Un fotómetro (o iluminómetro ) es un dispositivo que se utiliza para medir la cantidad de luz. En fotografía , un exposímetro es un fotómetro acoplado a una calculadora digital o analógica que muestra la velocidad de obturación y el número f correctos para una exposición óptima , dada una determinada situación de iluminación y una determinada velocidad de la película . De manera similar, los exposímetros también se utilizan en los campos de la cinematografía y el diseño escénico , con el fin de determinar el nivel de luz óptimo para una escena.
Los fotómetros también se utilizan en el campo general del diseño de iluminación arquitectónica para verificar la instalación y el rendimiento adecuados de un sistema de iluminación de un edificio y para evaluar los niveles de luz para plantas en crecimiento.
Si un fotómetro da sus indicaciones en luxes se denomina " luxómetro ". [1]
Los primeros exposímetros se denominaban actinómetros (que no deben confundirse con el instrumento científico del mismo nombre ), desarrollados por primera vez a fines del siglo XIX después de que las placas fotográficas comerciales estuvieran disponibles con una sensibilidad constante. Estos actinómetros fotográficos usaban papel sensible a la luz; el fotógrafo medía el tiempo requerido para que el papel se oscureciera hasta un valor de control, lo que proporcionaba una entrada para un cálculo mecánico de la velocidad de obturación y la apertura para un número de placa determinado. [3] : 69 Fueron populares entre aproximadamente 1890 y 1920. [4]
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Los siguientes exposímetros, desarrollados aproximadamente al mismo tiempo pero que no desplazaron a los actinómetros en popularidad hasta los años 1920 y 1930, se conocen como extinómetros , que evaluaban los ajustes de exposición correctos mediante atenuación variable. [4] Un tipo de extinómetro contenía una fila numerada o con letras de filtros de densidad neutra de densidad creciente. El fotógrafo colocaba el extinómetro frente a su sujeto y anotaba el filtro con la mayor densidad que aún permitía el paso de la luz incidente. En otro ejemplo, vendido como Aktino-Photometer de Heyde a partir de principios de la década de 1900, el fotógrafo observa la escena a través de un ocular y gira el extintor para variar la densidad efectiva hasta que ya no se puede ver la escena. [6] La letra o número correspondiente a la intensidad del filtro que causaba la "extinción" de la escena se usaba como índice en una tabla de combinaciones adecuadas de apertura y velocidad de obturación para una velocidad de película determinada . [3] : 72
Los medidores de extinción tendían a proporcionar resultados inconsistentes porque dependían de la interpretación subjetiva y de la sensibilidad a la luz del ojo humano , que puede variar de persona a persona. [7]
Más tarde [¿ cuándo? ] los medidores eliminaron el elemento humano y se basaron en tecnologías que incorporaban selenio , CdS y fotodetectores de silicio .
Los fotómetros de selenio y silicio utilizan sensores fotovoltaicos : generan un voltaje proporcional a la exposición a la luz. Los sensores de selenio generan suficiente voltaje para la conexión directa a un fotómetro; no necesitan batería para funcionar y esto los hizo muy convenientes en cámaras completamente mecánicas. Sin embargo, los sensores de selenio no pueden medir la luz baja con precisión (las bombillas comunes pueden llevarlos cerca de sus límites) y son completamente incapaces de medir la luz muy baja, como la luz de las velas, la luz de la luna, la luz de las estrellas, etc. Los sensores de silicio necesitan un circuito de amplificación y requieren una fuente de energía como baterías para funcionar. Los fotómetros CdS utilizan un sensor fotorresistente cuya resistencia eléctrica cambia proporcionalmente a la exposición a la luz. Estos también requieren una batería para funcionar. La mayoría de los fotómetros modernos utilizan sensores de silicio o CdS. Indican la exposición con un galvanómetro de aguja o en una pantalla LCD .
Muchas cámaras fotográficas y de vídeo modernas incluyen un fotómetro incorporado que mide el nivel de luz de toda la escena y, en función de ello, puede realizar una medición aproximada de la exposición adecuada. Los fotógrafos que trabajan con iluminación controlada y los directores de fotografía utilizan fotómetros portátiles para medir con precisión la luz que cae sobre las distintas partes de sus sujetos y utilizan la iluminación adecuada para producir los niveles de exposición deseados.
Los medidores de exposición generalmente se clasifican en tipos de luz reflejada o luz incidente, dependiendo del método utilizado para medir la escena.
