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 cónico de un haz de rayos que llega a un foco en el plano de la imagen .
Un sistema óptico normalmente tiene 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 accesorio 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 de rayos 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 objeto en el eje en diferentes planos del objeto pueden tener diferentes topes de apertura, e incluso los puntos de objeto en diferentes ubicaciones laterales en el mismo plano del 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 a 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 diafragma a través del cual puede pasar la luz. Por ejemplo, en un telescopio , el diafragma es típicamente los bordes de la lente o espejo objetivo (o de la montura que lo sostiene). Entonces se habla de un telescopio como si tuviera, por ejemplo, una apertura de 100 centímetros (39 pulgadas). El diafragma no es necesariamente el diafragma más pequeño del sistema. La ampliación y reducción de la magnificación por lentes y otros elementos pueden hacer que un diafragma relativamente grande sea el diafragma 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, generalmente se da como una relación.
Una expectativa habitual es que el término apertura se refiera a la apertura del diafragma, pero en realidad, el término apertura y el diafragma se usan de forma confusa. A veces, incluso los diafragmas que no son el diafragma de un sistema óptico también se denominan aperturas. Los contextos deben aclarar estos términos.
La palabra apertura también se utiliza en otros contextos para indicar un sistema que bloquea la luz fuera de una región determinada. En astronomía, por ejemplo, una apertura fotométrica alrededor de una estrella suele corresponder a una ventana circular alrededor de la imagen de una estrella dentro de la cual se supone que hay una intensidad de luz. [4]
El diafragma es un elemento importante en la mayoría de los diseños ópticos. Su característica más obvia es que limita la cantidad de luz que puede llegar al plano de la imagen/película . Esto puede ser inevitable debido al límite práctico del tamaño del diafragma 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 diafragma también afecta a otras propiedades del sistema óptico:
Además de un diafragma, una lente fotográfica puede tener uno o más diafragmas de campo , que limitan el campo de visión del sistema . Cuando el campo de visión está limitado por un diafragma de campo en la lente (en lugar de en la película o el sensor), se produce viñeteado ; esto solo es un problema si el campo de visión resultante es menor que el deseado.
En astronomía, el diámetro de apertura del diafragma (llamado apertura ) es un parámetro crítico en el diseño de un telescopio . Generalmente, se desea que la apertura sea lo más grande posible, para captar la máxima cantidad de luz de los objetos distantes que se están fotografiando. Sin embargo, en la práctica, el tamaño de la apertura está limitado por consideraciones de su costo 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 energía láser, técnica de escaneo z de apertura cerrada , difracciones/patrones y limpieza de 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 puede utilizarse con referencia al condensador (que cambia el ángulo de la luz sobre el campo de la muestra), al iris de campo (que cambia el área de iluminación de las muestras) o posiblemente a la lente del objetivo (forma imágenes primarias). Véase Microscopio óptico .
El diafragma 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 del diafragma regulará el grado de exposición a la luz de la película o del sensor de imagen. Por lo general, un obturador rápido requerirá un diafragma más grande para garantizar una exposición suficiente a la luz, y un obturador lento requerirá un diafragma más pequeño para evitar una exposición excesiva.
Un dispositivo llamado diafragma generalmente sirve como diafragma y controla la apertura (la abertura del diafragma). El diafragma funciona de manera muy similar al iris del ojo : controla el diámetro efectivo de la abertura del lente (llamada 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), que describe el grado en que el objeto que se encuentra más cerca o más lejos del plano de enfoque real parece estar enfocado. En general, cuanto menor sea la apertura (cuanto mayor sea el número f), mayor será la distancia del plano de enfoque al que puede estar el objeto sin dejar de aparecer enfocado.
