Una cámara estenopeica es una cámara sencilla sin lente pero con una apertura diminuta (la llamada estenopeica ), es decir, una caja a prueba de luz con un pequeño orificio en un lado. La luz de una escena pasa a través de la apertura y proyecta una imagen invertida en el lado opuesto de la caja, lo que se conoce como efecto de cámara oscura . El tamaño de las imágenes depende de la distancia entre el objeto y el agujero.
La cámara oscura o imagen estenopeica es un fenómeno óptico natural. Las primeras descripciones conocidas se encuentran en los escritos chinos de Mozi (alrededor del 500 a. C.) [1] y los Problemas aristotélicos (alrededor del 300 a. C. – 600 d. C.). [2]
Ibn al-Haytham (965-1039), un físico árabe también conocido como Alhazen, describió el efecto de la cámara oscura. A lo largo de los siglos, otros comenzaron a experimentar con él, principalmente en habitaciones oscuras con una pequeña abertura en las contraventanas, principalmente para estudiar la naturaleza de la luz y observar con seguridad los eclipses solares . [4]
Giambattista Della Porta escribió en 1558 en su Magia Naturalis sobre el uso de un espejo cóncavo para proyectar la imagen en papel y utilizarlo como ayuda para dibujar. [5] Sin embargo, aproximadamente al mismo tiempo, se introdujo el uso de una lente en lugar de un orificio. En el siglo XVII, la cámara oscura con lente se convirtió en una herramienta de dibujo popular que se desarrolló hasta convertirse en un dispositivo móvil, primero en una pequeña tienda de campaña y luego en una caja. La cámara fotográfica , tal como se desarrolló a principios del siglo XIX, fue básicamente una adaptación de la cámara oscura tipo caja con una lente.
El término "estenopeo" en el contexto de la óptica se encontró en el libro de James Ferguson de 1764, Lectures on select issues in mecánica, hidrostática, neumática y óptica . [6] [7]
La primera descripción conocida de la fotografía estenopeica se encuentra en el libro de 1856 The Stereoscope del inventor escocés David Brewster , que incluye la descripción de la idea como "una cámara sin lentes y con sólo un orificio".
Sir William Crookes y William de Wiveleslie Abney fueron otros de los primeros fotógrafos que probaron la técnica del agujero estenopeico. [8]
Según el inventor William Kennedy Dickson , los primeros experimentos dirigidos a imágenes en movimiento por Thomas Edison y sus investigadores tuvieron lugar alrededor de 1887 y consistieron en "fotografías microscópicas puntuales, colocadas sobre una carcasa cilíndrica". El tamaño del cilindro se correspondía con el cilindro de su fonógrafo , ya que querían combinar imágenes en movimiento con grabaciones de sonido. Surgieron problemas al grabar imágenes claras "con una velocidad fenomenal" y la "tosquedad" de la emulsión fotográfica cuando se ampliaban las imágenes. Pronto se abandonaron las fotografías microscópicas. [9] En 1893 finalmente se introdujo el quinetoscopio con imágenes en movimiento en tiras de película de celuloide. La cámara que registró las imágenes, denominada Kinetograph , estaba equipada con una lente.
Eugène Estanave experimentó con la fotografía integral , exponiendo un resultado en 1925 y publicando sus hallazgos en La Nature . Después de 1930 decidió continuar sus experimentos con poros que reemplazaban la pantalla lenticular. [10]
La imagen de una cámara estenopeica se puede proyectar en una pantalla translúcida para verla en tiempo real (utilizada para la observación segura de eclipses solares) o para trazar la imagen en papel. Pero se utiliza más a menudo sin una pantalla translúcida para la fotografía estenopeica con película fotográfica o papel fotográfico colocado en la superficie opuesta a la apertura estenopeica.
Un uso común de la fotografía estenopeica es capturar el movimiento del sol durante un largo período de tiempo. Este tipo de fotografía se llama solarigrafía . La fotografía estenopeica se utiliza por motivos artísticos, pero también con fines educativos para que los alumnos aprendan y experimenten los conceptos básicos de la fotografía.
A veces se utilizan cámaras estenopeicas con CCD ( dispositivos de carga acoplada ) para la vigilancia porque son difíciles de detectar.
Las cámaras relacionadas, los dispositivos de formación de imágenes o sus desarrollos incluyen la cámara estenopeica de campo amplio de Franke, la cámara pinspeck y el espejo con cabeza de alfiler .
La fabricación moderna ha permitido la producción de lentes estenopeicas de alta calidad [11] que pueden aplicarse a cámaras digitales.
