Câmeras digitais estão por toda parte, usadas em diversos campos. Você as encontra não só em smartphones, mas também em vigilância, monitoramento de tráfego, linhas de produção modernas e muitas outras indústrias.
Uma câmera digital captura uma imagem convertendo a informação da imagem vinda da lente, e o que torna esse processo de conversão possível é o sensor de imagem. Ele também é considerado o coração de uma câmera digital, pois a câmera não funciona sem ele. Então, como funciona o sensor de câmera digital?
O sensor de câmera é o componente principal de toda câmera, e ele torna possível capturar uma imagem. Para formar uma imagem, precisa de luz. A luz vem do objeto e atinge o sensor.
O sensor captura a luz e a converte em forma digital. Essa forma digital é o que chamamos de imagem digital.
O sensor é um dispositivo de estado sólido, composto por pequenos componentes. Estes são:
O sensor só captura luz, não cor. O array de filtro de cor dá ao sensor a capacidade de ver cor. Diferentes fabricantes usam diferentes tipos de array; o mais comum é Bayer GRGB.
Ele é colocado sobre cada pixel para detectar cor, e cada pixel detecta apenas uma cor. Então, este array produz amostras de cor incompletas. Depois, usando o processo de desmosaico (demosaicing), a câmera reconstrói uma imagem com cores completas.
Se luz de alta frequência passa pelo sensor, pode produzir partes da imagem embaçadas. Um filtro passa-baixa suprime a frequência da luz incidente, tornando a imagem segura contra aliasing.
Aliasing pode causar detalhes repetitivos na imagem, resultando em desfoque. Mas limitar a frequência da luz diminui detalhes. Fabricantes nitidizam a foto para que pareçam detalhadas.
Luz infravermelha pode causar cores falsas (color casts) na imagem, e o sensor é muito sensível a ela. Há um espelho entre a lente e o filtro passa-baixa para impedir que a luz IR alcance o sensor. Este espelho é o filtro infravermelho.
Embora todo sensor faça o mesmo trabalho, diferem na construção. Os dois tipos mais comuns são sensores CCD e CMOS. Sensores tipo CCD coletam a carga de cada cavidade ou fotossítio e transferem a carga usando um array vertical de pixels blindados.
Sensores tipo CMOS têm amplificador de sinal em cada pixel. Coletam a carga da cavidade, convertem em voltagem e amplificam nos pixels. Este sensor produz voltagem em vez de carga como CCD. Mas como amplifica a carga em cada pixel, pode haver ruído na imagem; a maioria dos sensores CMOS contém circuito extra de redução de ruído.
Pixel mede a quantidade de luz incidente que incide sobre ele usando um fotodetector sensível. Esses fótons causam liberação de elétrons do silício, formando carga no fotossítio.
Microlentes são parte muito importante do sensor. Aumentam a sensibilidade do sensor direcionando a luz para os pixels. Os circuitos do sensor ocupam uma parte de cada pixel, então as microlentes direcionam a luz para dentro, e a luz não é afetada pelos circuitos.
Todos esses componentes trabalham juntos para converter a informação de luz em imagem digital.
Uma câmera digital nem leva um milissegundo inteiro para capturar uma imagem, mas dentro desse curto tempo completa muitas tarefas. O sensor em si realiza as operações primárias.
O que ele faz é capturar a luz incidente e converter a luz em forma digital. É só isso, mas o processo não é simples.
Quando você pressiona o botão do obturador, as cavidades do sensor ficam expostas à luz. Há milhões de pixels num sensor, e o número de pixels é o mesmo das cavidades, chamadas de fotossítios.
Os fotossítios são sensíveis à luz, e esta parte do sensor captura a luz. Quando o botão do obturador é pressionado, esses fotossítios ficam expostos à luz e fecham ao terminar a exposição.
Neste curto tempo de exposição, a luz atinge os fotossítios, e eles produzem um pequeno sinal ou carga elétrica.
Quanto maior o tempo de exposição, maior a quantidade de luz atingindo os fotossítios. O mesmo vale para luz mais brilhante, ou seja, condições de iluminação brilhante permitem mais fótons atingirem os fotossítios.
Quanto mais fótons atingem os fotossítios, mais sinal elétrico é produzido, e mais nítida a imagem será.
Assim, cada fotossítio produz uma quantidade diferente de sinal elétrico. A câmera mede esses sinais, e o resultado medido é convertido em valor digital usando um conversor analógico-digital. O valor resultante é o que chamamos de imagem.
Como os fotossítios não veem cor, o sinal elétrico seria convertido apenas em escala de cinza. Então, o sensor usa um array de filtros de cor para detectar a cor. O tipo mais comum é o array Bayer.
Sobre cada fotossítio há este filtro Bayer. Um quarto de um pixel mede vermelho, outro quarto mede azul, e metade mede verde. Cada pixel captura apenas uma cor.
O filtro azul captura azul, vermelho captura vermelho, verde captura verde. A luz que não corresponde à cor do filtro é refletida. Isso significa que perdemos dois terços da luz incidente para capturar cada cor, então o brilho da imagem é três vezes maior que a resolução de cor.
Cada fotossítio captura uma cor de luz, e então a câmera adivinha as outras duas cores presentes naquela luz. No geral, a câmera interpola o sinal de cor de todos os pixels vizinhos e calcula o valor de cor completo para cada pixel.
A informação de cor de todos os pixels é costurada, e isso forma uma imagem digital.
Leia em seguida: Como ler uma lente de câmera
Como o sensor da câmera vê a luz?
O sensor digital tem milhões de fotossítios sensíveis à luz. Quando o botão do obturador é pressionado, esses fotossítios ficam expostos à luz, capturando os fótons que os atingem.
Como o sensor captura uma imagem?
Quando a luz atinge as cavidades do sensor, cria um sinal elétrico. O sensor mede a informação e converte esses dados em forma digital. Depois, costura todos esses dados digitais, resultando numa imagem.
Palavras Finais
Capturar uma imagem não é grande coisa. Mas o processo dentro do sensor não é simples. Espero que este guia dê uma boa ideia de como funciona o sensor de câmera digital.
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