Ciencia de la fotografía - Science of photography
La ciencia de la fotografía es el uso de la química y la física en todos los aspectos de la fotografía . Esto se aplica a la cámara, sus lentes, el funcionamiento físico de la cámara, los componentes internos de la cámara electrónica y el proceso de revelado de la película para tomar y revelar fotografías correctamente.
Óptica
Cámara oscura
La tecnología fundamental de la mayoría de la fotografía, ya sea digital o analógica, es el efecto de cámara oscura y su capacidad para transformar una escena tridimensional en una imagen bidimensional. En su forma más básica, una cámara oscura consiste en una caja oscura, con un agujero muy pequeño en un lado, que proyecta una imagen del mundo exterior en el lado opuesto. Esta forma a menudo se conoce como cámara estenopeica .
Con la ayuda de una lente, el orificio de la cámara no tiene que ser pequeño para crear una imagen nítida y distinta, y el tiempo de exposición se puede reducir, lo que permite que las cámaras sean portátiles.
Lentes
Una lente fotográfica generalmente se compone de varios elementos de lente , que se combinan para reducir los efectos de aberración cromática , coma , aberración esférica y otras aberraciones . Un ejemplo simple es el triplete Cooke de tres elementos , todavía en uso más de un siglo después de su diseño inicial, pero muchas lentes fotográficas actuales son mucho más complejas.
El uso de una apertura más pequeña puede reducir la mayoría de las aberraciones, pero no todas. También se pueden reducir drásticamente mediante el uso de un elemento asférico , pero son más complejas de moler que las lentes esféricas o cilíndricas. Sin embargo, con las técnicas de fabricación modernas, el costo adicional de fabricar lentes asféricas está disminuyendo, y ahora se pueden fabricar lentes asféricas pequeñas mediante moldeo, lo que permite su uso en cámaras de consumo económicas. Las lentes Fresnel no son habituales en fotografía y se utilizan en algunos casos debido a su muy bajo peso. La lente monocéntrica acoplada por fibra de reciente desarrollo consta de esferas construidas con carcasas hemisféricas concéntricas de diferentes vidrios unidas al plano focal mediante haces de fibras ópticas. Las lentes monocéntricas tampoco se utilizan en las cámaras porque la tecnología recién debutó en octubre de 2013 en la Conferencia Frontiers in Optics en Orlando, Florida.
Todo el diseño de lentes es un compromiso entre numerosos factores, sin excluir el costo. Las lentes con zoom (es decir, lentes de distancia focal variable) implican compromisos adicionales y, por lo tanto, normalmente no se ajustan al rendimiento de las lentes fijas .
Cuando se enfoca la lente de una cámara para proyectar un objeto a cierta distancia sobre la película o el detector, los objetos que están más cerca en distancia, en relación con el objeto distante, también están aproximadamente enfocados. El rango de distancias que están casi enfocadas se llama profundidad de campo . La profundidad de campo generalmente aumenta al disminuir el diámetro de apertura (aumentar el número f). El desenfoque desenfocado fuera de la profundidad de campo se utiliza a veces para efectos artísticos en la fotografía. La apariencia subjetiva de este desenfoque se conoce como bokeh .
Si la lente de la cámara se enfoca en o más allá de su distancia hiperfocal , entonces la profundidad de campo se vuelve grande, cubriendo todo, desde la mitad de la distancia hiperfocal hasta el infinito . Este efecto se utiliza para hacer cámaras de " enfoque libre " o de enfoque fijo.
Aberración
Las aberraciones son las propiedades de desenfoque y distorsión de un sistema óptico . Una lente de alta calidad producirá una menor cantidad de aberraciones.
La aberración esférica se produce debido al aumento de la refracción de los rayos de luz que se produce cuando los rayos inciden en una lente, o al reflejo de los rayos de luz que se produce cuando los rayos inciden en un espejo cerca de su borde en comparación con los que inciden más cerca del centro. Esto depende de la distancia focal de una lente esférica y la distancia desde su centro. Se compensa diseñando un sistema de lentes múltiples o usando una lente asférica .
La aberración cromática es causada por una lente que tiene un índice de refracción diferente para diferentes longitudes de onda de luz y la dependencia de las propiedades ópticas del color . La luz azul generalmente se doblará más que la luz roja. Hay aberraciones cromáticas de orden superior, como la dependencia del aumento del color. La aberración cromática se compensa mediante el uso de una lente fabricada con materiales cuidadosamente diseñados para cancelar las aberraciones cromáticas.
