En óptica , la apertura de un sistema óptico (incluido un sistema formado por una sola lente) es un orificio o una abertura que limita principalmente la luz que se propaga a través del sistema. Más específicamente, la pupila de entrada como imagen frontal de la apertura y la distancia focal de un sistema óptico determinan el ángulo del cono de un haz de rayos que llega a un foco en el plano de la imagen .
Un sistema óptico suele tener muchas aberturas o estructuras que limitan los haces de rayos (los haces de rayos también se conocen como lápices de luz). Estas estructuras pueden ser el borde de una lente o espejo , o un anillo u otro dispositivo que mantiene un elemento óptico en su lugar o puede ser un elemento especial como un diafragma colocado en el camino óptico para limitar la luz admitida por el sistema. En general, estas estructuras se denominan topes, [2] y el tope de apertura es el tope que determina principalmente el cono de rayos que acepta un sistema óptico (ver pupila de entrada ). Como resultado, también determina el ángulo del cono del rayo y el brillo en el punto de la imagen (ver pupila de salida ). El tope de apertura generalmente depende de la ubicación del punto del objeto; Los puntos de objetos en el eje en diferentes planos de objetos pueden tener diferentes topes de apertura, e incluso los puntos de objetos en diferentes ubicaciones laterales en el mismo plano de objeto pueden tener diferentes topes de apertura ( viñeteados ). [3] En la práctica, muchos sistemas de objetos están diseñados para tener un solo tope de apertura en la distancia de trabajo y el campo de visión diseñados .
En algunos contextos, especialmente en fotografía y astronomía , la apertura se refiere al diámetro de apertura del tope de apertura a través del cual puede pasar la luz. Por ejemplo, en un telescopio , el tope de apertura suelen ser los bordes de la lente o espejo del objetivo (o de la montura que lo sostiene). Entonces se habla de un telescopio con, por ejemplo, una apertura de 100 centímetros (39 pulgadas). El tope de apertura no es necesariamente el tope más pequeño del sistema. La ampliación y desmagnificación mediante lentes y otros elementos pueden hacer que un tope relativamente grande sea el tope de apertura del sistema. En astrofotografía , la apertura puede darse como una medida lineal (por ejemplo, en pulgadas o milímetros) o como la relación adimensional entre esa medida y la distancia focal . En otras fotografías, suele darse como una proporción.
Una expectativa habitual es que el término apertura se refiera a la apertura del tope de apertura, pero en realidad, el término apertura y el tope de apertura se utilizan de forma mixta. A veces, incluso los diafragmas que no son el diafragma de un sistema óptico también se denominan diafragmas. Los contextos necesitan aclarar estos términos.
La palabra apertura también se utiliza en otros contextos para indicar un sistema que bloquea la luz fuera de una determinada región. En astronomía, por ejemplo, una apertura fotométrica alrededor de una estrella suele corresponder a una ventana circular alrededor de la imagen de una estrella en la que se supone la intensidad de la luz. [4]
El tope de apertura es un elemento importante en la mayoría de los diseños ópticos. Su característica más obvia es que limita la cantidad de luz que puede alcanzar el plano imagen/película . Esto puede ser inevitable debido al límite práctico del tamaño del diafragma cuando se quiere recolectar la mayor cantidad de luz posible en los telescopios para obtener imágenes claras; por ejemplo, un diafragma más grande requiere ópticas de mayor diámetro, que son más pesadas y caras, o deliberado, para evitar la saturación de un detector o la sobreexposición de la película. En ambos casos, el tamaño del diafragma determina la cantidad de luz admitida por un sistema óptico. El tope de apertura también afecta las propiedades del sistema óptico de la siguiente manera:
Además de un tope de apertura, una lente fotográfica puede tener uno o más topes de campo , que limitan el campo de visión del sistema . Cuando el campo de visión está limitado por una parada de campo en la lente (en lugar de en la película o el sensor), se produce viñeteado ; esto sólo es un problema si el campo de visión resultante es menor del deseado.