La apertura de la lente se especifica generalmente como un número f , la relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de la apertura (el diámetro de la pupila de entrada ). Una lente normalmente tiene un conjunto de "números f" marcados en los que se puede ajustar el número f. Un número f más bajo denota una apertura mayor que permite que llegue más luz a la película o al sensor de imagen. El término fotográfico "un número f" se refiere a un cambio de factor de √ 2 (aproximadamente 1,41) en el número f que corresponde a un cambio de √ 2 en el diámetro de la 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 que se utiliza en las cámaras. Permite al fotógrafo seleccionar un ajuste de apertura y dejar que la cámara decida la velocidad de obturación y, a veces, también la sensibilidad ISO para la exposición correcta. También se lo conoce como modo de exposición automática con prioridad de apertura, modo A, modo AV (modo de valor de apertura) o modo semiautomático. [6]
Los rangos típicos de aperturas utilizadas en fotografía son aproximadamentef /2,8–/ 22odos–16, [7] que abarca seis paradas, que pueden dividirse en anchas, medias y estrechas de dos paradas cada una, aproximadamente (usando números redondos)dos–4,4–f /8, yf /8–16o (para una lente más lenta)f /2,8–f /5,6,f /5,6–f /11, yf /11–/ 22Estas no son divisiones nítidas y los rangos para lentes específicos varían.
Las especificaciones de una lente determinada generalmente incluyen los tamaños de apertura (apertura) máxima y mínima, por ejemplo,f /0,95–/ 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] ), y/ 22es la apertura mínima (la abertura más pequeña). La apertura máxima tiende a ser la de mayor interés y siempre se incluye al describir una lente. Este valor también se conoce como la "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 lo tanto, inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de exposición requerido, de modo que una apertura dedospermite tiempos de exposición un cuarto de los de4. (doses 4 veces más grande que4en el área de apertura.)
Lentes con apertura de diafragmaf /2,8o más amplios se denominan lentes "rápidos", aunque el punto específico ha cambiado con el tiempo (por ejemplo, a principios del siglo XX las aberturas de apertura más anchas quef /6Se consideraban rápidos. [9] Los lentes más rápidos 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 poco habitual, aunque se utiliza en cierta medida. Al comparar objetivos "rápidos", se debe tener en cuenta 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 . Por lo tanto, los elementos ópticos integrados en el objetivo pueden ser mucho más pequeños y económicos.
En circunstancias excepcionales, los objetivos pueden tener aperturas aún más amplias con números f menores a 1.0; consulte la sección Velocidad del objetivo: objetivos rápidos para obtener una lista detallada. Por ejemplo, tanto el actual Leica Noctilux-M 50 mm ASPH como un objetivo 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 económicas, como el Cosina Voigtländer f /0,95Nokton (varios en elrango de 10,5 a 60 mm ) yf /0,8(Lentes de enfoque manual Super Nokton de 29 mm para el sistema Micro Four-Thirds , [11] y Venus Optics (Laowa) Argus35 milímetros f /0,95. [8]
Los objetivos profesionales para algunas cámaras de cine tienen números f tan pequeños comof /0,75La película Barry Lyndon de Stanley Kubrick tiene escenas filmadas a la luz de las velas con un objetivo NASA/Zeiss 50 mm f/0,7 [12] , el más rápido de la historia del cine. Más allá del coste, estos objetivos tienen una aplicación limitada debido a la correspondiente menor profundidad de campo (DOF) : la escena debe ser superficial, filmada desde lejos o estará muy 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. Los lentes de alta gama tendrán una apertura constante, comof /2,8o4, lo que significa que la apertura relativa se mantendrá igual en todo el rango de zoom. Un zoom de consumo más típico tendrá una apertura relativa máxima variable, ya que es más difícil y más 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 longitud focal (está limitada por el grado de cierre de la apertura, no por el diseño del objetivo) y, en cambio, generalmente se elige en función de la practicidad: las aperturas muy pequeñas tienen una nitidez menor debido a la difracción en los bordes de la apertura, mientras que la profundidad de campo adicional no suele ser útil y, por lo tanto, el uso de dichas aperturas suele tener pocos beneficios. En consecuencia, los objetivos DSLR suelen tener una apertura mínima de16,/ 22, o/ 32, mientras que el gran formato puede llegar 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 en ella se ven aperturas más pequeñas. Por ejemplo, la Canon MP-E 65 mm puede tener una apertura efectiva (debido al aumento) tan pequeña comof /96La óptica estenopeica para lentes creativas Lensbaby tiene una apertura de tan solo/ 177. [13]
La cantidad de luz captada por un sistema óptico es proporcional al área de la pupila de entrada que es la imagen del lado del espacio del objeto de la apertura del sistema, igual a:
Donde las dos formas equivalentes están relacionadas a través del número f N = f / D , con distancia focal f y diámetro de pupila de entrada D .
