(artigo originalmente desenvolvido para sensores do tipo CCD; sensores do tipo CMOS tem estrutura e modo de fucionamento diferente, mas o que é discutido aqui (fundamentação para uso de 1 ou 3 sensores) aplica-se também a eles, quando se considera câmeras tradicionais de vídeo do setor consumidor e do setor semi-profissional. Porém existe uma característica apresentada pelo sensor CMOS que faz com que determinados tipos de câmeras com somente 1 sensor (CMOS) produzam imagens bastante superiores às das câmeras tradicionais empregadas em videoprodução: com ele é possível e viável fabricar sensores em tamanho bem maior do que com os tradicionais CCDs. Sensores assim são utilizados em câmeras DSLR e em câmeras de cinema digital. Por este motivo, podemos encontrar o uso de 1 sensor em câmeras mais simples, de 3 sensores em câmeras de segmentos superiores, como videoprodução (mas também presente em alguns modelos do segmento consumidor) e novamente somente 1 sensor em câmeras que visam alta qualidade de imagem, como DSLRs e as de cinema digital.)

Você provavelmente já se perguntou porque existem câmeras de vídeo com um CCD e câmeras de vídeo que utilizam três CCDs e também qual a diferença entre elas. Até a década de 70 as câmeras empregavam um grande e pesado tubo para transformar as imagens projetadas pelas lentes em seu interior em um sinal elétrico, o sinal de vídeo. Nessa década, dois pesquisadores, Boyle e Smith, criaram um chip que viria revolucionar os sistemas de geração de imagens, permitindo que esses equipamentos se tornassem menores e mais leves.

A captura de imagens, tanto em películas fotográficas e cinematográficas, quanto em sistemas de vídeo, baseia-se no princípio de fragmentar o que é mostrado pelas lentes em milhares de minúsculos pedaços, os pixels (em vídeo) e cristais de prata (nas películas). No caso do vídeo, estes pedaços tem formato retangular - quase quadrados - e às vezes quadrados mesmos, dependendo do padrão do sinal utilizado, como NTSC ou PAL por exemplo. São assim semelhantes às pastilhas de um mosaico regular, ou seja, um mosaico formado por fileiras de pastilhas todas do mesmo tamanho, dispostas umas abaixo das outras. Ao observar uma imagem assim nossos olhos não distinguem seus minúsculos fragmentos, dando a noção de continuidade aos contornos e formas da mesma. Boyle e Smith criaram um chip seguindo essa idéia, no formato de um mosaico, onde cada 'pastilha' era individualmente sensível à luminosidade.

A comparação com uma calculadora de células fotoelétricas (conhecida como "calculadora solar") ajuda a entender o funcionamento desse chip. Na realidade, cada 'pastilha' do painel de Boyle e Smith era uma miniatura de uma dessas células. Ao receber luz - efeito descoberto por Einstein - células deste tipo geram cargas elétricas, proporcionais à intensidade da luminosidade. Assim é possível 'ler' as cargas elétricas acumuladas sobre cada 'pastilha' (pixel), linha após linha, até formar a leitura do quadro completo de imagem. Este chip recebeu então o nome de CCD - Charge Coupled Device (dispositivo de cargas acopladas), uma referência ao modo como as cargas dos pixels são descarregadas, como se fossem sendo colocadas em vagões engatados (acoplados) de um trem sem fim.

Como você deve ter notado, o CCD é um painel sensível à luminosidade, mas isso não quer dizer que seja sensível às cores. De fato, a imagem gerada por um CCD é sempre em preto e branco: CCDs não 'enxergam' cores. Mas então, você deve estar, com razão se perguntando, como é que as câmeras geram imagens coloridas? Muito bem, é a resposta à esta questão que leva à utilização de um ou então de três CCDs nas câmeras.

Diversos artifícios foram testados ao longo do tempo para conseguir o registro de imagens em cores através do CCD. O mais simples (e barato) consiste em recobrir o CCD com uma máscara de micro janelas coloridas alternadas, nas cores básicas do sistema RGB (vermelho, verde, azul). Um dos arranjos mais utilizados neste processo foi proposto por um pesquisador da Kodak chamado Bryce Bayer, e ficou conhecido como padrão Bayer, mostrado na figura abaixo:

As janelas coloridas são na verdade pequenas lentes microscópicas que captam, concentram e direcionam a luz que incide sobre elas para os pixels do CCD situado logo abaixo, como mostra o desenho em perfil de um CCD do tipo Bayer na figura seguinte:

A máscara possui as microlentes arranjadas na sequência vermelho / verde / vermelho / verde ... em uma linha, azul / verde / azul / verde na linha seguinte e assim por diante, repetindo-se esta alternância. A quantidade de janelas verdes é de 50% do total, enquanto que a de vermelhas e azuis é de 25% cada. Bayer percebeu que o olho humano é duas vezes mais sensível ao verde do que ao vermelho e azul.

O circuito eletrônico analisa a intensidade de luminosidade lida nos pixels do CCD colocado logo abaixo das microlentes e faz a combinação das janelas para determinar a cor existente no local, como exemplificado na figura a seguir:

Na figura, um trecho de 4 pixels (2x2) da imagem é totalmente amarelo (a); os pixels abaixo das janelas de filtros (colour array) receberão luz conforme (b), ou seja, como a cor amarela corresponde à soma vermelho + verde, o pixel abaixo do filtro azul ficará apagado (desativado). O circuito eletrônico da câmera concluirá então que a cor de cada pixel é amarela, gerando essa informação de cor para esses 4 pixels (c), em um processo chamado interpolação, aqui exemplificado de maneira resumida.

