Es muy probable que en tu vida diaria estés bastante acostumbrado al uso de una cámara de fotos. Aunque durante mucho tiempo eran dispositivos que requerían de un proceso especializado para poder revelar las fotos y obtener así la imagen final, a día de hoy, gracias a las cámaras digitales, la obtención de esta es inmediata. A pesar de la evolución experimentada, los principios físicos que gobiernan su comportamiento han permanecido practicamente intactos. En este apartado vamos a estudiar las cámaras, desde el punto de vista de la óptica geométrica, a través de los siguientes puntos:

Cámaras en la sociedad actual.

Cámaras en la sociedad

En una sociedad cada vez más inundada de imágenes, el uso de las cámaras está ampliamente extendido. Las hay de muchos tipos y precios y su incorporación a los teléfonos móviles ha contribuido enormemente a su expansión. En este apartado vamos a aprender su mecanismo de funcionamiento fundamental.

¿Preparado para empezar?

Funcionamiento

A nivel muy básico, una cámara fotográfica es una caja oscura en el interior de la cual se sitúa una lente denominada objetivo cuya función es proyectar sobre una película o sobre un sensor fotosensible los rayos del objeto u objetos que deseamos captar. Dado que la imagen debe ser real ( y no virtual, para que se proyecte sobre el elemento fotosensible), la lente debe ser convergente, como pudiste aprender aquí.

comparación de cámara fotográfica y ojo humano

Cámara y ojo humano

El funcionamiento de una cámara es muy parecido al del ojo humano. El elemento de enfoque es el objetivo y hace las veces de cornea/cristalino , proyectando una imagen real e invertida del objeto en cuestión sobre algún material fotosensible, que hace las veces de retina.

Estructura y parámetros

estructura interna cámara de fotos

Elementos de una cámara

Para estudiar los elementos principales de una cámara, nos basaremos en una réflex como la de la figura. En este tipo de cámaras el fotógrafo ve exactamente lo que va a fotografiar sin ningún tipo de desviación. En la imagen, además de resaltar la trayectoria que sigue la luz en el interior de la cámara, puedes ver sus partes principales, cuyo funcionamiento te iremos explicando:

Objetivo y diafragma

El objetivo es una de las partes más importantes de la cámara. Ya hemos visto su función. En realidad se trata de un sistema de lentes que, en conjunto, deben comportarse como una lente convergente ideal. Su función es formar la imagen real e invertida sobre el fondo de la cámara. Las cámaras reflex permiten cambiar esta parte, para poder incorporar distintos tipos de objetivos, cada uno con sus propias características.

El objetivo cuenta con un dispositivo regulable denominado diafragma que sirve para controlar la cantidad de luz que accede al interior de la cámara. Si el objetivo hacía las veces del sistema cornea/cristalino en el símil con el ojo humano, el diafragma hace las veces de iris: controla el tamaño de la abertura por la que entran los rayos de luz, esto es, el tamaño de la pupila, en nuestro símil humano.

Diafragmas con distinta abertura

El diafragma

Para conseguir la abertura deseada, el diafragma suele estar formado por un sistema de aletas o un disco regulable. En la figura se observan dos disposiciones distintas que hacen que el diámetro de la abertura sea distinto, pasando más luz en el diafragma derecho que en el izquierdo.

Características de un objetivo

  • Distancia focal: Se expresa en milímetros (por ejemplo focal de 24mm) y marca la distancia desde el centro óptico del objetivo hasta el punto en el que convergen los rayos provenientes del infinito (es decir, hasta el foco imagen). A mayor distancia focal del objetivo, imágenes más grandes se producen y, en consecuencia, menor ángulo de visión (compruébalo aquí). Algunos objetivos permiten seleccionar un rango de distancias focales, mediante una rueda en la montura que cambia la posición de las lentes

    Fotos tomadas con distintas distancias focales

    Variando la distancia focal

    En la imagen puedes ver el efecto de utilizar objetivos con distintas distancias foca: 105 mm, 200mm y 300mm respectivamente. Todas las fotos de la serie se han tomado a la misma distancia.

  • Abertura: El tamaño máximo de la abertura del diafragma está limitado por el diámetro efectivo de la propia lente. Así, en las especificaciones de los objetivos se suele dar un valor máximo (y a veces también uno mínimo) de abertura o apertura. Este valor máximo es muy importante ya que permite caracterizar la máxima luminosidad que la lente puede alcanzar. Concretamente, esta es proporcional a la superficie de la lente, es decir, Lαπ(D/2)2.

    Para cuantificar la abertura de un objetivo se utiliza el número f o relación focal  , denotado por N. Existen distintas notaciones posibles:  F:N, F/N , 1:N o 1/N. Todas indican que el valor del diámetro es igual al valor de la distancia focal dividido entre el número f. Así, y según la relación con la luminosidad indicada anteriormente, un objetivo de abertura máxima F:2.8 puede llegar a tener hasta el doble de luminosidad que uno F:4, siempre que estén usando igual distancia focal. Observa:

    L1L2=k·F/2.82R12k·F/42R22=2

    Luminosidad y número F

    Luminosidad y número F

    La lente de la izquierda, de mayor diámetro efectivo puede proporcionar una mayor luminosidad que la derecha, al ser atravesada por más rayos de luz. Recuerda que D y N son inversamente proporcionales ( N = f/D ).

Recuerda, no debes confundir el número f, abreviado N, con la distancia focal, que nosotros denotamos por f pero que también podrás ver abreviada como F.