En astronomía, el diámetro de apertura del tope de apertura (llamado apertura ) es un parámetro crítico en el diseño de un telescopio . Generalmente, uno querrá que la apertura sea lo más grande posible para recolectar la máxima cantidad de luz de los objetos distantes que se están fotografiando. Sin embargo, el tamaño de la apertura está limitado en la práctica por consideraciones de su coste y tiempo de fabricación y su peso, así como por la prevención de aberraciones (como se mencionó anteriormente).
Las aperturas también se utilizan en el control de la energía láser, la técnica de escaneo z de apertura cerrada , difracciones/patrones y limpieza del haz. [5] Las aplicaciones del láser incluyen filtros espaciales , conmutación Q y control de rayos X de alta intensidad.
En microscopía óptica, la palabra apertura se puede utilizar con referencia al condensador (que cambia el ángulo de la luz sobre el campo de la muestra), al iris del campo (que cambia el área de iluminación de las muestras) o posiblemente a la lente del objetivo (que forma imágenes primarias). . Ver microscopio óptico .
El tope de apertura de una lente fotográfica se puede ajustar para controlar la cantidad de luz que llega a la película o al sensor de imagen . En combinación con la variación de la velocidad de obturación , el tamaño de apertura regulará el grado de exposición a la luz de la película o del sensor de imagen. Normalmente, un obturador rápido requerirá una apertura mayor para garantizar una exposición a la luz suficiente, y un obturador lento requerirá una apertura menor para evitar una exposición excesiva.
Un dispositivo llamado diafragma generalmente sirve como tope de apertura y controla la apertura (la apertura del tope de apertura). El diafragma funciona de manera muy similar al iris del ojo : controla el diámetro efectivo de la abertura del cristalino (llamado pupila en los ojos). Reducir el tamaño de la apertura (aumentar el número f) proporciona menos luz al sensor y también aumenta la profundidad de campo (al limitar el ángulo del cono de luz de la imagen que llega al sensor), lo que describe hasta qué punto el sujeto que se encuentra más cerca o más lejos del plano de enfoque real parece estar enfocado. En general, cuanto menor sea la apertura (mayor el número f), mayor será la distancia desde el plano de enfoque al que puede estar el sujeto mientras sigue apareciendo enfocado.
La apertura de la lente generalmente se especifica como un número f , la relación entre la distancia focal y el diámetro de apertura efectivo (el diámetro de la pupila de entrada ). Una lente generalmente tiene un conjunto de "puntos f" marcados en los que se puede configurar el número f. Un número f más bajo denota una mayor apertura que permite que llegue más luz a la película o al sensor de imagen. El término fotográfico "un diafragma" se refiere a un cambio de factor de √ 2 (aprox. 1,41) en el número f que corresponde a un cambio de √ 2 en el diámetro de apertura, que a su vez corresponde a un cambio de factor de 2 en la intensidad de la luz. (por un cambio de factor 2 en el área de apertura).
La prioridad de apertura es un modo de disparo semiautomático utilizado en las cámaras. Permite al fotógrafo seleccionar una configuración de apertura y dejar que la cámara decida la velocidad de obturación y, a veces, también la sensibilidad ISO para la exposición correcta. Esto también se conoce como exposición automática con prioridad de apertura, modo A, modo AV (modo de valor de apertura) o modo semiautomático. [6]
Los rangos típicos de apertura utilizados en fotografía son aproximadamentef /2.8–f /22of /2–F 16, [7] que cubre seis paradas, que se pueden dividir en ancha, media y estrecha de dos paradas cada una, aproximadamente (usando números redondos)f /2–f /4,f /4–f /8, yf /8–F 16o (para una lente más lenta)f /2.8–f /5.6,f /5.6–f /11, yf /11–f /22. Estas no son divisiones nítidas y los rangos para lentes específicos varían.
