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 internos de la cámara electrónica y el proceso de revelado de películas para tomar y revelar fotografías correctamente. [1]
La tecnología fundamental de la mayoría de la fotografía, ya sea digital o analógica, 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 agujero muy pequeño en un lado, que proyecta una imagen del mundo exterior en el lado opuesto. Esta forma a menudo se conoce como cámara estenopeica .
Con la ayuda de una lente, el orificio de la cámara no tiene que ser pequeño para crear una imagen nítida y distinta, y el tiempo de exposición se puede reducir, lo que permite que las cámaras se utilicen en la mano.
Una lente fotográfica generalmente se compone de varios elementos de lente , que se combinan para reducir los efectos de la aberración cromática , coma , aberración esférica y otras aberraciones . Un ejemplo sencillo es el triplete de Cooke de tres elementos , todavía en uso más de un siglo después de su diseño, 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 mediante el uso de un elemento asférico , pero son más complejos de pulir que las lentes esféricas o cilíndricas. Sin embargo, con las técnicas de fabricación modernas, el coste adicional de fabricar lentes asféricas está disminuyendo, y ahora se pueden fabricar pequeñas lentes asféricas mediante moldeo, lo que permite su uso en cámaras de consumo económicas. Las lentes Fresnel no son habituales en fotografía y se utilizan en algunos casos debido a su bajísimo peso. [3] La lente monocéntrica de fibra acoplada recientemente desarrollada consta de esferas construidas con carcasas hemisféricas concéntricas de diferentes vasos unidas al plano focal mediante haces de fibras ópticas. [4] Las lentes monocéntricas tampoco se utilizan en cámaras porque la tecnología debutó recientemente en octubre de 2013 en la Conferencia Frontiers in Optics en Orlando, Florida.
Todo diseño de lentes es un compromiso entre numerosos factores, sin excluir el costo. Las lentes con zoom (es decir, lentes de distancia focal variable) implican compromisos adicionales y, por lo tanto, normalmente no igualan el rendimiento de las lentes fijas .
Cuando la lente de una cámara se enfoca para proyectar un objeto a cierta distancia sobre la película o el detector, los objetos que están más cerca en relación con el objeto distante también están aproximadamente enfocados. El rango de distancias que están casi enfocadas se llama profundidad de campo . La profundidad de campo generalmente aumenta al disminuir el diámetro de apertura (aumentando el número f). El desenfoque desenfocado fuera de la profundidad de campo se utiliza a veces para lograr efectos artísticos en la fotografía. La apariencia subjetiva de este desenfoque se conoce como bokeh .
Si la lente de la cámara está enfocada a su distancia hiperfocal o más allá , entonces la profundidad de campo se vuelve grande, cubriendo todo desde la mitad de la distancia hiperfocal hasta el infinito . Este efecto se utiliza para hacer cámaras " sin enfoque " o de enfoque fijo.
Las aberraciones son las propiedades borrosas y distorsionantes de un sistema óptico . Una lente de alta calidad producirá una menor cantidad de aberraciones.
La aberración esférica se produce debido al aumento de la refracción de los rayos de luz que se produce cuando los rayos inciden en una lente, o al reflejo 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 distancia focal de una lente esférica y de la distancia desde su centro. Se compensa diseñando un sistema multilente o utilizando una lente asférica .
La aberración cromática es causada por una lente que tiene un índice de refracción diferente para diferentes longitudes de onda de luz y la dependencia de las propiedades ópticas del color . La luz azul generalmente se curvará más que la luz roja. Existen aberraciones cromáticas de orden superior, como la dependencia del aumento del color. La aberración cromática se compensa mediante el uso de una lente fabricada con materiales cuidadosamente diseñados para cancelar las aberraciones cromáticas.
La superficie focal curva es la dependencia del enfoque de primer orden de la posición en la película o CCD. Esto se puede compensar con un diseño óptico de múltiples lentes, pero también se ha utilizado la curvatura de la película.
El enfoque es la tendencia de los rayos de luz a llegar al mismo lugar del sensor de imagen o de la película, independientemente de por dónde pasen a través de la lente. Para obtener imágenes claras, el enfoque se ajusta a la distancia, porque a diferentes distancias del objeto los rayos llegan a diferentes partes de la lente con diferentes ángulos. En la fotografía moderna, el enfoque suele realizarse de forma automática.
