¿Cuál es la diferencia entre un sensor de cámara CCD y CMOS?

Se han escrito y intercambiado muchas palabras sobre la diferencia entre los sensores de cámara CCD (dispositivo de acoplamiento de carga) y CMOS (semiconductor de óxido metálico + sensor de píxeles activos), así como sus posibles ventajas o desventajas. ¿Cuál es realmente la diferencia entre ellos?

Es un debate que ha existido desde que CMOS comenzó su trayectoria hacia convertirse en la tecnología dominante en la industria de los sensores de cámaras. Esto sucedió gradualmente a lo largo de la década de 2000 y, para mediados y especialmente para finales de esa década, quedó claro qué ganaría tanto para fotografía como para video.

Lo que intentaremos hacer es añadir un poco de claridad a este asunto, cubriendo las diferencias científicas — en un lenguaje que esperamos haya sido destilado para ser accesible y conciso pero también informativo y detallado — así como abordando algunos de los puntos de discusión subjetivos más comunes que han circulado por internet durante la mayor parte de dos décadas.

Es importante señalar que estamos limitando esta discusión a sensores no científicos (astrofotografía, medicina, etc.) y no de video. En otras palabras, estamos hablando de tecnología de sensores CCD y CMOS en cámaras de fotos por brevedad. Una conversación más amplia que abarque tecnología en diversas disciplinas sería extensa como un libro. Ten en cuenta entonces que algunas afirmaciones a continuación no son válidas para aplicaciones fuera del ámbito de la fotografía fija.

Un poco de historia

Para simplificar las cosas, empecemos a principios de mediados de los años 2000, momento en el cual la fotografía digital se había establecido como una alternativa válida al cine para muchos profesionales. Tanto la tecnología CCD como CMOS existían mucho antes de ese momento, pero queremos mantener las cosas más concretas aquí.

A finales de los años 90 y principios de los años 2000, la industria de las cámaras estaba en pleno cambio en varios aspectos. Las empresas competían por la dominancia mientras hacían malabarismos con la transición de lo analógico a lo digital y la tecnología de sensores digitales estaba por todas partes. Lo relevante para este tema es que vimos una variedad de tecnologías de sensores diferentes y únicas que se utilizaban en los distintos fabricantes, fluctuando y evolucionando con frecuencia.

Hoy en día tenemos fundamentalmente cuatro tipos de sensores: CMOS con un filtro de patrón de color Bayer, CMOS sin un filtro de patrón de color (sensores monocromos), CMOS con el filtro de patrón de color X-Trans de Fujifilm y sensores Foveon. Como podrás deducir, eso significa realmente que solo tenemos dos tipos de tecnología de sensor real: CMOS y Foveon.

Aunque había sensores únicos aquí y allá (como el Nikon JFET-LBCAST), la mayoría de las cámaras producidas a principios y mediados de los años 2000 estaban equipadas con sensores CCD. Esto comenzó a cambiar gradualmente a lo largo de la década. Indudablemente, esto fue impulsado por el líder del mercado, Canon, quien implementó el primer sensor CMOS de fotograma completo con la Canon 1Ds en 2002 y continuó utilizando la tecnología CMOS en la mayoría de sus cámaras en el futuro.

El debut de la Nikon D3 y la Sony a700 a mediados de 2007 afianzaron firmemente al CMOS como la tecnología dominante para las cámaras fotográficas, no es sorprendente que fue este mismo año cuando las ventas de CMOS superaron las ventas de CCD. La única excepción fue el ámbito del formato medio, que seguía utilizando sensores CCD hasta el lanzamiento del Hasselblad H5D-50c en 2014. Después de todo, la tecnología de las cámaras tiende a filtrarse hacia arriba.

Naturalmente, la gran pregunta es “¿por qué?” ¿Por qué las compañías abandonaron CCD a favor de CMOS?

Diferencias objetivas: La ciencia

Los sensores mismos son completamente monocromáticos. En otras palabras, miden luz — no es hasta que se instala una matriz de filtro de color (CFA) sobre el sensor que pueden capturar información de color. Esto se hace generalmente con un mosaico RGB Bayer, ya sea que el sensor en sí sea CCD o CMOS.