Las especificaciones para una lente determinada generalmente incluyen los tamaños de apertura (apertura) máxima y mínima, por ejemplo,f /0,95–f /22. En este caso,f /0,95es actualmente la apertura máxima (la apertura más amplia en un formato de fotograma completo para uso práctico [8] ), yf /22es la apertura mínima (la apertura más pequeña). La apertura máxima tiende a ser la más interesante y siempre se incluye al describir una lente. Este valor también se conoce como “velocidad” de la lente , ya que afecta el tiempo de exposición. Como el área de apertura es proporcional a la luz admitida por una lente o un sistema óptico, el diámetro de apertura es proporcional a la raíz cuadrada de la luz admitida y, por tanto, inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de exposición requerido, de modo que una apertura def /2permite tiempos de exposición un cuarto del def /4. (f /2es 4 veces mayor quef /4en el área de apertura.)
Lentes con apertura de apertura.f /2.8o más anchos se denominan lentes "rápidos", aunque el punto específico ha cambiado con el tiempo (por ejemplo, a principios del siglo XX, las aperturas de apertura más anchas quef /6fueron considerados rápidos. [9] Las lentes más rápidas para el formato de película común de 35 mm en la producción general tienen aperturas def /1.2of /1.4, con más enf /1,8yf /2.0, y muchos enf /2.8o más lento;f /1.0es inusual, aunque tiene algún uso. Al comparar lentes "rápidas", se debe considerar el formato de imagen utilizado. Los objetivos diseñados para un formato pequeño, como medio fotograma o APS-C, necesitan proyectar un círculo de imagen mucho más pequeño que un objetivo utilizado para fotografía de gran formato . De este modo, los elementos ópticos integrados en la lente pueden ser mucho más pequeños y económicos.
En circunstancias excepcionales, los objetivos pueden tener aperturas aún más amplias con números f inferiores a 1,0; consulte velocidad de la lente: lentes rápidas para obtener una lista detallada. Por ejemplo, tanto la actual Leica Noctilux-M ASPH de 50 mm como una lente de telémetro Canon de 50 mm de la década de 1960 tienen una apertura máxima def /0,95. [10] A principios de la década de 2010 comenzaron a aparecer alternativas más baratas, como la Cosina Voigtländer. f /0,95Nokton (varios en elrango de 10,5 a 60 mm ) yf /0,8(29 mm ) Lentes de enfoque manual Super Nokton para el sistema Micro Four-Thirds , [11] y Venus Optics (Laowa) Argus35 milímetros f /0,95. [8]
Los lentes profesionales para algunas cámaras de cine tienen números f tan pequeños comof /0,75. La película Barry Lyndon de Stanley Kubrick tiene escenas filmadas a la luz de las velas con una NASA/Zeiss 50mm f/0.7 , [12] la lente más rápida en la historia del cine. Más allá del costo, estos lentes tienen una aplicación limitada debido a la correspondiente menor profundidad de campo (DOF) : la escena debe ser poco profunda, tomada desde lejos o estar significativamente desenfocada, aunque este puede ser el efecto deseado.
Los objetivos con zoom suelen tener una apertura relativa máxima (número f mínimo) def /2.8af /6.3a través de su rango. Las lentes de gama alta tendrán una apertura constante, comof /2.8of /4, lo que significa que la apertura relativa permanecerá igual en todo el rango del zoom. Un zoom de consumo más típico tendrá una apertura relativa máxima variable, ya que es más difícil y costoso mantener la apertura relativa máxima proporcional a la distancia focal en distancias focales largas;f /3.5af /5.6es un ejemplo de un rango de apertura variable común en un objetivo zoom de consumo.
Por el contrario, la apertura mínima no depende de la distancia focal (está limitada por qué tan estrechamente se cierra la apertura, no por el diseño de la lente) y, en cambio, generalmente se elige en función de la practicidad: las aperturas muy pequeñas tienen menor nitidez debido a la difracción en los bordes de la apertura. , mientras que la profundidad de campo adicional generalmente no es útil y, por lo tanto, generalmente hay pocos beneficios al usar tales aperturas. En consecuencia, las lentes DSLR suelen tener una apertura mínima deF 16,f /22, of /32, mientras que el gran formato puede reducirse af /64, como se refleja en el nombre del Grupo f/64 . Sin embargo, la profundidad de campo es una preocupación importante en la fotografía macro , y allí se ven aperturas más pequeñas. Por ejemplo, la Canon MP-E 65 mm puede tener una apertura efectiva (debido a la ampliación) tan pequeña comof /96. La óptica estenopeica para lentes creativos Lensbaby tiene una apertura de apenasf /177. [13]
La cantidad de luz capturada por un sistema óptico es proporcional al área de la pupila de entrada que es la imagen del lado espacial del objeto de la apertura del sistema, igual a:
Donde las dos formas equivalentes están relacionadas mediante el número f N = f / D , con distancia focal f y diámetro de pupila de entrada D .
