Ciencia de la fotografía

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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 electrónicos internos de la cámara y el proceso de revelado de la película para tomar y revelar fotografías correctamente. ^[1]

La tecnología fundamental de la mayoría de las fotografías, ya sean digitales o analógicas, es el efecto de cámara oscura y su capacidad de transformar una escena tridimensional en una imagen bidimensional. En su forma más básica, una cámara oscura consiste en una caja oscura, con un orificio muy pequeño en un lado, que proyecta una imagen del mundo exterior en el lado opuesto. Esta forma se conoce a menudo como cámara estenopeica .

Con la ayuda de una lente, el orificio en la cámara no tiene que ser pequeño para crear una imagen nítida y definida, y el tiempo de exposición se puede reducir, lo que permite que las cámaras se puedan sostener en la mano.

Una lente fotográfica suele estar compuesta por varios elementos de lente , que se combinan para reducir los efectos de la aberración cromática , la coma , la aberración esférica y otras aberraciones . Un ejemplo sencillo es el triplete de Cooke de tres elementos , que todavía se utiliza más de un siglo después de su diseño original, 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 utilizando un elemento asférico , pero estos son más complejos de pulir que las lentes esféricas o cilíndricas. Sin embargo, con las técnicas de fabricación modernas, el costo adicional de fabricación de lentes asféricas está disminuyendo, y ahora se pueden hacer lentes asféricas pequeñas mediante moldeo, lo que permite su uso en cámaras de consumo económicas. Las lentes Fresnel no son comunes en fotografía, se utilizan en algunos casos debido a su muy bajo peso. ^[3] La lente monocéntrica acoplada a fibra desarrollada recientemente consta de esferas construidas de carcasas hemisféricas concéntricas de diferentes vidrios unidas al plano focal por haces de fibras ópticas. ^[4] Las lentes monocéntricas tampoco se utilizan en cámaras porque la tecnología recién debutó en octubre de 2013 en la Conferencia Frontiers in Optics en Orlando, Florida.

El diseño de cualquier lente es un compromiso entre numerosos factores, sin excluir el costo. Los lentes con zoom (es decir, lentes de distancia focal variable) implican compromisos adicionales y, por lo tanto, normalmente no igualan el rendimiento de los lentes fijos .

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 la distancia, en relación con el objeto distante, también están aproximadamente enfocados. El rango de distancias que están casi enfocadas se denomina profundidad de campo . La profundidad de campo generalmente aumenta al disminuir el diámetro de apertura (aumentando el número f). El desenfoque fuera de la profundidad de campo a veces se usa para lograr un efecto artístico en fotografía. La apariencia subjetiva de este desenfoque se conoce como bokeh .

Si el objetivo de la cámara se enfoca a la distancia hiperfocal o más allá de ella , la profundidad de campo se vuelve grande y abarca todo, desde la mitad de la distancia hiperfocal hasta el infinito . Este efecto se utiliza para crear cámaras de " foco libre " o de foco fijo.

Las aberraciones son las propiedades de distorsión y desenfoque de un sistema óptico . Una lente de alta calidad producirá una menor cantidad de aberraciones.

La aberración esférica se produce debido a la mayor refracción de los rayos de luz que se produce cuando los rayos inciden en una lente, o a una reflexión 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 longitud focal de una lente esférica y de la distancia desde su centro. Se compensa diseñando un sistema de lentes múltiples o utilizando una lente asférica .

La aberración cromática se produce cuando una lente tiene un índice de refracción diferente para distintas longitudes de onda de la luz y las propiedades ópticas dependen del color . La luz azul generalmente se desvía más que la luz roja. Existen aberraciones cromáticas de orden superior, como la dependencia del aumento del color. La aberración cromática se compensa utilizando una lente hecha de materiales cuidadosamente diseñados para cancelar las aberraciones cromáticas.

La superficie focal curvada es la dependencia del foco de primer orden con respecto a la posición en la película o en el CCD. Esto se puede compensar con un diseño óptico de lentes múltiples, pero también se ha utilizado la curvatura de la película.

El enfoque es la tendencia de los rayos de luz a alcanzar el mismo lugar en el sensor de imagen o la película, independientemente de por dónde pasen a través del lente. Para obtener imágenes nítidas, el enfoque se ajusta en función de la distancia, ya que a diferentes distancias del objeto los rayos alcanzan diferentes partes del lente con diferentes ángulos. En la fotografía moderna, el enfoque se suele lograr de forma automática.

El sistema de enfoque automático de las cámaras 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.

Como la luz se propaga en forma de ondas, los patrones que produce en la película están sujetos al fenómeno de las ondas 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 principal efecto que limita la nitidez de las imágenes ópticas de lentes que se cierran en aberturas pequeñas (números f altos), mientras que las aberraciones son el efecto limitante en aberturas grandes (números f bajos). Como la difracción no se puede eliminar, la mejor lente posible para una condición de funcionamiento dada (ajuste de apertura) es aquella que produce una imagen cuya calidad está limitada solo por la difracción. Se dice que una lente de este tipo 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 es cerca de 0,0005 mm), lo que hace que el detalle general de una fotografía sea proporcional al tamaño de la película o del CCD dividido por el número f. Para una cámara de 35 mm conf /11, este límite corresponde a unos 6.000 elementos de resolución en todo el ancho de la película (36 mm / (11 * 0,0005 mm) = 6.500.