Se pueden incorporar otras características especiales a las cámaras estenopeicas, como la capacidad de tomar imágenes dobles mediante el uso de múltiples orificios, o la capacidad de tomar fotografías en perspectiva cilíndrica o esférica curvando el plano de la película.
El fotógrafo puede fabricar cámaras estenopeicas a mano para un propósito particular. En su forma más simple, la cámara fotográfica estenopeica puede consistir en una caja hermética con un orificio en un extremo y un trozo de película o papel fotográfico encajado o pegado con cinta adhesiva en el otro extremo. Como contraventana se puede utilizar una solapa de cartón con una bisagra de cinta. El orificio se puede perforar o perforar con una aguja de coser o una broca de pequeño diámetro a través de un trozo de papel de aluminio o una lámina delgada de aluminio o latón. Luego, esta pieza se pega con cinta adhesiva al interior de la caja hermética a la luz detrás de un agujero cortado en la caja. Un recipiente cilíndrico de avena se puede convertir en una cámara estenopeica.
El interior de una cámara estenopeica eficaz es negro para evitar cualquier reflejo de la luz entrante sobre el material fotográfico o la pantalla de visualización. [12]
Las cámaras estenopeicas se pueden construir con un soporte de película deslizante o trasero para poder ajustar la distancia entre la película y el orificio. Esto permite cambiar el ángulo de visión de la cámara y también la relación f-stop efectiva de la cámara. Acercar la película al orificio dará como resultado un campo de visión de gran angular y un tiempo de exposición más corto. Al alejar la película del orificio, se obtendrá una vista de teleobjetivo o de ángulo estrecho y un tiempo de exposición más largo.
Las cámaras estenopeicas también se pueden construir reemplazando el conjunto de lentes de una cámara convencional por una estenopeica. En particular, las cámaras compactas de 35 mm cuya lente y conjunto de enfoque han resultado dañados pueden reutilizarse como cámaras estenopeicas, manteniendo el uso del obturador y los mecanismos de bobinado de la película. Debido al enorme aumento del número f , manteniendo el mismo tiempo de exposición, es necesario utilizar una película rápida bajo luz solar directa.
Se pueden usar orificios (hechos en casa o comerciales) en lugar de la lente en una SLR. El uso con una SLR digital permite la medición y composición mediante prueba y error, y es efectivamente gratuito, por lo que es una forma popular de probar la fotografía estenopeica. [13]
Hasta cierto punto, cuanto más pequeño es el agujero, más nítida es la imagen, pero más oscura es la imagen proyectada. De manera óptima, el tamaño de la apertura debe ser 1/100 o menos de la distancia entre esta y la imagen proyectada.
Dentro de ciertos límites, un pequeño orificio a través de una superficie delgada dará como resultado una resolución de imagen más nítida porque el círculo de confusión proyectado en el plano de la imagen es prácticamente del mismo tamaño que el orificio. Sin embargo, un agujero extremadamente pequeño puede producir importantes efectos de difracción y una imagen menos clara debido a las propiedades ondulatorias de la luz. [14] Además, el viñeteado se produce cuando el diámetro del orificio se acerca al grosor del material en el que está perforado, porque los lados del orificio obstruyen la entrada de luz en cualquier otro ángulo que no sea 90 grados.
El mejor agujero de alfiler es perfectamente redondo (ya que las irregularidades provocan efectos de difracción de orden superior) y se encuentra en una pieza de material extremadamente delgada. Los poros producidos industrialmente se benefician del grabado con láser , pero un aficionado aún puede producir poros de una calidad suficientemente alta para trabajos fotográficos.
Joseph Petzval publicó por primera vez un método para calcular el diámetro óptimo del agujero estenopeico en 1857. El diámetro más pequeño posible del punto de la imagen y, por lo tanto, la resolución de imagen más alta posible y la imagen más nítida se obtienen cuando: [15]
(Donde d es el diámetro del orificio, f es la distancia desde el orificio al plano de la imagen o “distancia focal” y λ es la longitud de onda de la luz).
El primero en aplicar la teoría ondulatoria al problema fue Lord Rayleigh en 1891. Pero debido a algunas deducciones incorrectas y arbitrarias llegó a: [16]
Así que su agujero óptimo era aproximadamente 1/3 más grande que el de Petzval.
El óptimo correcto se puede encontrar con la aproximación de Fraunhofer del patrón de difracción detrás de una apertura circular en:
Esto se puede reducir a: (Cuando d y f están en milímetros y λ = 550 nm = 0,00055 mm, correspondiente a amarillo verdoso).
Para una distancia entre el orificio y la película de 1 pulgada o 25,4 mm, esto equivale a un orificio de 0,185 mm (185 micrones) de diámetro. Para f= 50 mm el diámetro óptimo es 0,259 mm.