Los fotómetros reflejan la luz que refleja la escena que se va a fotografiar. Todos los fotómetros que se incluyen en las cámaras son fotómetros reflejados. Los fotómetros reflejan la luz que se calibran para mostrar la exposición adecuada para escenas "promedio". Una escena inusual con una preponderancia de colores claros o reflejos especulares tendría una reflectancia más alta; un fotómetro reflejado que tomara una lectura compensaría incorrectamente la diferencia de reflectancia y daría lugar a una subexposición. Las fotos de puestas de sol muy subexpuestas son comunes precisamente por este efecto: el brillo del sol poniente engaña al fotómetro de la cámara y, a menos que la lógica de la cámara o el fotógrafo se encarguen de compensarlo, la fotografía estará muy subexpuesta y opaca.
Este problema (pero no en el caso de la puesta del sol) se evita con fotómetros que miden la cantidad de luz que cae sobre el sujeto utilizando un difusor con un campo de visión plano o (más comúnmente) hemisférico colocado sobre el sensor de luz. Debido a que la lectura de la luz incidente es independiente de la reflectancia del sujeto, es menos probable que dé lugar a exposiciones incorrectas para sujetos con una reflectancia media inusual. Para tomar una lectura de la luz incidente es necesario colocar el fotómetro en la posición del sujeto y apuntarlo en la dirección general de la cámara, algo que no siempre se puede lograr en la práctica, por ejemplo, en la fotografía de paisajes donde la distancia del sujeto se acerca al infinito.
Otra forma de evitar la subexposición o la sobreexposición en sujetos con una reflectancia inusual es utilizar un fotómetro puntual : un fotómetro especializado que mide la luz reflejada en un cono muy estrecho , normalmente con un ángulo de visión circular de un grado . Un fotógrafo experimentado puede tomar múltiples lecturas sobre las sombras, el rango medio y las altas luces de la escena para determinar la exposición óptima, utilizando sistemas como el Sistema de Zonas .
Muchas cámaras modernas incluyen sofisticados sistemas de medición de múltiples segmentos que miden la luminancia de diferentes partes de la escena para determinar la exposición óptima. Cuando se utiliza una película cuya sensibilidad espectral no coincide con la del fotómetro, por ejemplo, una película infrarroja o en blanco y negro ortocromática , el fotómetro puede requerir filtros especiales y una recalibración para que coincida con la sensibilidad de la película.
Existen otros tipos de fotómetros fotográficos especializados. Los fotómetros se utilizan en la fotografía con flash para verificar la exposición correcta. Los colorímetros se utilizan cuando se requiere una alta fidelidad en la reproducción del color. Los densitómetros se utilizan en la reproducción fotográfica.
En la mayoría de los casos, un fotómetro de incidencia hará que un tono medio se registre como tal, y un fotómetro de reflexión hará que lo que se mida se registre como tal. Lo que constituye un "tono medio" depende de la calibración del fotómetro y de varios otros factores, incluido el procesamiento de la película o la conversión de imágenes digitales.
La calibración del fotómetro establece la relación entre la iluminación del objeto y los ajustes recomendados de la cámara. La calibración de los fotómetros fotográficos está regulada por la norma ISO 2720:1974.
Para los medidores de luz reflejada, los ajustes de la cámara están relacionados con la velocidad ISO y la luminancia del sujeto mediante la ecuación de exposición a la luz reflejada:
dónde
Para los medidores de luz incidente, los ajustes de la cámara están relacionados con la velocidad ISO y la iluminancia del sujeto mediante la ecuación de exposición a la luz incidente:
dónde
La determinación de las constantes de calibración ha sido en gran medida subjetiva; la norma ISO 2720:1974 establece que
Las constantes y se elegirán mediante el análisis estadístico de los resultados de un gran número de pruebas realizadas para determinar la aceptabilidad, para un gran número de observadores, de un número de fotografías, para las cuales se conocía la exposición, obtenidas bajo diversas condiciones de manera del sujeto y en un rango de luminancias.
En la práctica, la variación de las constantes de calibración entre fabricantes es considerablemente menor de lo que esta afirmación podría implicar, y los valores han cambiado poco desde principios de la década de 1970.
La norma ISO 2720:1974 recomienda un rango de 10,6 a 13,4 con luminancia en cd/m 2 . Se utilizan dos valores comunes: 12,5 ( Canon , Nikon y Sekonic [8] ) y 14 ( Minolta , [9] Kenko , [9] y Pentax ); la diferencia entre los dos valores es de aproximadamente 1 ⁄ 6 EV .
