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¿Por qué no hemos visto otra cámara de teléfono inteligente de 41 megapíxeles?

El año fue 2012. El mercado de teléfonos inteligentes ya estaba bien establecido, pero la fotografía móvil de calidad todavía estaba en pañales. Apple y la mayoría de los otros fabricantes solo habían comenzado a enfocarse en él en los últimos años y la fotografía móvil aún tenía un largo camino por recorrer. Todo eso cambió con el Nokia PureView 808.

Con la óptica Carl Zeiss, el primer sensor de imagen de 41 MP de la industria y un potente software para arrancar, el PureView 808 fue posiblemente el primer teléfono inteligente que realmente empujó la envolvente de la fotografía móvil. Nokia lo siguió con el legendario Lumia 1020 el año siguiente, que agregó la estabilización de imagen óptica de 3 ejes y una aplicación de cámara extensa y actualizada. Si bien conservaba la misma resolución de 41 MP, el 1020 usaba un sensor iluminado en la parte posterior mejorada. Incluso ejecutó Windows Phone 8 en lugar del propio sistema operativo Symbian de Nokia.

Esta interacción de hardware y software puso al Lumia 1020 años luz por delante de la competencia. Entonces, ¿por qué no hemos visto otros teléfonos inteligentes con tecnología similar desde entonces?

Difracción, discos Airy y calidad de imagen
Hay potencialmente muchas respuestas a esa pregunta. Uno implica difracción y requiere una explicación ligeramente técnica, así que tengan paciencia conmigo.

Las ondas de luz normalmente viajan en línea recta. Cuando pasan a través de gases, fluidos o materiales como el vidrio, o rebotan en ciertas superficies, se doblan y cambian su trayectoria. La difracción (que no debe confundirse con la refracción) ocurre cuando las ondas de luz encuentran un obstáculo que hace que se doblen alrededor de ese obstáculo, provocando interferencias invariablemente.
Si imagina el obstáculo como una pared con una pequeña abertura redonda, las ondas de luz que pasan a través de la abertura estarán sujetas, al menos, a cierto grado de difracción. La extensión de la difracción depende del tamaño de la abertura. Una abertura más grande (que permite el paso de la mayoría de las ondas de luz) causa menos difracción. Una abertura más pequeña (que obstruye la mayoría de las ondas de luz) causa más difracción. Algo similar ocurre dentro de la lente de una cámara. Las dos imágenes a continuación deberían ayudar a visualizar el fenómeno de difracción.

Como puede ver arriba, las ondas de luz difractadas se propagan hacia afuera en un patrón circular. Dentro de la lente de una cámara, cuando la luz pasa a través de la abertura, se crea un patrón circular similar en el sensor de imagen, con una mancha brillante en el centro, flanqueada por anillos concéntricos. El punto brillante en el centro se llama disco Airy, y el patrón se llama patrón Airy. Se nombran en honor a Sir George Biddell Airy, quien originalmente observó el fenómeno en 1835. En general, las aperturas más estrechas conducen a una mayor difracción, lo que resulta en discos Airy más grandes.

El tamaño de los discos Airy y la distancia entre discos Airy adyacentes juegan un papel importante en la determinación del detalle general y la nitidez de la imagen final. Durante el funcionamiento, la luz que pasa a través de la lente de una cámara crea múltiples discos Airy en el sensor de imagen.

Sistemas ópticos "con difracción limitada"
Un sensor de imagen es esencialmente una cuadrícula de píxeles. Cuando se toma una fotografía, el sensor se ilumina con luz y los píxeles convierten los datos de luz en una imagen digital. En los sensores más pequeños de alta resolución con píxeles densamente empaquetados, los diámetros de los discos Airy pueden ser mayores que los de un solo píxel, lo que hace que se extiendan a través de múltiples píxeles, lo que resulta en una notable pérdida de nitidez o detalle.

En aperturas más estrechas, este problema se agrava cuando múltiples discos Airy comienzan a superponerse entre sí. Esto es lo que significa cuando algo está "limitado por difracción": la calidad de imagen producida por un sistema con estos problemas se ve seriamente obstaculizada por la difracción. Si bien puede combatir esto de varias maneras diferentes, hay muchas variables complejas en juego, que introducen muchas soluciones interesantes.
Lo ideal es que el tamaño de un disco Airy sea lo suficientemente pequeño como para que no se superponga de un píxel a muchos otros. En los buques insignia más recientes, los tamaños de píxel no son mucho más pequeños que el diámetro de los discos Airy presentes en esos sistemas. Pero debido a que usan tamaños de sensor tan pequeños, han tenido que limitar la resolución para evitar la superposición de discos de Airy. Si no lo hicieran, aumentar la resolución sin aumentar también el tamaño del sensor inflaría el tamaño del píxel / los diferenciales del diámetro del disco Airy, lo que dañaría gravemente la calidad de la imagen. Para empeorar las cosas, los píxeles más pequeños también capturan menos luz; sacrificando así el rendimiento con poca luz.

Si bien puede parecer contra-intuitivo: un sensor de baja resolución a veces puede significar imágenes de mejor calidad simplemente porque la solución a estos problemas es píxeles más grandes.

¿Pero qué hay de muestreo?
Sin embargo, los píxeles más grandes no son excelentes para resolver detalles finos. Para reproducir fielmente toda la información contenida en una señal fuente, debe muestrearse a 2 veces la velocidad de la frecuencia más alta contenida en la señal fuente, lo que se llama el Teorema de Nyquist. En términos más simples, las fotos grabadas al doble de la resolución para un tamaño dado se verán más nítidas.

Pero ese es solo el caso si hablamos de una señal perfecta, y la difracción impide que eso suceda en las cámaras de teléfonos inteligentes de alta resolución. Entonces, aunque el sensor de Nokia pudo ocultar algunas de sus deficiencias con alta resolución y muestreo, las imágenes que grabó no estaban tan definidas como deberían.

Por lo tanto, dentro de un teléfono inteligente, y dadas las restricciones de espacio, la pérdida de calidad de imagen debido a la difracción sí se convierte en un problema, especialmente en sensores más pequeños con resoluciones más altas.

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