O fotógrafo e profissional de animação Raymond Sirí criou dois vídeos para explicar como funcionam os sensores das câmeras – seja em modelos profissionais, seja em smartphones.
Existem dois tipos principais de sensores de imagem para câmeras digitais e filmadoras: CMOS e CCD.
Ambos são feitos de silício, e funcionam de maneira semelhante. Eles dependem do efeito fotoelétrico: isto é, os fótons (partículas de luz) interagem com o silício para mover elétrons no sensor, capturando a imagem.
CMOS
O sensor mais popular é o CMOS (semicondutor metal-óxido complementar), por vezes também chamado de APS (sensor de pixels ativos). Ele está presente na maioria dos celulares, câmeras point-and-shoot recentes, DSLRs e webcams.
Os sensores CMOS contêm fileiras de fotodiodos, que convertem a luz (fótons) em carga elétrica (elétrons). O sensor faz uma varredura, lendo cada fileira de fotodiodos uma a uma, e envia os dados para um processador, que monta a imagem completa. Assim:
O vídeo demonstra que, para capturar as cores, cada pixel é coberto por um filtro – verde, azul ou vermelho. Eles estão organizados no que se chama “matriz de Bayer”: para cada par de pixels vermelho e azul, há dois pixels verdes. (Isso foi inventado por Bruce Bayer, da Kodak.)
Os dois conceitos-chave são: (1) nossos olhos percebem muito mais o brilho do que a cor, e (2) a luz verde contribui cerca de duas vezes mais para a nossa percepção do brilho do que o efeito combinado do vermelho e azul. Alocar mais pixels verdes, portanto, produz uma imagem com aparência muito melhor do que se cada cor fosse alocada igualmente.
Algumas câmeras, no entanto, usam sensores CMOS empilhados que detectam cada cor (verde, azul, vermelho) de forma individual.
A maior vantagem do CMOS é seu custo reduzido, pois pode ser fabricado com métodos semelhantes ao de processadores e outros chips. Além disso, ele consome menos energia.
No entanto, o sensor CMOS leva frações de segundo para ler cada fileira de pixels, em vez de fazer tudo de uma vez. Por isso, certas partes da imagem são capturadas um pouco depois das outras. Isso pode resultar em distorções quando você fotografa um objeto em movimento – é o efeito “rolling shutter”, ilustrado abaixo:
Quanto mais rápido for o sensor, menor será esse efeito.
CCD
Por sua vez, temos o CCD (dispositivo de carga acoplada). Ele era bastante usado até os anos 90, quando os sensores CMOS tinham uma qualidade inaceitável. Você pode encontrá-lo em câmeras point-and-shoot mais antigas, e também em telescópios astronômicos.
A maior diferença é que o sensor CCD captura toda a imagem de uma vez. Cada pixel é atingido pela luz e armazena sua cor e intensidade. Então, o sensor recebe a informação vinda de cada fileira de fotodiodos, amplifica o sinal, e o passa pelo conversor analógico-digital.
Para começar, as cargas na primeira fileira são transferidas para um registro de leitura. A partir daí, os sinais são então enviados a um amplificador e, em seguida, para um conversor analógico-digital. Depois que uma fileira é lida, suas cargas no registro de leitura são excluídas.
A próxima fileira, em seguida, entra no registo de leitura, e todas as fileiras acima descem uma linha… sempre que uma fileira desce, as outras descem junto para ocupar o espaço vazio. Desta forma, cada fileira pode ser lida de cada vez.
O sensor só volta a interagir com a luz quando termina de processar todos os pixels. Por causa disso, não há efeito “rolling shutter” nos sensores CCD, tornando-os mais confiáveis para telescópios.
No entanto, isso significa que o CCD é mais sensível à luz, o que pode causar o efeito blooming: o sensor vaza a fonte de luz para outros pixels, deixando um brilho exagerado na imagem. O sensor também consome mais energia, e custa mais para ser fabricado.
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