El sistema de enfoque automático de las SLR modernas utiliza un sensor en la caja del espejo para medir el contraste. La señal del sensor es analizada por un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), y el ASIC intenta maximizar el patrón de contraste moviendo elementos de la lente. Los ASIC de las cámaras modernas también tienen algoritmos especiales para predecir el movimiento y otras funciones avanzadas.
Dado que la luz se propaga como ondas, los patrones que produce en la película están sujetos al fenómeno ondulatorio 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 efecto principal que limita la nitidez de las imágenes ópticas de lentes que se limitan a aperturas pequeñas (números f altos), mientras que las aberraciones son el efecto limitante en aperturas grandes (números f bajos). Dado que la difracción no se puede eliminar, la mejor lente posible para una determinada condición operativa (ajuste de apertura) es aquella que produce una imagen cuya calidad está limitada únicamente por la difracción. Se dice que una lente de este tipo tiene difracción limitada .
El tamaño del punto óptico limitado por difracción en el CCD o en la película es proporcional al número f (aproximadamente igual al número f multiplicado por la longitud de onda de la luz, que está cerca de 0,0005 mm), lo que hace que el detalle general de una fotografía sea proporcional al tamaño de la película, o 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 criterio para distinguir objetos distantes: dos fuentes puntuales distantes sólo pueden producir imágenes separadas en la película o en el sensor si su separación angular excede la longitud de onda de la luz dividida por el ancho de la abertura abierta. de la lente de la cámara.
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. Como tal, las películas y los papeles de impresión disponibles para fotografía analógica rara vez dependen de ningún otro proceso químico para registrar una imagen.
Daguerrotipo ( / d ə ˈ ɡ ɛər ( i . ) ə ˌ t aɪ p , -( i . ) oʊ -/ ⓘ;[5][6] French: daguerréotype) was the first publicly available photographic process; it was widely used during the 1840s and 1850s. "Daguerreotype" also refers to an image created through this process.
The collodion process is an early photographic process. The collodion process, mostly synonymous with the "collodion wet plate process", requires the photographic material to be coated, sensitized, exposed and developed within the span of about fifteen minutes, necessitating a portable darkroom for use in the field. Collodion is normally used in its wet form, but can also be used in dry form, at the cost of greatly increased exposure time. The latter made the dry form unsuitable for the usual portraiture work of most professional photographers of the 19th century. The use of the dry form was therefore mostly confined to landscape photography and other special applications where minutes-long exposure times were tolerable.
Cyanotype is a photographic printing process that produces a cyan-blue print. Engineers used the process well into the 20th century as a simple and low-cost process to produce copies of drawings, referred to as blueprints. The process uses two chemicals: ferric ammonium citrate and potassium ferricyanide.
Platinum prints, also called platinotypes, are photographic prints made by a monochrome printing process involving platinum.
Gum bichromate is a 19th-century photographic printing process based on the light sensitivity of dichromates. It is capable of rendering painterly images from photographic negatives. Gum printing is traditionally a multi-layered printing process, but satisfactory results may be obtained from a single pass. Any color can be used for gum printing, so natural-color photographs are also possible by using this technique in layers.
Una impresión cromogénica , también conocida como impresión C o impresión tipo C , [7] una impresión de haluro de plata , [8] o una impresión acopladora de tinte , [9] es una impresión fotográfica hecha a partir de un negativo en color , transparencia o digital. Imagen y revelada mediante un proceso cromogénico . [10] Están compuestos 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]
Un sensor de imagen o generador de imágenes es un sensor que detecta y transmite información utilizada para crear una imagen. Lo hace convirtiendo la atenuación variable de las ondas de luz (a medida que atraviesan o se reflejan en los objetos) 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 electrónicos de imágenes tanto de tipo analógico como digital, que incluyen cámaras digitales, módulos de cámara, teléfonos con cámara, dispositivos de mouse óptico,[1][2][3] equipos de imágenes médicas, equipos de visión nocturna como imágenes térmicas. dispositivos, radares, sonares y otros. A medida que la tecnología cambia, las imágenes electrónicas y digitales tienden a reemplazar las imágenes químicas y analógicas.
La ley de reciprocidad describe cómo se compensan la intensidad y la duración de la luz para realizar 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 suelen medirse en unidades conocidas como "paradas"; una parada es igual a un factor de dos.