El valor de la distancia focal no es necesario al comparar dos lentes de la misma distancia focal; En su lugar , se puede usar un valor de 1 y los otros factores también se pueden eliminar, dejando la proporción del área con el cuadrado recíproco del número f N.
Si dos cámaras de diferentes tamaños de formato y distancias focales tienen el mismo ángulo de visión y la misma área de apertura, captan la misma cantidad de luz de la escena. En ese caso, la iluminancia relativa del plano focal , sin embargo, dependería sólo del número f N , por lo que es menor en la cámara con el formato más grande, la distancia focal más larga y el número f más alto. Esto supone que ambas lentes tienen una transmisividad idéntica.
Aunque ya en 1933 Torkel Korling había inventado y patentado para la cámara réflex de gran formato Graflex un control de apertura automático, [14] no todas las primeras cámaras réflex de lente única de 35 mm tenían esta característica. Con una apertura pequeña, esto oscurecía el visor, dificultando la visualización, el enfoque y la composición. [15] El diseño de Korling permitió una visualización de apertura completa para un enfoque preciso, cerrándose a la apertura preseleccionada cuando se disparó el obturador y sincronizando simultáneamente el disparo de una unidad de flash. A partir de 1956, los fabricantes de cámaras SLR desarrollaron por separado el control de apertura automática (el Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' y otras soluciones en Exakta Varex IIa y Praktica FX2 ) que permitían ver en la apertura máxima de la lente, deteniendo la lente hasta la apertura de trabajo en el momento de exposición y devolver la lente a la apertura máxima después. [16] Las primeras cámaras SLR con medidores internos ( "a través de la lente" o "TTL" ) (por ejemplo, la Pentax Spotmatic ) requerían que la lente se detuviera hasta la apertura de trabajo al tomar una lectura del medidor. Los modelos posteriores pronto incorporaron un acoplamiento mecánico entre la lente y el cuerpo de la cámara, indicando la apertura de trabajo a la cámara para la exposición y al mismo tiempo permitiendo que la lente esté en su apertura máxima para la composición y el enfoque; [16] esta característica se conoció como medición de apertura abierta .
Para algunos lentes, incluidos algunos teleobjetivos largos , lentes montados sobre fuelles y lentes con control de perspectiva e inclinación/desplazamiento , el enlace mecánico no era práctico [16] y no se proporcionaba control automático de apertura. Muchos de estos lentes incorporaron una característica conocida como apertura "preestablecida", [16] [17] que permite configurar la lente en la apertura de trabajo y luego cambiar rápidamente entre apertura de trabajo y apertura completa sin mirar el control de apertura. Una operación típica podría ser establecer una composición aproximada, establecer la apertura de trabajo para la medición, volver a la apertura total para una comprobación final del enfoque y la composición, y enfocar, y finalmente, volver a la apertura de trabajo justo antes de la exposición. Aunque es un poco más fácil que la medición parada, la operación es menos conveniente que la operación automática. Los controles de apertura preestablecidos han adoptado varias formas; el más común ha sido el uso de esencialmente dos anillos de apertura de lente, uno de los cuales establece la apertura y el otro sirve como tope al cambiar a la apertura de trabajo. Ejemplos de lentes con este tipo de control de apertura preestablecido son el Nikon PC Nikkor 28 mmf /3.5y la SMC Pentax Shift 6×7 75 mmf /4.5. El Micro-Nikkor para PC Nikon de 85 mmf /2.8DLa lente incorpora un botón mecánico que establece la apertura de trabajo cuando se presiona y restaura la apertura completa cuando se presiona por segunda vez.