El valor de la longitud focal no es necesario cuando se comparan dos lentes de la misma longitud focal; se puede usar un valor de 1 en su lugar y también se pueden descartar los otros factores, dejando la proporción del área al cuadrado recíproco del número f N.
Si dos cámaras de diferentes tamaños de formato y longitudes 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, sin embargo, la iluminancia relativa del plano focal dependería únicamente del número f N , por lo que es menor en la cámara con el formato más grande, la longitud focal más larga y el número f más alto. Esto supone que ambos 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 automático de apertura, [14] no todas las primeras cámaras réflex de objetivo único de 35 mm tenían esta función. Con una apertura pequeña, esto oscurecía el visor, lo que dificultaba la visualización, el enfoque y la composición. [15] El diseño de Korling permitía una visualización con apertura completa para un enfoque preciso, cerrando la apertura preseleccionada cuando se disparaba 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 automático de apertura (el Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' y otras soluciones en la Exakta Varex IIa y Praktica FX2 ) que permitía ver con la apertura máxima del objetivo, deteniendo el objetivo hasta la apertura de trabajo en el momento de la exposición y devolviendo el objetivo 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 cerrara hasta la apertura de trabajo cuando se tomaba 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 mientras se permitía que la lente estuviera en su apertura máxima para la composición y el enfoque; [16] esta característica se conoció como medición de apertura abierta .
En el caso de algunos objetivos, incluidos algunos telefotos largos , objetivos montados sobre fuelles y objetivos con control de perspectiva e inclinación/desplazamiento , el enlace mecánico era poco práctico [16] y no se proporcionaba un control automático de la apertura. Muchos de estos objetivos incorporaban una función conocida como apertura "preestablecida", [16] [17] que permite ajustar el objetivo a la apertura de trabajo y luego cambiar rápidamente entre la apertura de trabajo y la 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 completa 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 con diafragma cerrado, la operación es menos cómoda que la operación automática. Los controles de apertura preestablecidos han adoptado varias formas; la más común ha sido el uso de esencialmente dos anillos de apertura del objetivo, con un anillo que fija la apertura y el otro que sirve como tope límite al cambiar a la apertura de trabajo. Ejemplos de objetivos con este tipo de control de apertura preestablecido son el Nikon PC Nikkor 28 mmf /3,5y el SMC Pentax Shift 6×7 75 mmf /4,5El Nikon PC Micro-Nikkor 85 mmf /2,8DLa lente incorpora un pulsador mecánico que establece la apertura de trabajo cuando se presiona y restaura la apertura completa cuando se presiona una segunda vez.
Los objetivos Canon EF , introducidos en 1987, [18] tienen diafragmas electromagnéticos, [19] eliminando la necesidad de un enlace mecánico entre la cámara y el objetivo, y permitiendo el control automático de la apertura con los objetivos Canon TS-E de inclinación y desplazamiento. Los objetivos Nikon PC-E con control de perspectiva, [20] introducidos en 2008, también tienen diafragmas electromagnéticos, [21] una característica que se amplió a su gama de tipo E en 2013.
La apertura óptima depende tanto de la óptica (la profundidad de la escena frente a la difracción) como del rendimiento de la lente.