Los primeros estándares de calibración se desarrollaron para su uso con fotómetros de ángulo amplio con promediado de luz reflejada (Jones y Condit 1941). Aunque la medición promediada de ángulo amplio ha dado paso en gran medida a otros patrones de sensibilidad de medición (por ejemplo, puntual, ponderada al centro y multisegmento), los valores determinados para los fotómetros de ángulo amplio se han mantenido.
La constante de calibración de la luz incidente depende del tipo de receptor de luz. Hay dos tipos de receptores comunes: plano ( que responde al coseno ) y hemisférico ( que responde al cardioide ). Con un receptor plano, la norma ISO 2720:1974 recomienda un rango de 240 a 400 con iluminancia en lux ; un valor de 250 se utiliza comúnmente. Un receptor plano se utiliza típicamente para medir las relaciones de iluminación, para medir la iluminancia y, ocasionalmente, para determinar la exposición para un sujeto plano.
Para determinar la exposición fotográfica práctica, un receptor hemisférico ha demostrado ser más eficaz. Don Norwood, inventor del medidor de exposición de luz incidente con un receptor hemisférico, pensó que una esfera era una representación razonable de un sujeto fotográfico. Según su patente (Norwood 1938), el objetivo era
proporcionar un medidor de exposición que responda de manera sustancialmente uniforme a la luz incidente sobre el sujeto fotográfico desde prácticamente todas las direcciones, lo que daría como resultado el reflejo de la luz hacia la cámara u otro registro fotográfico.
y el medidor permitía "medir la iluminación efectiva obtenida en la posición del sujeto".
Con un receptor hemisférico, la norma ISO 2720:1974 recomienda un rango de 320 a 540 con iluminancia en lux; en la práctica, los valores suelen estar entre 320 (Minolta) y 340 (Sekonic). Las respuestas relativas de los receptores planos y hemisféricos dependen de la cantidad y el tipo de fuentes de luz; cuando cada receptor apunta a una fuente de luz pequeña, un receptor hemisférico con = 330 indicará una exposición aproximadamente 0,40 pasos mayor que la indicada por un receptor plano con = 250. Con una definición de iluminancia ligeramente revisada, las mediciones con un receptor hemisférico indican "iluminancia de escena efectiva".
Se suele afirmar que los fotómetros están calibrados con una reflectancia del 18% [10] , pero la calibración no tiene nada que ver con la reflectancia, como debería ser evidente a partir de las fórmulas de exposición. Sin embargo, una comparación de la calibración de los fotómetros de luz incidente y reflejada implica cierta noción de reflectancia.
Combinando las ecuaciones de exposición a la luz reflejada y a la luz incidente y reordenándolas se obtiene
La reflectancia se define como
Un difusor uniforme perfecto (que sigue la ley del coseno de Lambert ) de luminancia emite una densidad de flujo de ; la reflectancia es entonces
La iluminancia se mide con un receptor plano. Es sencillo comparar una medición de luz incidente utilizando un receptor plano con una medición de luz reflejada de una superficie plana uniformemente iluminada de reflectancia constante. Utilizando valores de 12,5 para y 250 para se obtiene
Con un valor de 14, la reflectancia sería del 17,6 %, cercana a la de una tarjeta de prueba neutra estándar del 18 %. En teoría, una medición de luz incidente debería coincidir con una medición de luz reflejada de una tarjeta de prueba de reflectancia adecuada que sea perpendicular a la dirección del medidor. Sin embargo, una tarjeta de prueba rara vez es un difusor uniforme, por lo que las mediciones de luz incidente y reflejada pueden diferir ligeramente.
En una escena típica, muchos elementos no son planos y se encuentran en distintas orientaciones respecto a la cámara, por lo que, para la fotografía práctica, un receptor hemisférico suele resultar más eficaz para determinar la exposición. El uso de valores de 12,5 para y 330 para da
Con una definición ligeramente revisada de reflectancia, este resultado puede considerarse como una indicación de que la reflectancia promedio de la escena es de aproximadamente el 12 %. Una escena típica incluye áreas sombreadas, así como áreas que reciben iluminación directa, y un fotómetro de ángulo amplio con promedio de luz reflejada responde a estas diferencias en la iluminación, así como a las diferentes reflectancias de varios elementos de la escena. La reflectancia promedio de la escena sería entonces
donde "iluminancia efectiva de la escena" es la medida por un medidor con un receptor hemisférico.