El tamaño finito del punto 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 el 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.

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El proceso de gelatina de plata es el proceso químico más utilizado en la fotografía en blanco y negro y es el proceso químico fundamental para la fotografía analógica en color moderna. Por ello, las películas y los papeles de impresión disponibles para la fotografía analógica rara vez dependen de otro proceso químico para registrar una imagen.

Daguerrotipo ( / d ə ˈ ɡ ɛər ( ​​i . ) ə ˌ t aɪ p , -( i . ) oʊ -/ ^ⓘ ;^[5][6] (en francés:daguerrotipo) fue el primerfotográfico; fue ampliamente utilizado durante las décadas de 1840 y 1850. "Daguerrotipo" también se refiere a una imagen creada a través de este proceso.

El colodión es un proceso fotográfico primitivo. El colodión, que suele denominarse "proceso de placa húmeda de colodión", requiere que el material fotográfico se cubra, se sensibilice, exponga y revele en un lapso de aproximadamente quince minutos, lo que requiere un cuarto oscuro portátil para su uso en el campo. El colodión se utiliza normalmente en su forma húmeda, pero también se puede utilizar en forma seca, a costa de un tiempo de exposición mucho mayor. Esto último hizo que la forma seca no fuera adecuada para el trabajo habitual de retratos de la mayoría de los fotógrafos profesionales del siglo XIX. Por lo tanto, el uso de la forma seca se limitó principalmente a la fotografía de paisajes y otras aplicaciones especiales en las que se toleraban tiempos de exposición de minutos.

La cianotipia es un proceso de impresión fotográfica que produce una impresión de color cian azulado. Los ingenieros utilizaron este proceso hasta bien entrado el siglo XX como un proceso simple y de bajo costo para producir copias de dibujos, conocidos como planos. El proceso utiliza dos sustancias químicas: citrato de amonio férrico y ferrocianuro de potasio.

Las impresiones en platino, también llamadas platinotipos, son impresiones fotográficas realizadas mediante un proceso de impresión monocromático que involucra platino.

La impresión con goma bicromatada 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 con goma bicromatada 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 con goma bicromatada, por lo que también es posible obtener fotografías en color natural utilizando esta técnica en capas.

Una impresión cromogénica , también conocida como impresión C o impresión tipo C , ^[7] una impresión de haluro de plata , ^[8] o una impresión de acoplador de tinte , ^[9] es una impresión fotográfica hecha a partir de un negativo de color , transparencia o imagen digital , y revelada mediante un proceso cromogénico . ^[10] Están compuestas por tres capas de gelatina, cada una de las cuales contiene una emulsión de haluro de plata , que se utiliza como material sensible a la luz, y un acoplador de tinte diferente de color sustractivo que juntos, cuando se revelan, forman una imagen a todo color. ^{[9] [10] [11]}

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Un sensor de imagen o generador de imágenes es un sensor que detecta y transmite información que se utiliza para crear una imagen. Lo hace convirtiendo la atenuación variable de las ondas de luz (cuando pasan a través de los objetos o se reflejan en ellos) en señales, pequeñas ráfagas de corriente que transmiten la información. Las ondas pueden ser luz u otra radiación electromagnética. Los sensores de imagen se utilizan en dispositivos de imágenes electrónicas de tipo analógico y digital, que incluyen cámaras digitales, módulos de cámara, teléfonos con cámara, dispositivos de ratón óptico,[1][2][3] equipos de imágenes médicas, equipos de visión nocturna como dispositivos de imágenes térmicas, radares, sonares y otros. A medida que la tecnología cambia, las imágenes electrónicas y digitales tienden a reemplazar las imágenes químicas y analógicas.

Exposición ∝ Área de apertura × Tiempo de exposición × Luminancia de la escena

La ley de reciprocidad describe cómo se compensan la intensidad y la duración de la luz para lograr 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 se miden a menudo en unidades conocidas como "pasos"; un paso es igual a un factor de dos.

Reducir a la mitad la cantidad de luz que expone la película se puede lograr de las siguientes maneras:

1. Cerrar la apertura en un paso
2. Disminuir el tiempo de obturación (aumentar la velocidad de obturación) en un punto
3. Reducir la iluminación de la escena a la mitad

Del mismo modo, duplicar la cantidad de luz que expone la película se puede lograr mediante la operación opuesta de una de estas.

