarrollando un CMOS apilado de última generación (se abre en una ventana nueva) chip que reposiciona los transistores integrados y promete un mejor rango dinámico y un ruido ISO más bajo que lo que es posible con los modelos de la generación actual. El anuncio de desarrollo se produjo a fines de 2021, pero esperamos esperar algunos años antes de que esta tecnología aparezca en una cámara que los simples mortales puedan comprar.

Panasonic también tiene un nuevo tipo de sensor en desarrollo. Anunciado en 2018, la compañía está trabajando en lo que llama un sensor orgánico, uno que usa un Película fotoconductora orgánica(Se abre en una nueva ventana) (OPF) en lugar de píxeles individuales para recoger la luz.

Elegir la cámara adecuada

Ahora que sabe más acerca de los sensores, es hora de elegir una cámara. Si está comprando un modelo de lente intercambiable, consulte nuestras selecciones de las mejores cámaras sin espejo y de fotograma completo, o lea nuestra guía de compra más general si no está seguro de qué tipo de cámara debe comprar.

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