La superficie focal curva es la dependencia del enfoque de primer orden de la posición en la película o CCD. Esto se puede compensar con un diseño óptico de lentes múltiples, pero también se ha utilizado la curvatura de la película.
Atención
El enfoque es la tendencia de los rayos de luz a llegar al mismo lugar en el sensor de imagen o la película, independientemente de dónde pasen a través de la lente. Para obtener imágenes claras, el enfoque se ajusta a la distancia, porque a una distancia de objeto diferente, los rayos alcanzan diferentes partes de la lente con diferentes ángulos. En la fotografía moderna, el enfoque a menudo se logra automáticamente.
El sistema de enfoque automático de las SLR modernas utiliza un sensor en la caja del espejo para medir el contraste. La señal del sensor es analizada por un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC), y el ASIC intenta maximizar el patrón de contraste moviendo los elementos de la lente. Los ASIC de las cámaras modernas también tienen algoritmos especiales para predecir el movimiento y otras funciones avanzadas.
Límite de difracción
Dado que la luz se propaga como ondas, los patrones que produce en la película están sujetos al fenómeno ondulatorio conocido como difracción , que limita la resolución de la imagen a características del orden de varias veces la longitud de onda de la luz. La difracción es el efecto principal que limita la nitidez de las imágenes ópticas de los lentes que están detenidos a aperturas pequeñas (números f altos), mientras que las aberraciones son el efecto limitante en aperturas grandes (números f bajos). Dado que la difracción no se puede eliminar, la mejor lente posible para una determinada condición de funcionamiento (ajuste de apertura) es aquella que produce una imagen cuya calidad está limitada únicamente por la difracción. Se dice que tal lente está limitada por difracción .
El tamaño del punto óptico limitado por difracción en el CCD o la película es proporcional al número f (aproximadamente igual al número f multiplicado por la longitud de onda de la luz, que está cerca de 0,0005 mm), lo que hace que el detalle general de una fotografía sea proporcional a la tamaño de la película, o CCD dividido por el número f. Para una cámara de 35 mm con f / 11, este límite corresponde a unos 6.000 elementos de resolución en el ancho de la película (36 mm / (11 * 0.0005 mm) = 6.500.
El tamaño del punto finito causado por la difracción también se puede expresar como un criterio para distinguir objetos distantes: dos fuentes puntuales distantes solo pueden producir imágenes separadas en la película o sensor si su separación angular excede la longitud de onda de la luz dividida por el ancho de la apertura abierta. de la lente de la cámara.
Procesos quimicos
Gelatina de plata
Daguerrotipos
Proceso de colodión y ambrotipo
Cianotipos
Procesos de platino y paladio
Bicromato de goma
El bicromato de goma es un proceso de impresión fotográfica del siglo XIX basado en la sensibilidad a la luz de los dicromatos. Es capaz de reproducir imágenes pictóricas a partir de negativos fotográficos. La impresión de goma es tradicionalmente un proceso de impresión de varias capas, pero se pueden obtener resultados satisfactorios con una sola pasada. Se puede utilizar cualquier color para la impresión de goma, por lo que también es posible realizar fotografías en color natural utilizando esta técnica en capas.
Impresiones en C y película de color
Sensores digitales
Aplicaciones prácticas
Ley de reciprocidad
- Exposición ∝ Área de apertura × Tiempo de exposición × Luminancia de escena
La ley de reciprocidad describe cómo la intensidad de la luz y la duración se intercambian para hacer una exposición; define la relación entre la velocidad de obturación y la apertura , para una exposición total determinada . Los cambios en cualquiera de estos elementos a menudo se miden en unidades conocidas como "paradas"; una parada es igual a un factor de dos.
Se puede reducir a la mitad la cantidad de luz que expone la película mediante:
- Cerrar la apertura en una parada
- Disminuir el tiempo del obturador (aumentar la velocidad del obturador) en una parada
- Cortar la iluminación de la escena a la mitad
Del mismo modo, se puede duplicar la cantidad de luz que expone la película mediante el opuesto de una de estas operaciones.
La luminancia de la escena, medida en un medidor de luz reflejada , también afecta proporcionalmente a la exposición. La cantidad de luz necesaria para una exposición adecuada depende de la velocidad de la película ; que se puede variar en paradas o fracciones de paradas. Con cualquiera de estos cambios, la apertura o la velocidad del obturador se pueden ajustar en un número igual de paradas para obtener una exposición adecuada.