Embora no exemplo mencionado este processo tenha funcionado corretamente, problemas começam a ocorrer em trechos da imagem que exigiriam maior precisão na reprodução das cores, como mostra a próxima figura:

Aqui, ao invés de totalmente amarelo, o trecho da imagem em questão apresenta a fileira vertical da esquerda na cor amarela e a da direita na cor azul, como mostra (d). Os pixels abaixo das janelas receberão luz conforme (e), ou seja, o pixel inferior da direita ficará incorretamente desativado. E o circuito gerará para o mesmo a informação de cor amarela ao invés de azul (f).

O problema aqui é a imprecisão na reprodução das cores: como resultado, o processo de interpolação cria imagens onde falta nitidez na coloração - a mesma é tende sempre a ser um pouco suavizada . Outro problema comum do uso de filtros coloridos, como no padrão Bayer, é o fenônemo chamado color aliasing, que acarreta imprecisão na reprodução das cores de contornos contrastados.

Um processo mais sofisticado (e dispendicioso) utiliza 3 CCDs, cada um para o registro independente de cada uma das 3 cores básicas RGB. Também aqui várias técnicas foram tentadas e a em uso atualmente é a que emprega prismas. Um bloco de 3 prismas (chamado beam splitter) colados uns aos outros separa a imagem projetada pelas lentes em 3 novas imagens, idênticas à original exceto por um aspecto: cada uma delas possui somente uma das cores do sistema RGB. A função dos prismas não é separar as cores da luz e sim atuar de maneira mais precisa nas diversas reflexões exigidas dos raios de luz durante o processo.

O processo, resumidamente, ocorre da seguinte maneira: os raios de luz projetados pelas lentes da câmera atingem a superfície do primeiro prisma e penetram dentro do mesmo. Um 'truque' é utilizado para, neste ponto, separar os raios de luz de cor azul e não deixá-los passar adiante. Este 'truque' consiste em recobrir a face externa do primeiro prisma, a que recebe a luz depois de a mesma ter penetrado em seu interior, com uma camada de material especial que age como se fosse um espelho dicróico. Espelhos dicróicos tem esse nome devido à propriedade de separarem a luz conforme uma determinada cor escolhida: esta cor é refletida pelo espelho enquanto todas as demais seguem adiante em sua trajetória. No beam splitter, a camada dicróica colocada externamente ao primeiro prisma faz com que os raios de cor azul sejam refletidos novamente para o interior do prisma e os das demais cores prossigam saindo para fora do prisma. Estes raios azuis sofrem uma segunda reflexão internamente no prisma, refletindo-se a seguir para fora do mesmo. Ao saírem do prisma, atravessam um filtro azul para obter total pureza de cor. E após passar por este filtro, atingem o CCD destinado a tratar somente a cor azul.

A parte dos raios de luz que restou (de várias cores, exceto azul) entra agora no segundo prisma, onde o mesmo processo se repete, porém aqui sendo refletida somente a luz vermelha, que ao sair do prisma passa por um filtro e atinge o CCD específico para a o vermelho. Finalmente, a parte da luz que prossegue é tratada por um filtro e um CCD destinado à cor verde. A figura abaixo mostra o esquema de um beam splitter:

No beam splitter, os 3 CCDs são precisamente alinhados nas saídas, de modo que a imagem produzida por eles 'case' perfeitamente. Com este sistema ganha-se na precisão e na fidelidade da reprodução das cores, uma vez que o circuito eletrônico soma as 3 cores pixel a pixel e não através de blocos de pixels como no sistema de filtros coloridos. Câmeras avançadas do segmento semi-profissional e todas as do segmento profissional utilizam o esquema de 3 CCDs. As câmeras do segmento amador e semi-profissional geralmente possuem um único CCD, utilizando o padrão de filtros coloridos.

Em comparação com câmeras de 1 CCD, a luz em uma câmera de 3 CCDs percorre uma trajetória maior (entre as diversas refrações e reflexões). Este fato faz com que nestas câmeras a imagem tenha que ser formada mais distante da lente, situação mais favorável a lentes do tipo tele-objetiva. A focalização em modo super-grande angular é mais custosa e exige maior complexidade óptica do conjunto; por este motivo, suas lentes zoom costumam ser mais potentes no modo tele do que no modo grande-angular.

Devido às perdas nas diversas reflexões internas através dos prismas, câmeras com 3 CCDs necessitam em geral mais luz do que as com 1 único CCD para efetuar a gravação de imagens. É este um dos motivos da presença geralmente de equipamentos de iluminação nos trabalhos profissionais.

Sistemas de 3 CCDs são normalmente encontrados em câmeras de vídeo profissionais e não em câmeras fotográficas digitais profissionais devido a fatores como tamanho do bloco de prismas, exigência de maior distância entre lentes - local onde a imagem é formada e o custo de se ter 3 chips de alta resolução (chips de câmeras de vídeo não necessitam alta resolução, normalmente são empregados CCDs de 200.000 a 400.000 pixels cada em câmeras de 3 CCDs - o fator resolução é limitado pelo formato empregado, como Mini-DV, DVCAM, etc...).

Assim, um ou três CCDs na câmera é uma exigência ou não, dependendo do tipo e qualidade do trabalho que se pretende realizar.