La luminancia de la escena, medida con un fotómetro , también afecta proporcionalmente a la exposición. La cantidad de luz necesaria para una exposición adecuada depende de la velocidad de la película , que puede variar en pasos o fracciones de pasos. Con cualquiera de estos cambios, la apertura o la velocidad de obturación se pueden ajustar en un número igual de pasos 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 de obturación . El uso de película más rápida o más lenta no suele ser algo que se pueda hacer rápidamente, al menos si se usa película en rollo. Las cámaras de gran formato utilizan hojas de película individuales y cada hoja puede tener una velocidad diferente. Además, si estás usando una cámara de formato más grande con un respaldo Polaroid, puedes cambiar entre respaldos que contengan polaroids 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 se podría hacer más superficial abriendo la apertura a4​, un aumento de la exposición de 4 pasos. Para compensar, también habría que aumentar la velocidad de obturación en 4 pasos, es decir, ajustar el tiempo de exposición a 1/1000. Al cerrar la apertura se 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 prolongadas con luz muy tenue, como fotografiar un cielo estrellado, o exposiciones muy breves con luz muy brillante, como fotografiar el sol. Esto se conoce como falla de reciprocidad del material (película, papel o sensor).

El desenfoque de movimiento se produce cuando la cámara o el sujeto se mueven durante la exposición. Esto provoca una apariencia distintiva de rayas en el objeto en movimiento o en toda la imagen (en el caso de movimiento de la cámara).

El efecto de desenfoque de movimiento se puede utilizar artísticamente para crear la sensación de velocidad o movimiento, como ocurre con el agua que corre. Un ejemplo de esto es la técnica de " panning ", en la que la cámara se mueve de manera que siga al sujeto, que generalmente se mueve rápidamente, como un automóvil. Si se hace correctamente, esto dará una imagen de un sujeto nítido, pero el fondo tendrá un efecto de desenfoque de movimiento, lo que dará 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 se aleja de la cámara puede causar más dificultades de enfoque.

Las estelas de luz son otro efecto fotográfico en el que se utiliza el desenfoque de movimiento. Las fotografías de las líneas de luz visibles en fotografías de carreteras de noche con exposición prolongada son un ejemplo de este efecto. ^[12] Esto es causado por los automóviles que se mueven por la carretera durante la exposición. El mismo principio se utiliza para crear fotografías de estelas de estrellas.

En general, el desenfoque de movimiento es algo que se debe evitar y esto se puede hacer de varias maneras diferentes. La forma más sencilla es limitar el tiempo de obturación 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 general que se cita comúnmente es que la velocidad de obturación en segundos debe ser aproximadamente el recíproco de la distancia focal equivalente de 35 mm del objetivo en milímetros. Por ejemplo, un objetivo de 50 mm debe usarse a una velocidad mínima de 1/50 s y un objetivo de 300 mm a 1/300 de segundo. Esto puede causar dificultades cuando se usa en situaciones 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 evitar utilizando una velocidad de obturación más rápida. La velocidad de obturación exacta 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 por movimiento debido al movimiento de la cámara. Esto estabilizará la cámara durante la exposición. Se recomienda un trípode para tiempos de exposición superiores a 1/15 de segundo. Existen técnicas adicionales que, junto con el uso de un trípode, garantizan que la cámara permanezca muy quieta. Estas pueden emplear el uso de un actuador remoto, como un disparador de cable o un interruptor remoto infrarrojo para activar el obturador, de modo de evitar el movimiento que normalmente se produce cuando se presiona directamente el botón disparador. El uso de un "temporizador automático" (un mecanismo de liberación temporizada que dispara automáticamente el disparador después de un intervalo de tiempo) puede cumplir 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 levantamiento del espejo.

La película en blanco y negro tiene un lado "brillante" y un lado "mate". El lado mate es la emulsión , una gelatina que suspende una serie de cristales de haluro de plata . Estos cristales contienen granos de plata que determinan la sensibilidad de la película a la exposición a la luz y el aspecto fino o granulado del negativo de 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.

La luz se presenta 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 la forma en que recoge la luz en su placa fotográfica o detector electrónico.

Los fotodiodos son diodos semiconductores con polarización inversa, en los que una capa intrínseca con muy pocos portadores de carga impide el flujo de corrientes eléctricas. Dependiendo del material, los fotones tienen suficiente energía para elevar un electrón desde la banda completa superior hasta la banda vacía inferior. El electrón y el "hueco", o el espacio vacío donde estaba, quedan entonces 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.

Los tubos fotomultiplicadores son fototubos de vacío que amplifican la luz acelerando los fotoelectrones para liberar más electrones de una serie de electrodos. Se encuentran entre los detectores de luz más sensibles, pero no son muy adecuados para la fotografía.

El aliasing puede ocurrir en el procesamiento óptico y químico, pero es más común y fácil de entender en el procesamiento digital. Ocurre cuando una imagen óptica o digital se muestrea o se vuelve a muestrear a una velocidad demasiado baja para su resolución. Algunas cámaras digitales y escáneres tienen filtros anti-aliasing para reducir el aliasing desenfocando intencionalmente la imagen para que coincida con la velocidad de muestreo. Es común que los equipos de revelado de películas que se utilizan para hacer impresiones de diferentes tamaños aumenten la granulosidad de las impresiones de tamaño más pequeño mediante el aliasing.

Generalmente es deseable suprimir tanto los ruidos, como el grano, como los detalles del objeto real que son demasiado pequeños para ser representados a la frecuencia de muestreo.

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