Las lentes Canon EF , introducidas en 1987, [18] tienen diafragmas electromagnéticos, [19] eliminando la necesidad de un vínculo mecánico entre la cámara y la lente y permitiendo el control automático de apertura con las lentes de inclinación/desplazamiento Canon TS-E. Las lentes de control de perspectiva Nikon PC-E, [20] introducidas en 2008, también tienen diafragmas electromagnéticos, [21] una característica ampliada a su gama tipo E en 2013.
La apertura óptima depende tanto de la óptica (la profundidad de la escena versus la difracción) como del rendimiento de la lente.
Ópticamente, cuando se detiene una lente, el desenfoque en los límites de profundidad de campo (DOF) disminuye pero el desenfoque de difracción aumenta. La presencia de estos dos factores opuestos implica un punto en el que la mancha borrosa combinada se minimiza (Gibson 1975, 64); en ese punto, el número f es óptimo para la nitidez de la imagen, para esta profundidad de campo dada [22] – una apertura más amplia ( número f más bajo ) causa más desenfoque, mientras que una apertura más estrecha ( número f más alto ) causa más difracción .
En cuanto al rendimiento, las lentes a menudo no funcionan de manera óptima cuando están completamente abiertas y, por lo tanto, generalmente tienen mejor nitidez cuando están un poco paradas; esto es nitidez en el plano de enfoque crítico , dejando de lado las cuestiones de profundidad de campo. Más allá de cierto punto, no hay ningún beneficio adicional en nitidez al detenerse, y la difracción que se produce en los bordes de la apertura comienza a ser significativa para la calidad de la imagen. En consecuencia, existe un punto óptimo, generalmente en elf /4–f /8rango, dependiendo de la lente, donde la nitidez es óptima, aunque algunas lentes están diseñadas para funcionar de manera óptima cuando están completamente abiertas. La importancia de esto varía entre lentes y las opiniones difieren sobre el impacto práctico que tiene.
Si bien la apertura óptima se puede determinar mecánicamente, la nitidez necesaria depende de cómo se utilizará la imagen; si la imagen final se ve en condiciones normales (por ejemplo, una imagen de 8"×10" vista a 10"), puede ser suficiente para determinar el número f utilizando criterios de nitidez mínima requerida, y puede que no haya ningún beneficio práctico al reducir aún más el tamaño del punto borroso. Pero esto puede no ser cierto si la imagen final se ve en condiciones más exigentes, por ejemplo, una imagen final muy grande vista a una distancia normal o una parte de una imagen ampliada a un tamaño normal (Hansma 1996). Hansma también sugiere que es posible que no se conozca el tamaño de la imagen final cuando se toma una fotografía, y obtener la máxima nitidez posible permite tomar la decisión de tomar una imagen final grande en un momento posterior; ver también nitidez crítica .
En muchos sistemas ópticos vivos , el ojo consta de un iris que ajusta el tamaño de la pupila , por donde entra la luz. El iris es análogo al diafragma y la pupila (que es la abertura ajustable del iris) a la apertura. La refracción en la córnea hace que la apertura efectiva (la pupila de entrada en el lenguaje óptico) difiera ligeramente del diámetro físico de la pupila. La pupila de entrada suele tener unos 4 mm de diámetro, aunque puede variar desde tan solo 2 mm (f /8.3) de diámetro en un lugar bien iluminado hasta 8 mm (f /2.1) en la oscuridad como parte de la adaptación . En casos raros, algunos individuos son capaces de dilatar sus pupilas incluso más allá de los 8 mm (con iluminación escotópica , cerca del límite físico del iris). En los seres humanos, el diámetro medio del iris es de unos 11,5 mm, [23] lo que naturalmente influye en el diámetro máximo del iris. El tamaño de la pupila también, donde los diámetros de iris más grandes normalmente tendrían pupilas que pueden dilatarse hasta un extremo más amplio que aquellos con iris más pequeños. El tamaño máximo de la pupila dilatada también disminuye con la edad.