La profundidad de campo es básicamente infinita , pero esto no significa que no se produzca desenfoque óptico. La profundidad de campo infinita significa que el desenfoque de la imagen no depende de la distancia del objeto sino de otros factores, como la distancia desde la apertura al plano de la película , el tamaño de la apertura, las longitudes de onda de la fuente de luz y el movimiento del sujeto. o lienzo. Además, la fotografía estenopeica no puede evitar los efectos de la neblina .
En la década de 1970, Young midió el límite de resolución de la cámara estenopeica en función del diámetro del orificio [17] y posteriormente publicó un tutorial en The Physics Teacher . [18] En parte para permitir una variedad de diámetros y distancias focales, definió dos variables normalizadas: límite de resolución dividido por el radio del orificio y longitud focal dividida por la cantidad s 2 /λ, donde s es el radio del orificio y λ es la longitud de onda de la luz, normalmente unos 550 nm. Sus resultados se representan en la figura.
En el lado izquierdo del gráfico, el orificio es grande y se aplica la óptica geométrica; el límite de resolución es aproximadamente 1,5 veces el radio del orificio. (También se observa una resolución espuria en el límite de la óptica geométrica). En el lado derecho, el orificio es pequeño y se aplica la difracción de Fraunhofer ; el límite de resolución viene dado por la fórmula de difracción de campo lejano que se muestra en el gráfico y ahora aumenta a medida que el orificio se hace más pequeño. En esta fórmula, se utiliza el radio del agujero en lugar de su diámetro, por eso la constante es 0,61 en lugar del más habitual 1,22. En la región de difracción de campo cercano (o difracción de Fresnel ), el orificio enfoca ligeramente la luz y el límite de resolución se minimiza cuando la distancia focal f (la distancia entre el orificio y el plano de la película) viene dada por f = s 2 /λ. A esta distancia focal, el orificio enfoca ligeramente la luz y el límite de resolución es aproximadamente 2/3 del radio del orificio. El pinhole, en este caso, equivale a una placa de zona de Fresnel con una única zona. El valor s 2 /λ es en cierto sentido la distancia focal natural del agujero de alfiler.
La relación f = s 2 / λ produce un diámetro de agujero óptimo d = 2 √ fλ , por lo que el valor experimental difiere ligeramente de la estimación de Petzval, arriba.
El número f de la cámara se puede calcular dividiendo la distancia desde el orificio hasta el plano de imagen (la distancia focal ) por el diámetro del orificio. Por ejemplo, una cámara con un orificio de 0,5 mm de diámetro y una distancia focal de 50 mm tendría un número f de 50/0,5, o 100 ( f /100 en notación convencional).
Debido al gran número f de una cámara estenopeica, las exposiciones a menudo encontrarán fallas de reciprocidad . [19] Una vez que el tiempo de exposición ha excedido aproximadamente 1 segundo para la película o 30 segundos para el papel, se debe compensar la ruptura en la respuesta lineal de la película/papel a la intensidad de la iluminación mediante el uso de exposiciones más largas.
Las exposiciones proyectadas en películas fotográficas modernas sensibles a la luz suelen variar desde cinco segundos hasta varias horas, y los orificios más pequeños requieren exposiciones más largas para producir una imagen del mismo tamaño. Debido a que una cámara estenopeica requiere una exposición prolongada, su obturador se puede operar manualmente, como con una solapa hecha de material opaco para cubrir y descubrir el orificio.
Un sistema óptico de apertura codificada sin enfoque puede considerarse como varias cámaras estenopeicas en conjunto. Al agregar orificios, se aumenta el rendimiento de la luz y, por lo tanto, la sensibilidad. Sin embargo, se forman múltiples imágenes, lo que generalmente requiere deconvolución por computadora .
En los últimos años se ha hecho evidente un resurgimiento de la popularidad con el éxito de las campañas de financiación colectiva de Kickstarter que ofrecen una gama de productos de fotografía estenopeica. Los proyectos han incluido una cámara fabricada en madera [20] y Pinhole Pro, [11] una lente diseñada para cámaras digitales DSLR y MILC.
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A veces, el efecto de una cámara estenopeica puede producirse de forma natural. Los pequeños "agujeros" formados por los espacios entre las hojas de los árboles superpuestas crearán réplicas de imágenes del sol en superficies planas. Durante un eclipse , esto produce pequeñas medias lunas en el caso de un eclipse parcial , o anillos huecos en el caso de un eclipse anular .
El Día Mundial de la Fotografía Estenopeica se celebra cada año el último domingo de abril. [21]
Medios relacionados con las cámaras estenopeicas en Wikimedia Commons