Ambos tipos de sensores están construidos con matrices de fotodiodos de silicio, también conocidos como píxeles. En las cámaras digitales, habrá millones de estos píxeles - un millón de píxeles es más conocido como un “megapíxel”. Estos píxeles están orientados en un patrón de filas y columnas, finalmente uniéndose para formar la forma rectangular que conocemos como sensor. Cuando la luz pasa a través de una lente y golpea estos píxeles de silicio, los fotones de la luz interactúan con los átomos en el sustrato de silicio. A medida que esto sucede, los electrones son impulsados a estados de energía más altos y se envían en movimiento a través de la estructura.

Eso es los elementos básicos de un sensor básico, ya sea CCD o CMOS. Después de este punto, la forma en que cada uno de ellos convierte estos fotones en una imagen digital revela sus diferencias: este proceso se conoce como “lectura del sensor” o “lectura de datos” y es cuando se produce la traducción de la actividad eléctrica física a datos digitales.

CCD

En un sensor CCD, cada píxel contiene un pozo de potencial que a menudo se asemeja a un cubo. Durante la exposición, a medida que la luz golpea el sensor, este pozo de potencial recoge fotones, y los fotones liberan electrones. Los electrones se acumulan durante la exposición, limitados dentro del “cubo” por electrodos y relojes verticales.

Después de la exposición, los electrones migran por cada fila del CCD y se recoge la carga de cada píxel en el camino. Eventualmente, llegan a un “contenedor” al final de la fila conocido como amplificador. Este amplificador mide la cantidad de fotones sueltos en cada pozo y lo convierte en voltaje. El proceso continúa desde allí hacia la etapa de ganancia y luego al ADC (convertidor analógico a digital).

Con la mayoría de los sensores CCD fotográficos, es necesario un obturador mecánico para evitar posibles “manchas” —ya que el sensor se lee línea por línea, cualquier luz que caiga en los fotositios durante el proceso puede crear artefactos verticales del tipo mancha. Esto obviamente impide que los sensores CCD se usen con la visualización en vivo. Como recordatorio, nos referimos específicamente a las cámaras fotográficas fijas —las cámaras de cine CCD utilizan un diseño diferente.

En este punto podrías decir: “¡hey, las primeras cámaras digitales compactas con sensores CCD tenían vista en vivo!”

Sí y no.

Estas cámaras no tenían una visualización en vivo real como la conocemos hoy. En su lugar, mostraban un considerable retraso, especialmente notable cuando la cámara se movía. Puede que esto se deba a la tecnología lenta de aquel entonces, pero en realidad era una limitación de la velocidad de lectura lenta de los chips CCD: cada fotograma tenía que ser agrupado y transferido a la pantalla LCD o EVF, lo cual podía llevar hasta un segundo o más. Por lo tanto, terminas con una imagen cuasi en vivo con una frecuencia de fotogramas lamentable, aunque es suficientemente decente para encuadrar sujetos estáticos o mayormente estáticos.

CMOS: Semiconductor de Óxido Metálico Complementario.

Saltando hacia los sensores CMOS, todo lo mencionado anteriormente sigue siendo válido en cuanto a los píxeles que recogen luz (fotones), sin embargo, las dos tecnologías se diferencian en la etapa de lectura: cada píxel individual en un sensor CMOS tiene su propio circuito de lectura —un par de fotodiodo-amplificador que convierte los fotones en voltaje. A partir de ahí, cada columna del sensor CMOS tiene su propio ADC. Una ventaja de esto es un costo de producción significativamente más bajo para producir sensores CMOS, ya que tanto los ADC como el sensor de imagen están en el mismo chip de silicio. También permite un diseño más compacto, lo cual es especialmente beneficioso para teléfonos inteligentes y cámaras muy compactas.

Como cabría esperar, dado que cada píxel se lee en paralelo, los sensores CMOS pueden ser mucho más rápidos. Hoy en día, esto es especialmente importante tanto para el video como para el uso de obturadores electrónicos silenciosos: una lectura más rápida del sensor significa menos distorsión de objetos en movimiento (“rolling shutter”), así como la posibilidad de una vista en directo ininterrumpida. Cámaras como Canon R5 y R6 y Sony Alpha 1 pueden leer el sensor lo suficientemente rápido como para que incluso objetos de alta velocidad como coches de carreras o atletas en movimiento no se deformen ni distorsionen al usar el obturador electrónico. También ayuda en el uso del flash, como se ve en la Sony Alpha 1, que puede sincronizarse con el e-shutter a la misma velocidad que muchos obturadores mecánicos.