Se puede reducir a la mitad la cantidad de luz que expone la película:
Asimismo, se puede lograr duplicar la cantidad de luz que expone la película mediante una de estas operaciones.
La luminancia de la escena, medida con un fotómetro reflejado , 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 paradas o fracciones de paradas. Con cualquiera de estos cambios, la apertura o la velocidad de obturación se pueden ajustar en el mismo número de pasos para llegar a 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 . Usar película más rápida o más lenta no suele ser algo que se pueda hacer rápidamente, al menos usando película en rollo. Las cámaras de gran formato utilizan hojas de película individuales y cada hoja puede tener una velocidad diferente. Además, si estás utilizando 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 enF 16, la profundidad de campo podría reducirse abriendo la apertura paraf /4, un aumento de la exposición de 4 paradas. Para compensar, también sería necesario aumentar la velocidad de obturación en 4 pasos, es decir, ajustar el tiempo de exposición a 1/1000. Cerrar la apertura 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 largas con luz muy tenue, como fotografiar un cielo estrellado, o exposiciones muy cortas con luz muy brillante, como 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 rayada distintiva en el objeto en movimiento o en toda la imagen (en el caso de que la cámara se mueva).
El desenfoque de movimiento se puede utilizar artísticamente para crear la sensación de velocidad o movimiento, como ocurre con el agua corriente. Un ejemplo de esto es la técnica de " panning ", donde la cámara se mueve para seguir al sujeto, que generalmente se mueve rápidamente, como un automóvil. Si se hace correctamente, esto dará una imagen de un sujeto claro, pero el fondo tendrá un desenfoque de movimiento, dando 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 aún más dificultades para enfocar.
Los 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 larga exposición de carreteras durante la noche son un ejemplo del 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 rastros de estrellas.
Generalmente, 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 esté 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 comúnmente citada es que la velocidad de obturación en segundos debe ser aproximadamente el recíproco de la distancia focal equivalente a 35 mm de la lente en milímetros. Por ejemplo, se debe utilizar una lente de 50 mm a una velocidad mínima de 1/50 de segundo, y una lente de 300 mm a 1/300 de segundo. Esto puede causar dificultades cuando se utiliza en escenarios con 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 usando una velocidad de obturación más rápida. La velocidad de obturación exacta dependerá de la velocidad a la que se mueva el sujeto. Por ejemplo, será necesaria 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 movimiento borroso 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 aproximadamente. Existen técnicas adicionales que, junto con el uso de un trípode, garantizan que la cámara permanezca muy quieta. Estos pueden emplear el uso de un actuador remoto, como un disparador por cable o un interruptor remoto por infrarrojos para activar el obturador, a fin de evitar el movimiento normalmente causado cuando se presiona directamente el botón disparador. El uso de un "disparador automático" (un mecanismo de disparo programado que activa automáticamente el disparador después de un intervalo de tiempo) puede servir para el mismo propósito. La mayoría de las cámaras réflex de lente única (SLR) modernas tienen una función de bloqueo del espejo que elimina la pequeña cantidad de vibración producida al levantar el espejo.
La película en blanco y negro tiene un lado "brillante" y un lado "opaco". El lado aburrido es la emulsión , una gelatina que suspende una serie de cristales de haluro de plata . Estos cristales contienen granos de plata que determinan qué tan sensible es la película a la exposición a la luz y qué tan fino o granulado se verá el negativo. 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. El granulado de la película está representado 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 viene 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 cómo 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 que fluya la corriente eléctrica. Dependiendo del material, los fotones tienen suficiente energía para elevar un electrón desde la banda superior llena hasta la banda vacía más baja. El electrón y el "agujero", o el espacio vacío donde se encontraba, quedan entonces libres para moverse en el campo eléctrico y transportar corriente, que puede medirse. 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 alias puede ocurrir en el procesamiento óptico y químico, pero es más común y más fácil de entender en el procesamiento digital. Ocurre siempre que 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 al desenfocar intencionalmente la imagen para que coincida con la frecuencia de muestreo. Es común que los equipos de revelado de películas utilizados para realizar impresiones de diferentes tamaños aumenten el granulado de las impresiones de menor tamaño mediante aliasing.
Generalmente es deseable suprimir tanto los ruidos como el grano y los detalles del objeto real que son demasiado pequeños para ser representados a la frecuencia de muestreo.