Ópticamente, a medida que se cierra el diafragma de la lente, el desenfoque en los límites de profundidad de campo (DOF) disminuye, pero el desenfoque por difracción aumenta. La presencia de estos dos factores opuestos implica un punto en el que el punto de desenfoque combinado 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 una mejor nitidez cuando se cierran un poco; se trata de una nitidez en el plano de enfoque crítico , dejando de lado los problemas de profundidad de campo. Más allá de cierto punto, no hay más beneficios de nitidez al cerrar la apertura, y la difracción que se produce en los bordes de la apertura comienza a ser significativa para la calidad de la imagen. Por lo tanto, existe un punto óptimo, generalmente en el4–f /8Rango, según el objetivo, en el que la nitidez es óptima, aunque algunos objetivos están diseñados para funcionar de forma óptima cuando están completamente abiertos. La importancia de esto varía según el objetivo y las opiniones difieren sobre el impacto práctico que esto 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 determinar el número f utilizando criterios de nitidez mínima requerida, y puede que no haya ningún beneficio práctico en 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 tamaño normal (Hansma 1996). Hansma también sugiere que el tamaño de la imagen final puede no conocerse cuando se toma una fotografía, y obtener la máxima nitidez posible permite tomar la decisión de hacer una imagen final grande en un momento posterior; consulte también nitidez crítica .
En muchos sistemas ópticos vivos , el ojo consta de un iris que ajusta el tamaño de la pupila , a través de la cual entra la luz. El iris es análogo al diafragma, y la pupila (que es la abertura ajustable en el iris) a la apertura. La refracción en la córnea hace que la apertura efectiva (la pupila de entrada en la jerga de la óptica) difiera ligeramente del diámetro físico de la pupila. La pupila de entrada suele tener unos 4 mm de diámetro, aunque puede variar desde tan estrecha como 2 mm (f /8,3) de diámetro en un lugar bien iluminado a 8 mm (f /2,1) en la oscuridad como parte de la adaptación . En casos raros, algunos individuos pueden dilatar sus pupilas incluso más allá de los 8 mm (en iluminación escotópica , cerca del límite físico del iris. En los humanos, el diámetro promedio del iris es de aproximadamente 11,5 mm, [23] lo que naturalmente también influye en el tamaño máximo de la pupila, 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 pupila dilatada también disminuye con la edad.
El iris controla el tamaño de la pupila a través de dos grupos musculares complementarios, el esfínter y el dilatador , 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 varios factores, principalmente la luz (o ausencia de luz), pero también por el estado emocional , el interés en el tema de atención, la excitación , la estimulación sexual , [24] la actividad física, [25] el estado de acomodación , [26] y la 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 su uso o ventajas potenciales 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 corresponder al número f del mismo tamaño de diámetro de apertura absoluta en un objetivo con una longitud focal equivalente a 35 mm . Se espera que los números f equivalentes más pequeños produzcan una mayor calidad de imagen basada en una mayor luz total del sujeto, así como 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 del rango de 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 juega un papel en la profundidad de campo de una imagen. [30] El número f de una apertura no se modifica 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 resulta de un tamaño de sensor más pequeño significa que, para obtener un encuadre igual del sujeto, la foto debe tomarse desde más lejos, lo que da como resultado un fondo menos borroso, cambiando la profundidad de campo percibida. 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 área de superficie que no es sensible a la luz, un factor que da como resultado diferencias en el paso de píxeles y cambios en la relación señal-ruido . Sin embargo, ni la profundidad de campo modificada, [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 pueden 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 a través de una medición de las fluctuaciones de la densidad de la película observadas a través de una apertura de muestreo de 0,048 mm.
Aperture Science, una empresa ficticia del universo ficticio de Portal , recibe su nombre del sistema óptico. El logotipo de la empresa presenta una abertura y ha llegado a simbolizar la serie, la empresa ficticia y el Centro de enriquecimiento asistido por ordenador de Aperture Science Laboratories en el que se desarrolla la serie de juegos. [33]