La luz se controla más fácilmente mediante el uso de la apertura de la cámara (medida en f-stops ), pero también se puede regular ajustando la velocidad del obturador . El uso de una película más rápida o más lenta no suele ser algo que se pueda hacer rápidamente, al menos con una película en rollo. Las cámaras de gran formato utilizan hojas de película individuales y cada hoja puede tener una velocidad diferente. Además, si está utilizando una cámara de formato más grande con un respaldo polaroid, puede cambiar entre respaldos que contengan polaroides de diferentes velocidades. Las cámaras digitales pueden ajustar fácilmente la velocidad de la película que están simulando ajustando el índice de exposición , y muchas cámaras digitales pueden hacerlo automáticamente en respuesta a las mediciones de exposición.
Por ejemplo, comenzando con una exposición de 1/60 af / 16, la profundidad de campo podría reducirse abriendo la apertura af / 4, un aumento de la exposición de 4 pasos. Para compensar, la velocidad de obturación también debería aumentarse en 4 paradas, es decir, ajustar el tiempo de exposición a 1/1000. Cerrar la apertura limita la resolución debido al límite de difracción .
La ley de reciprocidad especifica la exposición total, pero la respuesta de un material fotográfico a una exposición total constante puede no permanecer constante para exposiciones muy largas con luz muy tenue, como fotografiar un cielo estrellado, o exposiciones muy cortas con luz muy brillante, como como fotografiar el sol. Esto se conoce como falla de reciprocidad del material (película, papel o sensor).
Desenfoque de movimiento
El desenfoque de movimiento se produce cuando la cámara o el sujeto se mueven durante la exposición. Esto provoca una apariencia rayada distintiva en el objeto en movimiento o en toda la imagen (en el caso de movimiento de la cámara).
El desenfoque de movimiento se puede utilizar artísticamente para crear la sensación de velocidad o movimiento, como con el agua corriente. Un ejemplo de esto es la técnica de " paneo ", donde la cámara se mueve para que siga al sujeto, que generalmente se mueve rápido, como un automóvil. Si se hace correctamente, esto dará una imagen de un sujeto claro, pero el fondo tendrá un desenfoque de movimiento, dando la sensación de movimiento. Esta es una de las técnicas fotográficas más difíciles de dominar, ya que el movimiento debe ser suave y a la velocidad correcta. Un sujeto que se acerca o aleja de la cámara puede causar más dificultades de enfoque.
Los rastros de luz son otro efecto fotográfico donde se usa el desenfoque de movimiento. Las fotografías de las líneas de luz visibles en fotografías de larga exposición de carreteras por la noche son un ejemplo del efecto. Esto es causado por los automóviles que se mueven por la carretera durante la exposición. El mismo principio se utiliza para crear fotografías de rastros de estrellas.
Generalmente, el desenfoque de movimiento es algo que debe evitarse y esto se puede hacer de varias formas diferentes. La forma más sencilla es limitar el tiempo del obturador para que haya muy poco movimiento de la imagen durante el tiempo que el obturador está abierto. A distancias focales más largas , el mismo movimiento del cuerpo de la cámara provocará más movimiento de la imagen, por lo que se necesita un tiempo de obturación más corto. Una regla empírica comúnmente citada es que la velocidad del obturador en segundos debe ser aproximadamente el recíproco de la distancia focal equivalente a 35 mm del objetivo en milímetros. Por ejemplo, se debe utilizar una lente de 50 mm a una velocidad mínima de 1/50 seg, y una lente de 300 mm a 1/300 de segundo. Esto puede causar dificultades cuando se usa en escenarios de poca luz, ya que la exposición también disminuye con el tiempo de obturación.
El desenfoque de movimiento debido al movimiento del sujeto generalmente se puede prevenir usando una velocidad de obturación más rápida. La velocidad exacta del obturador dependerá de la velocidad a la que se mueva el sujeto. Por ejemplo, se necesitará una velocidad de obturación muy rápida para "congelar" los rotores de un helicóptero, mientras que una velocidad de obturación más lenta será suficiente para congelar a un corredor.
