Límite de sensibilidad a los infrarrojos para varios sensores de cámara

¿Qué cámara es realmente la mejor para infrarrojos? ¿Es el modelo X más adecuado para infrarrojos que el modelo Y? A lo largo de muchos años de experiencia, la respuesta siempre ha sido: "En realidad no hay mucha diferencia". Esta intuición es más que suficiente para la fotografía creativa con infrarrojos y ahí podría acabar el artículo. Pero para determinadas aplicaciones, especialmente para Medidas de electroluminiscencia de los módulos fotovoltaicos, es muy posible que la sensibilidad real en el límite de los sensores de las cámaras sea significativa. Esta suposición, sostenida desde hace mucho tiempo, puede respaldarse ahora con unas cuantas mediciones sólidas de diversos sensores CMOS. La empresa SurfLabX de Taufkirchen ha medido en su laboratorio varias cámaras de espectro completo modificadas de IRreCams y podemos echar un vistazo a los resultados.

Breve resumen

Resumiendo brevemente para los que tenemos prisa: Todas las cámaras de espectro completo probadas eran capaces de percibir la luz infrarroja en el rango de 1.000 nm a 1.200 nm. No había ninguna diferencia significativa entre un sensor full-frame, APS-C o MicroFourThirds, ni el fabricante de los sensores (Canon, Panasonic, Sony) parecía tener una influencia significativa en el resultado. Del mismo modo, un sensor Backside Iluminated (BSI) moderno no muestra ninguna ventaja fundamental sobre los sensores Frontside Iluminated normales.
Por encima de los 1.200 nm, prácticamente no se ha podido medir la sensibilidad con las cámaras; con toda probabilidad, aquí se ha alcanzado un límite técnico del material semiconductor (silicio). La conclusión es que en el infrarrojo cercano se pueden obtener resultados igual de buenos con todas las cámaras y sensores de los últimos años.

Los factores decisivos para la calidad de imagen son más bien el comportamiento del ruido y el rango dinámico de la cámara (estas cifras clave están disponibles en el rango visible a través de diversas pruebas). Aspectos como la ergonomía, la velocidad de autoenfoque y los objetivos disponibles deberían ser criterios mucho más decisivos a la hora de decidir qué cámara es la mejor para infrarrojos. Porque esta cuestión es, al igual que en el rango visible, muy subjetiva.

Montaje experimental y análisis cualitativo

Y ahora la versión larga, veamos primero cómo se probaron las cámaras. Se utilizó un monocromador para dirigir un haz de luz monocromática directamente al sensor de las cámaras. No se montó ningún objetivo en las cámaras, por lo que la radiación podía incidir en el sensor de la cámara sin obstáculos. Las imágenes se capturaron a ISO 200 con un tiempo de exposición de 1/30 s cada una en formato RAW para su posterior procesamiento. A continuación se muestra un collage de las imágenes individuales sin procesamiento adicional.

La parte izquierda muestra una Canon EOS RP con sólo el primer filtro de bloqueo retirado (la cámara equivale aproximadamente a una conversión astro), mientras que la parte derecha muestra una Canon EOS RP de espectro completo. Se puede observar a simple vista que la radiación infrarroja por encima de 700 nm sólo puede generar una señal en el sensor tras una conversión de espectro completo. Sin embargo, es muy poco lo que puede reconocerse en los campos más oscuros sin procesar. Para mejorar la visibilidad para el ojo, se igualó el brillo de todas las imágenes individuales a un nivel uniforme.

Esta imagen muestra la versión sin procesar del RP de espectro completo a la izquierda y las imágenes aclaradas del mismo archivo a la derecha. Como era de esperar, hay mucha más información en las zonas oscuras de los archivos RAW de lo que sugerirían las imágenes sin procesar. Al mismo tiempo, sin embargo, el ruido se aclara y aumenta con el procesado. En las 3 últimas imágenes, se puede ver cómo la señal real queda cada vez más ahogada por el ruido y amenaza con desaparecer.

Si ahora comparamos de nuevo la Canon EOS RP sin el primer filtro de bloqueo con la RP de espectro completo, se reconoce muy claramente que sin una modificación de espectro completo prácticamente sólo sale ruido. Para la luz infrarroja, una cámara de este tipo, o una cámara sin modificar, es absolutamente inútil. De vez en cuando pueden reconocerse pequeñas señales (por ejemplo, a 910 - 940 nm), que muy probablemente se deban a que el filtro de bloqueo aún instalado tiene pequeñas "fugas" en el IR (las pequeñas fluctuaciones en la curva de transmisión son bastante normales con los filtros de interferencia).

Antes de ver todos los resultados, comparamos una cámara APS-C con una de fotograma completo:

Ambas cámaras han sido convertidas a espectro completo y ambas cámaras tienen sensores BSI "modernos". Sin embargo, desde un punto de vista puramente cualitativo, no hay mucha diferencia entre la Fujifilm X-T3 y la Sony A7R III. Las generaciones actuales de sensores, independientemente de su tamaño, han alcanzado en los últimos años una meseta de rendimiento en la que están prácticamente a la par.