Nada de esto sería remotamente posible en un sensor CCD.

Los sensores CMOS también requieren menos energía y producen menos calor. Esta es una de las razones por las que las cámaras CCD de obturador global (“CCD de transferencia de cuadro”) que se encuentran en algunas cámaras de cine digital no pueden ser implementadas en cámaras fotográficas fijas —mientras que el cuerpo grande y las baterías robustas de las cámaras de cine mitigaron los problemas de calor y energía, esto no era posible en un paquete significativamente más pequeño.

La introducción de la tecnología BSI (iluminación en la parte posterior) de Sony en 2009 en su sensor Exmor R CMOS reforzó aún más la dominancia de la tecnología CMOS. Los sensores tradicionales (iluminación en la parte delantera) tienen su matriz activa y cableado en la superficie frontal del sensor de imagen. De manera perjudicial, esto refleja parte de la luz entrante, lo que reduce la cantidad de luz capturada. BSI mueve esta matriz detrás de los fotodiodos, lo que permite un aumento aproximado de medio paso (50%) en la cantidad de luz recogida. BSI permitió que la tecnología CMOS se adelantara aún más a los CCD.

¿Entonces, para qué sirve?

CCD tenía sus ventajas sobre CMOS, aunque la mayoría de ellas han sido resueltas en los años desde que CMOS tomó el control. Toma la Nikon D1 del 1999: tiene un sensor CCD APS-C y entrega imágenes de 2.7 megapíxeles, sin embargo, el propio sensor tiene 10.8 millones de fotositios (es decir, 10.8 megapíxeles). Debido a la lectura en serie de los píxeles, es muy simple implementar el agrupamiento de píxeles en un diseño CCD, lo que resulta en una mayor sensibilidad y una mayor relación señal-ruido. Mientras que se puede hacer agrupamiento de píxeles en un sensor CMOS, debe ocurrir fuera del sensor y no se pueden combinar cargas de fotositios vecinos.

Los sensores Foveon de Sigma fueron desarrollados parcialmente para combatir este problema.

Un buen ejemplo de esto en una cámara ligeramente más moderna es la cámara Sony F35 CineAlta del 2008. Contenía un solo chip CCD Super 35 (aproximadamente del tamaño de APS-C) con una resolución de 12.4 megapíxeles. Sin embargo, solo producía un archivo de 1920×1080 (HD). Esto es el resultado de la combinación de píxeles en el chip y permitía, entre otras cosas, que la cámara pueda emitir datos RGB 4:4:4 verdaderos, sin necesidad de interpolación. Es posible hacer esto con tecnología CMOS, pero tiene que ocurrir fuera del chip. Por ejemplo, es posible reducir la resolución de un archivo de video de alta resolución 4:2:0 a un archivo de resolución más baja 4:4:4 en software. Además, muchas cámaras de fotos con estabilización de imagen incorporada (IBIS) ofrecen desplazamiento de píxeles, que se puede utilizar para generar un archivo de alta resolución o un archivo de color verdadero de resolución nativa. Pero estas no son alternativas ideales a la combinación de píxeles en el chip.

Los sensores CCD también tienen una no linealidad que a menudo (aunque no siempre) carece en los sensores CMOS más lineales. Esto significa una transición más agradable y natural en los cuartos tonos y en los aspectos más destacados, aunque esto se da a costa de un nivel de ruido más alto, lo cual es especialmente notable en las sombras, incluso a ISO base. También se requiere una exposición cuidadosa y precisa debido a la escasa tolerancia de los sensores CCD, pero cuando se hace correctamente, resulta en lo que muchos consideran una calidad de imagen más parecida a la de la película. Después de todo, la película también es extremadamente no lineal, con una destacada capacidad para captar aspectos más luminosos pero poca tolerancia para resaltar las sombras sin un agresivo ruido de patrones o cambios de color.