Como ejemplo concreto, imagina que un objetivo comercial indica 16-42mm 1:2.8-5.6. Esto significa que la distancia focal mínima del objetivo es 16mm y la máxima 42mm. Además, para su distancia focal mínima su abertura máxima es F:2.8 (es decir, diámetro máximo de objetivo de D=f/N=16/2.8=5.71 mm) y para su distancia focal máxima su abertura máxima es de F:5.6 ( es decir, diámetro máximo de objetivo de D=f/N=42/5.6=7.5 mm).

Obturador y elemento fotosensible

El obturador es el mecanismo a modo de cortinilla que se abre cuando se presiona el disparador. De esta manera la imagen se forma al fondo de la cámara, en un elemento fotosensible donde, de una manera u otra, queda grabado. En el símil del ojo dicho elemento fotosensible corresponde a la retina.

Antiguamente se utilizaba una película, el carrete, que contenía sales de plata que generaban una reacción fotoquímica al contacto con la luz. Dicha película contaba con varias celdas, cada una de las cuales servía para una foto distinta. De manera manual o de manera automática, a medida que se iban tomando las fotos, se colocaba una nueva celda tras el obturador. Una vez terminada, la película debía ser revelada.

Carrete fotográfico y revelado de fotos

Carrete fotográfico y revelado de fotos

El revelado de fotos era el proceso, normalmente realizado en un laboratorio, gracias al cual se obtenían las fotos finales a partir de las impresiones químicas que tenía la película fotográfica. En la ilustración superior, el carrete fotográfico en el que cada celda corresponde al negativo de una foto (se denomina así porque los colores obtenidos eran los inversos de los colores finales). En la inferior, gracias al proceso de revelado, los colores se positivaban y se obtenían las fotos deseadas en papel.

Actualmente el elemento fotosensible suele ser un sensor electrónico formado por millones de fotodiodos o fototransistores que capturan la luz y la convierten en señales eléctricas que, tras ser debidamente procesadas, pueden ser almacenadas en cualquier memoria digital.

Sensor fotosensible y píxeles.

Sensor fotosensible y pixeles

En la imagen aparece un sensor eléctrico típico de cualquier cámara digital. Está compuesto de diminutos sensores sensibles a la luz, invisibles a simple vista, cada uno de ellos denominado píxel ( picture element). Su número se suele dar en millones, con el prefijo mega. Así, se habla de 6 Mpx (6 megapixeles = 6 millones de píxeles) o 10 Mpx (10 megapixeles = 10 millones de píxeles)

Puedes pensar en cada pixel como los puntos que formarán tu fotografía, cada uno de los cuales es capaz de tomar un sólo color. Aunque el número de megapixeles es un factor de calidad importante, no es el único. También lo es, por ejemplo el tamaño del propio sensor: Si tienes un sensor de 36 × 24 mm y una cámara de 10 Mpx, sus pixels serán más grandes que si la el sensor tiene una superficie de 23.5 × 15.7 mm y los mismos 10 Mpx, por ejemplo.

Exposición

A mayor diámetro del objetivo mayor luminosidad y por tanto menor el tiempo que el obturador debe estar abierto para tomar correctamente una fotografía. A este tiempo se le denomina tiempo de exposición

En fotografía el tiempo que permanece abierto el obturador determina, junto a la abertura del objetivo, el valor de exposición. Este valor es una manera de cuantificar la cantidad de luz obtenida en una fotografía. Se define como:

V.E.=log2N2t=3.32·logN2t

Donde:

  • V.E. : Valor de exposición. Observa que puedes aumentar su valor aumentando el valor f (es decir, disminuyendo el radio del diafragma) o disminuyendo el tiempo de exposición ( el tiempo que el obturador permanece abierto )
  • N : Número f. Es, como hemos visto, la relación entre el diámetro del objetivo D y la distancia focal usada F según N=F/D
  • t : Tiempo de exposición. Es el tiempo, expresado en segundos, que el obturador permanece abierto

Los elementos fotosensibles tienen asociado un número denominado ISO que indica su sensibilidad a la luz. Cuanto más alto sea este número, mayor la sensibilidad a la luz del elemento fotosensible. Este número cambiaba según el material de la película utilizada, pero a día de hoy, en las cámaras digitales, suele haber un único ISO nativo (normalmente ISO 100). La combinación ISO - valor de exposición es vital en el resultado lumínico que se obtiene en una fotografía.

Visor

Gracias al visor, el fotógrafo puede ver en todo momento una imagen de la fotografía que va a tomar. Observa, en la imagen inferior, el recorrido que sigue la luz. Esta se refleja primeramente en el espejo reflex, y luego en un pentaprisma, antes de llegar al visor. Este espejo y los prismas superiores son la clave para conseguir que la visión a través del visor sea la misma que la que quedará "dibujada" en el elemento fotosensible. Existen cámaras en las que este mecanismo no existe y el visor muestra una imagen ligeramente desplazada respecto a la que se tomará en la fotografía final

Funcionamiento del visor

Funcionamiento del visor

El visor es la apertura por la cual sale la luz proveniente del objetivo cuando te preparas para tomar la fotografía, tal y como se pone de manifiesto en la ilustración izquierda. Cuando pulsas el disparador, en la imagen derecha, el espejo bascula, permitiendo a la luz pasar a través del obturador recién abierto.

Y ahora... ¡Ponte a prueba!

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Ficha de fórmulas

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Valor de exposición

V.E.=log2N2t=3.32·logN2t

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