Resultados detallados

El gráfico anterior resume todos los resultados de las pruebas y muestra la intensidad de la señal en función de la longitud de onda medida. Cuanto mayor es el valor en una longitud de onda, más sensible es el sensor. La Canon EOS RP sin modificar y la RP sin el primer filtro de bloqueo muestran claramente una sensibilidad nula a la radiación infrarroja por encima de 700 nm; se encuentran en la parte inferior del diagrama. Sólo con una conversión a infrarrojos puede la radiación penetrar sin obstáculos hasta el sensor y ser detectada aquí. Todas las cámaras de espectro completo muestran más o menos las mismas características y son muy parecidas entre sí. La Panasonic G6 probada tenía instalado un filtro de paso largo de 700 nm, aquí la curva coincide con las demás cámaras de espectro completo a partir de aprox. 750 nm.

Me gustaría referirme de inmediato a un aparente valor atípico: La Canon EOS RP de espectro completo parece ofrecer resultados visiblemente peores que todas las demás cámaras probadas. Después de investigar un poco, resultó que los parámetros de prueba para esta cámara se eligieron de forma desfavorable. Por alguna razón, el ruido de lectura de la RP en los rangos ISO bajos (las mediciones se realizaron a ISO 200) es significativamente mayor que con otras cámaras (por un factor de 3). A partir de un rango ISO de 3.200, sin embargo, el ruido de la RP vuelve a acercarse al de las otras cámaras y se sitúa entonces a la altura de los ojos. Si todas las mediciones se hubieran realizado con un ISO más alto, es casi seguro que el RP no desentonaría con los demás resultados.

Ahora que hablamos de ruido, también tenemos que fijarnos en el comportamiento del ruido de cada uno de los sensores para entender mejor las curvas del diagrama anterior. Si una cámara fuera extremadamente ruidosa, en última instancia sólo habríamos medido el ruido y no la verdadera señal que emite el sensor. Por tanto, también hay que tener en cuenta el comportamiento del ruido de las cámaras a la hora de hacer una evaluación.

Este gráfico muestra el comportamiento del humo (SNR) en función de la longitud de onda medida. Un valor más alto significa que la cámara emite una señal más "limpia" y hay menos ruido en la imagen. De nuevo, todas las cámaras están más o menos próximas entre sí y muestran una imagen similar. A partir de una longitud de onda de 800 nm, los resultados son cada vez peores y se acercan a un límite en torno a los 1.200 nm: aquí sólo se observa ruido.

Una comparación entre la Fujifilm X-A3 (sensor con iluminación frontal) y la X-T3 (sensor con iluminación trasera) no muestra diferencias significativas en el comportamiento de la señal o el ruido. Por lo tanto, este tipo de producción de sensores no parece tener una influencia significativa en la sensibilidad IR.

Si se observan ambos diagramas, se puede ver que, al menos en el rango que interesa para la electroluminiscencia de los módulos fotovoltaicos (950-1.150 nm), todas las cámaras están muy próximas entre sí. Es difícil reconocer una diferencia y hacer una recomendación en un sentido u otro.

Pero intentemos elegir un ganador por una vez. Si nos fijamos en ambos diagramas, la Sony A7R III sale ganando tanto en comportamiento de la señal como en ruido. Si queremos elegir una "peor" cámara, probablemente tendría que ser la Canon EOS RP basándonos en los datos disponibles. Me gustaría subrayar una vez más que esto se debe únicamente a la combinación de los parámetros de medición en combinación con el procesamiento de señal interno de la cámara - en valores ISO más altos, la RP estaría casi con toda seguridad a la par con las otras cámaras (los valores ISO altos se utilizan para la medición de electroluminiscencia de módulos fotovoltaicos en particular).

Pero, ¿qué significa esto en la práctica si miramos al "ganador" y al "perdedor" uno al lado del otro?

Tanto en la versión sin procesar como en la versión aclarada de la serie de pruebas, las diferencias en las longitudes de onda más altas son reconocibles, pero, en principio, ambas cámaras producen resultados que ya no difieren tanto en la práctica. En las longitudes de onda más altas, ambas cámaras presentan ruido, pero el cono de luz sigue siendo reconocible.

Los resultados de las demás cámaras se sitúan en algún punto intermedio, tendiendo a acercarse más a los resultados de la Sony. Esta serie de pruebas no incluye ningún sensor apilado, y también sería interesante comparar un sensor monocromo. Tal vez en el futuro haya ocasión de volver a medir esto. Hasta entonces, me gustaría volver a mi intuición original: "No hay mucha diferencia".

Una vez más, quiero dar las gracias a la empresa SurfLabXQueremos dar las gracias especialmente al Sr. Karpen por facilitarnos los resultados de las mediciones y por el interesante intercambio sobre la tecnología de las cámaras.