Diferencias subjetivas: El debate CCD vs CMOS

Esta es el área donde las cosas se complican, pero también es el problema principal en el corazón de los debates CCD vs CMOS en los foros de Internet. Por un lado están aquellos que creen que las cámaras con sensores CCD producen imágenes superiores. Por otro lado están aquellos que enfatizan los numerosos beneficios de la tecnología CMOS, argumentando que no hay mucha diferencia en la calidad de imagen entre ambas.

Desde mi perspectiva, ciertamente existen méritos en el argumento de que los sensores CCD pueden y producen archivos más agradables, pero por supuesto, el concepto completo de “agradable” es subjetivo. Gran parte de esto está relacionado con las curvas tonales inherentes a cada tipo de sensor mencionado anteriormente. La no linealidad produce archivos que imitan de manera más cercana la visión humana: es increíblemente común que nuestra visión se recorte completamente en negro, pero casi nunca vemos reflejos completamente quemados. Hipotéticamente, si pudiéramos ver veinte pasos de rango dinámico, la distribución podría verse algo así como 12 pasos por encima y 8 pasos por debajo del gris medio. Contrasta eso con un hipotético sensor CMOS de 20 pasos, que probablemente sería exactamente lo opuesto.

Como un dato aparte, esta es una de las razones por las cuales la Arri Alexa es tan popular en el cine y se considera la más “parecida al cine” — en su ISO base de 800 asigna más rango dinámico por encima del gris medio que por debajo, algo que no se encuentra en casi ninguna otra cámara de cine.

Algunos argumentan que los sensores CCD producen colores más naturales y precisos. Su salida de color es sin duda diferente, y creo que hay algo de mérito en la idea de la precisión del color, al menos basado en mi experiencia con muchas cámaras CCD. Algunos especulan que esto tiene que ver con los diseños de CFA y quizás sea así, ciertamente con algunas cámaras como las cámaras SuperCCD de Fujifilm ese es el caso. Pero también vemos colores extremadamente precisos y neutrales en muchos sensores CMOS, Hasselblad es el rey del color neutro, en mi opinión. Numerosas pruebas a ciegas también han demostrado que las fotos de los sensores CMOS se pueden emparejar fácilmente a las imágenes de un CCD (y viceversa), al menos en lo que respecta al color.

Desde mi perspectiva y experiencia, la salida CCD en condiciones óptimas (buena iluminación direccional, bajo ISO, colores vibrantes) dará como resultado azules más profundos, rojos sorprendentemente precisos, medios tonos cálidos, sombras neutras y frías, y transiciones tonales muy agradables desde los cuartos tonos hasta los puntos más brillantes, siempre y cuando esos puntos no estén recortados. Si una escena va a tener puntos brillantes recortados, entonces los resultados favorecerán al CMOS porque la caída evita algunos de los bordes abruptos más severos que se encuentran en los puntos destacados recortados del CCD.

Casi todas estas cosas, dadas cada una que la imagen esté correctamente expuesta, se pueden emparejar relativamente fácilmente con un uso juicioso de los deslizadores de HSL (tono, saturación, luminosidad).

¿Qué significa todo esto?

Entonces, ¿hay alguna diferencia entre las imágenes CCD y CMOS? Absolutamente, no hay duda - tanto en diseño como en resultado.

¿Son esas diferencias importantes? Eso depende.

Si eres fan de utilizar archivos directos de la cámara, es probable que encuentres más agradable la salida de los sensores CCD: las imágenes tienen más impacto, son más coloridas y pueden funcionar muy bien sin mucha ajuste. Por otro lado, lo mismo es cierto en muchas cámaras basadas en CMOS con excelentes motores JPEG ajustables, como Fujifilm y Olympus, aunque hay muchos otros ejemplos.

Pero si disparas y procesas en RAW? No solo puedes imitar la salida de CCD en ese caso, sino que la mayor latitud de CMOS te brinda una gama mucho mayor de opciones.

Hay una cosa que no hay duda: la tecnología CMOS ha superado y dejado atrás a CCD, al menos para imágenes fijas y de video. Pero tal vez amas los resultados de tu Leica M9 y no necesitas la vista en vivo, obturador electrónico silencioso, amplio rango dinámico o capacidades impresionantes de fotografía en condiciones de poca luz. En ese caso, aprecia y utiliza tu M9.

Pero si tu cámara está desgastada y necesita una actualización, no hay motivo para preocuparse por qué sensor tiene tu reemplazo.

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