La norma ISO 2720:1974 exige que la calibración de la luz reflejada se mida apuntando el receptor a una superficie difusa transiluminada, y que la calibración de la luz incidente se mida apuntando el receptor a una fuente puntual en una habitación oscura. Para una tarjeta de prueba con difusión perfecta y un receptor plano con difusión perfecta, la comparación entre una medición de luz reflejada y una medición de luz incidente es válida para cualquier posición de la fuente de luz. Sin embargo, la respuesta de un receptor hemisférico a una fuente de luz fuera del eje es aproximadamente la de un cardioide en lugar de un coseno , por lo que la "reflectancia" del 12% determinada para un fotómetro con un receptor hemisférico es válida solo cuando la fuente de luz está en el eje del receptor.
La calibración de cámaras con medidores internos está cubierta por la norma ISO 2721:1982; no obstante, muchos fabricantes especifican (aunque rara vez lo indican) la calibración de la exposición en términos de , y muchos instrumentos de calibración (por ejemplo, los probadores de cámaras multifunción Kyoritsu-Arrowin [11] ) utilizan lo especificado para establecer los parámetros de prueba.
Si una escena difiere considerablemente de una escena estadísticamente promedio, una medición de luz reflejada promedio de gran angular puede no indicar la exposición correcta. Para simular una escena promedio, a veces se realiza una medición sustitutiva de una tarjeta de prueba neutra o tarjeta gris .
En el mejor de los casos, una tarjeta plana es una aproximación a una escena tridimensional y la medición de una tarjeta de prueba puede dar lugar a una subexposición a menos que se realice un ajuste. Las instrucciones para una tarjeta de prueba neutra de Kodak recomiendan que la exposición indicada se incremente en 1 ⁄ 2 paso para una escena iluminada por el frente a la luz del sol. Las instrucciones también recomiendan que la tarjeta de prueba se sostenga verticalmente y se oriente en una dirección intermedia entre el sol y la cámara; también se dan instrucciones similares en la Guía fotográfica profesional de Kodak . La combinación del aumento de la exposición y la orientación de la tarjeta proporciona exposiciones recomendadas que son razonablemente cercanas a las proporcionadas por un fotómetro de incidencia con un receptor hemisférico cuando se mide con una fuente de luz fuera del eje.
En la práctica, pueden surgir complicaciones adicionales. Muchas tarjetas de prueba neutras distan mucho de ser reflectores perfectamente difusos, y los reflejos especulares pueden provocar lecturas mayores en el medidor de luz reflejada que, si se siguen, darían como resultado una subexposición. Es posible que las instrucciones de la tarjeta de prueba neutra incluyan una corrección para los reflejos especulares.
En el ámbito de la iluminación también se utilizan medidores de luz o detectores de luz . Su finalidad es medir el nivel de iluminación en el interior y apagar o reducir el nivel de potencia de las luminarias . Esto puede reducir en gran medida la carga energética del edificio al aumentar significativamente la eficiencia de su sistema de iluminación. Por ello, se recomienda utilizar medidores de luz en los sistemas de iluminación, especialmente en estancias en las que no se puede esperar que los usuarios presten atención a apagar las luces manualmente. Algunos ejemplos son los pasillos, las escaleras y los grandes salones.
Sin embargo, para lograr una implementación exitosa de los medidores de luz en los sistemas de iluminación, es necesario superar importantes obstáculos, de los cuales la aceptación por parte de los usuarios es, con diferencia, la más difícil. Los encendidos inesperados o demasiado frecuentes y las habitaciones demasiado iluminadas o demasiado oscuras resultan muy molestos y perturbadores para los usuarios de las habitaciones. Por ello, se han desarrollado diferentes algoritmos de encendido:
En los usos de investigación y desarrollo científico, un fotómetro consta de un radiómetro (la electrónica/lectura), un fotodiodo o sensor (genera una salida cuando se expone a la radiación/luz electromagnética), un filtro (usado para modificar la luz entrante de modo que solo la porción deseada de la radiación entrante llegue al sensor) y una óptica de entrada correctora de coseno (garantiza que el sensor pueda ver la luz que llega desde todas las direcciones con precisión).