El iris controla el tamaño de la pupila a través de dos conjuntos de músculos complementarios, los músculos esfínteres y dilatadores , que están inervados por los sistemas nerviosos parasimpático y simpático respectivamente, y actúan para inducir la constricción y dilatación pupilar respectivamente. El estado de la pupila está estrechamente influenciado por diversos factores, principalmente la luz (o la ausencia de luz), pero también el estado emocional , el interés por el objeto de atención, la excitación , la estimulación sexual , [24] la actividad física, [25] el estado de acomodación. , [26] y carga cognitiva . [27] El campo de visión no se ve afectado por el tamaño de la pupila.
Algunas personas también pueden ejercer directamente un control manual y consciente sobre los músculos del iris y, por lo tanto, pueden contraer y dilatar voluntariamente sus pupilas cuando se les ordena. [28] Sin embargo, esta capacidad es poco común y el uso potencial o las ventajas no están claros.
En fotografía digital, el rango de apertura equivalente a 35 mm a veces se considera más importante que el número f real. La apertura equivalente es el número f ajustado para que corresponda al número f del mismo tamaño de diámetro de apertura absoluta en una lente con una distancia focal equivalente de 35 mm . Se espera que números f equivalentes más pequeños conduzcan a una mayor calidad de imagen basada en una mayor cantidad de luz total del sujeto, así como a una profundidad de campo reducida. Por ejemplo, una Sony Cyber-shot DSC-RX10 utiliza un sensor de 1", 24 – 200 mm con apertura máxima constante a lo largo de todo el rango del zoom; f /2.8tiene un rango de apertura equivalentef /7,6, que es un número f equivalente más bajo que algunos otrosf /2.8Cámaras con sensores más pequeños. [29]
Sin embargo, la investigación óptica moderna concluye que el tamaño del sensor en realidad no influye en la profundidad de campo de una imagen. [30] El número f de una apertura no se ve modificado por el tamaño del sensor de la cámara porque es una relación que solo pertenece a los atributos de la lente. En cambio, el factor de recorte más alto que se obtiene como resultado de un tamaño de sensor más pequeño significa que, para obtener un encuadre igual del sujeto, la fotografía debe tomarse desde más lejos, lo que resulta en un fondo menos borroso, cambiando la imagen percibida. profundidad de campo. De manera similar, un tamaño de sensor más pequeño con una apertura equivalente dará como resultado una imagen más oscura debido a la densidad de píxeles de sensores más pequeños con megapíxeles equivalentes. Cada fotosito en el sensor de una cámara requiere una cierta cantidad de superficie que no sea sensible a la luz, un factor que resulta en diferencias en el tamaño de los píxeles y cambios en la relación señal-ruido . Sin embargo, ni el cambio en la profundidad de campo [31] ni el cambio percibido en la sensibilidad a la luz [32] son resultado de la apertura. En cambio, la apertura equivalente puede verse como una regla general para juzgar cómo los cambios en el tamaño del sensor podrían afectar una imagen, incluso si cualidades como la densidad de píxeles y la distancia del sujeto son las causas reales de los cambios en la imagen.
Los términos apertura de escaneo y apertura de muestreo se utilizan a menudo para referirse a la abertura a través de la cual se muestrea o escanea una imagen, por ejemplo en un escáner de tambor , un sensor de imagen o un aparato captador de televisión. La apertura de muestreo puede ser una apertura óptica literal, es decir, una pequeña abertura en el espacio, o puede ser una apertura en el dominio del tiempo para muestrear una forma de onda de señal.
Por ejemplo, el grano de la película se cuantifica como granulosidad mediante una medición de las fluctuaciones de la densidad de la película vista a través de una apertura de muestreo de 0,048 mm.
Aperture Science, una empresa ficticia del universo ficticio de Portal , lleva el nombre del sistema óptico. El logotipo de la compañía presenta en gran medida una abertura en su logotipo y ha llegado a simbolizar la serie, la compañía ficticia y el Centro de enriquecimiento asistido por computadora de Aperture Science Laboratories en el que se desarrolla la serie de juegos .