Se puede utilizar un trípode para evitar el desenfoque de movimiento debido al movimiento de la cámara. Esto estabilizará la cámara durante la exposición. Se recomienda un trípode para tiempos de exposición superiores a aproximadamente 1/15 segundos. Existen técnicas adicionales que, junto con el uso de un trípode, aseguran que la cámara permanezca muy quieta. Estos pueden emplear el uso de un actuador remoto, como un disparador de cable o un interruptor remoto de infrarrojos para activar el obturador, a fin de evitar el movimiento que normalmente se produce cuando se presiona directamente el botón disparador del obturador. El uso de un "temporizador automático" (un mecanismo de liberación temporizada que dispara automáticamente el disparador después de un intervalo de tiempo) puede servir para el mismo propósito. La mayoría de las cámaras réflex de un solo objetivo (SLR) modernas tienen una función de bloqueo del espejo que elimina la pequeña cantidad de movimiento producido por el movimiento del espejo hacia arriba.
Resolución de grano de película
La película en blanco y negro tiene un lado "brillante" y un lado "opaco". El lado opaco es la emulsión , una gelatina que suspende una serie de cristales de haluro de plata . Estos cristales contienen granos de plata que determinan qué tan sensible es la película a la exposición a la luz y qué tan fina o granulada se verá la impresión. Los granos más grandes significan una exposición más rápida pero una apariencia más granulada; los granos más pequeños tienen un aspecto más fino pero requieren más exposición para activarse. La granulosidad de la película está representada por su factor ISO ; generalmente un múltiplo de 10 o 100. Los números más bajos producen un grano más fino pero una película más lenta, y viceversa.
Contribución al ruido (grano)
Eficiencia cuántica
La luz viene en partículas y la energía de una partícula de luz (el fotón ) es la frecuencia de la luz multiplicada por la constante de Planck . Una propiedad fundamental de cualquier método fotográfico es cómo recoge la luz en su placa fotográfica o detector electrónico.
CCD y otros fotodiodos
Los fotodiodos son diodos semiconductores con polarización inversa, en los que una capa intrínseca con muy pocos portadores de carga evita que fluyan las corrientes eléctricas. Dependiendo del material, los fotones tienen suficiente energía para elevar un electrón desde la banda completa superior a la banda vacía más baja. El electrón y el "agujero", o el espacio vacío donde estaba, quedan libres para moverse en el campo eléctrico y transportar corriente, que se puede medir. La fracción de fotones incidentes que producen pares de portadores depende en gran medida del material semiconductor.
Tubos fotomultiplicadores
Los tubos fotomultiplicadores son fototubos de vacío que amplifican la luz al acelerar los fotoelectrones para liberar más electrones de una serie de electrodos. Se encuentran entre los detectores de luz más sensibles, pero no son adecuados para la fotografía.
Aliasing
El aliasing puede ocurrir en el procesamiento óptico y químico, pero es más común y fácil de entender en el procesamiento digital. Ocurre siempre que se muestrea o se vuelve a muestrear una imagen óptica o digital a una velocidad demasiado baja para su resolución. Algunas cámaras digitales y escáneres tienen filtros de suavizado para reducir el alias al difuminar intencionalmente la imagen para que coincida con la frecuencia de muestreo. Es común que los equipos de revelado de películas que se utilizan para realizar impresiones de diferentes tamaños aumenten la granulosidad de las impresiones de menor tamaño mediante el aliasing.
Por lo general, es deseable suprimir tanto los ruidos como el grano como los detalles del objeto real que son demasiado pequeños para ser representados con la frecuencia de muestreo.
Ver también
- Astrofotografía
- Fotografía submarina
- Fotografía infrarroja
- Fotografía ultravioleta
- Bromuro de plata
- Procesamiento fotográfico
- Edición de imagen
- Resaltar espacio para la cabeza
Referencias
- ^ "Ciencia de la fotografía" . Photography.com . Archivado desde el original el 13 de febrero de 2008 . Consultado el 21 de mayo de 2007 .
- ^ Kirkpatrick, Larry D .; Francis, Gregory E. (2007). "Luz". Física: una visión del mundo (6 ed.). Belmont, California: Thomson Brooks / Cole. pag. 339. ISBN 978-0-495-01088-3.
- ^ https://www.nikonusa.com/en/learn-and-explore/a/ideas-and-inspiration/phase-fresnel-from-wildlife-photography-to-portraiture.html
- ^ http://pietrzyk.us/ieee-spectrum-shows-off-new-lens-technology-2/
- ^ "TrekLens - Horizonte de JoBurg y foto de senderos de luz" . treklens.com . Consultado el 4 de abril de 2010 .