Cuando se utiliza la palabra fotómetro o fotómetro en lugar de radiómetro u optómetro, se suele suponer que el sistema se configuró para ver solo luz visible. Los sensores de luz visible a menudo se denominan sensores de iluminancia o fotométricos porque se han filtrado para que sean sensibles solo a 400-700 nanómetros (nm), imitando la sensibilidad del ojo humano a la luz. La precisión con la que mide el fotómetro a menudo depende de lo bien que la filtración coincida con la respuesta del ojo humano.
El sensor enviará una señal al medidor que es proporcional a la cantidad de luz que llega al sensor después de ser captada por la óptica y pasar a través del filtro. Luego, el medidor convierte la señal entrante (normalmente corriente o voltaje) del sensor en una lectura de unidades calibradas, como pies-candela (fc) o lux (lm/m^2). La calibración en fc o lux es la segunda característica más importante de un medidor de luz. No solo convierte la señal de V o mA, sino que también proporciona precisión y repetibilidad de unidad a unidad. La trazabilidad del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y la acreditación ISO/IEC 17025 son dos términos bien conocidos que verifican que el sistema incluye una calibración válida.
La parte del medidor/radiómetro/fotómetro puede tener muchas características, entre ellas:
Cero: resta los niveles de luz ambiental/de fondo o estabiliza el medidor al entorno de trabajo
Mantener: congela el valor en la pantalla.
Rango: para sistemas que no son lineales ni de rango automático, esta función permite al usuario seleccionar la parte de la electrónica del medidor que maneja mejor el nivel de señal en uso.
Unidades: Para la iluminancia, las unidades normalmente son solo lux y pie-candela, pero muchos fotómetros también se pueden usar para aplicaciones UV, VIS e IR, por lo que la lectura puede cambiar a W/cm^2, candela, vatios, etc.
Integrar: suma los valores en una dosis o nivel de exposición, es decir, lux*seg o J/cm^2.
Además de tener una variedad de características, un fotómetro también puede utilizarse para una variedad de aplicaciones. Estas pueden incluir la medición de otras bandas de luz como UVA, UVB, UVC y el infrarrojo cercano. Por ejemplo, los fotómetros UVA y UVB se utilizan para fototerapia o tratamiento de afecciones de la piel, los radiómetros germicidas se utilizan para medir el nivel de UVC de las lámparas utilizadas para desinfección y esterilización, los medidores de luminancia se utilizan para medir el brillo de un letrero, una pantalla o una señal de salida, los sensores cuánticos PAR se utilizan para medir qué cantidad de la emisión de una fuente de luz determinada ayudará al crecimiento de las plantas, y los radiómetros de curado por UV prueban qué cantidad de la emisión de luz es efectiva para endurecer un pegamento, plástico o revestimiento protector.
Algunos fotómetros también tienen la capacidad de proporcionar una lectura en muchas unidades diferentes. Los luxes y los pies-candela son las unidades comunes para la luz visible, pero también lo son las candelas, los lúmenes y las candelas por metro cuadrado. En el ámbito de la desinfección, la radiación UVC se mide normalmente en vatios por centímetro cuadrado, o vatios para un conjunto de lámparas individual determinado, mientras que los sistemas utilizados en el contexto del curado de revestimientos suelen proporcionar lecturas en julios por centímetro cuadrado. Por tanto, las mediciones periódicas de la intensidad de la luz UVC pueden servir para garantizar una desinfección adecuada del agua y las superficies de preparación de alimentos, o una dureza fiable del revestimiento en productos pintados.
Aunque un fotómetro puede adoptar la forma de una herramienta portátil muy sencilla que se maneja con un solo botón, también hay muchos sistemas avanzados de medición de luz disponibles para su uso en numerosas aplicaciones diferentes. Estos pueden incorporarse a sistemas automatizados que pueden, por ejemplo, limpiar las lámparas cuando se detecta una determinada reducción en la salida o que pueden activar una alarma cuando se produce un fallo en la lámpara.
En el instrumento [Heyde], se utilizan prismas de vidrio azul para eliminar la luz reflejada del objeto. Se mira a través del ocular y se gira la parte más gruesa de los prismas (uno o ambos, según la luminosidad del objeto) hasta que se suprimen los detalles de las sombras. Consultando las tablas, se puede encontrar fácilmente la exposición necesaria.
![Medidor de extinción de Leudi[2]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/17/Leudi_extinction_meter.jpg/1280px-Leudi_extinction_meter.jpg)
