Algunos aspectos a conocer sobre la luz, optica y cámara estenopeica

Propagación de la luz

Como se indicó anteriormente, en la óptica geométrica, la luz se propaga como una línea recta a una velocidad aproximada de 3*108 ms-1. La naturaleza ondulatoria de la luz puede ser despreciada debido a que aquí la luz es como un chorro lineal de partículas que pueden colisionar y, dependiendo del medio, se puede conocer cual es su camino a seguir. Éstos rayos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados siguiendo las leyes de la mecánica.

Reflexión y refracción

Artículos principales: Reflexión y Refracción

Reflexión de la luz, un haz choca contra un espejo y se refleja.

El fenómeno más sencillo de esta teoría es la de la reflexión, si pensamos unos minutos en los rayos luminosos que chocan mecánicamente contra una superficie que puede reflejarse. La proporción entre los rayos que chocan y los que salen expedidos está regulada por los ángulos de éstos en relación con una línea perpendicular a la superficie en la que se reflejan. Entonces la ley de reflexión nos dice que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado con la perpendicular al espejo:[1]

(1)

La segunda ley de la reflexión nos indica que el rayo incidente, el rayo reflectado y la normal con respecto a la superficie reflejada están en el mismo plano.[2]

Ley de Snell

Artículo principal: Ley de Snell

El índice de refracción "n" de un medio viene dado por la siguiente expresión, donde v es la velocidad de la luz en ese medio, y "c" la velocidad de la luz en el vacío:

Ya que la velocidad de la luz en los materiales depende del índice de refracción, y el índice de refracción depende de la frecuencia de la luz, la luz a diferentes frecuencias viaja a diferentes velocidades a través del mismo material. Esto puede causar distorsión de ondas electromagnéticas que consisten de múltiples frecuencias, llamada dispersión.

Los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r) entre dos medios y los índices de refracción están relacionados por la Ley de Snell. Los ángulos se miden con respecto al vector normal a la superficie entre los medios:

Lentes

Artículo principal: Lente

Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco situado en el lado de la lente opuesto al objeto. Una superficie de lente cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas.

Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador estará utilizando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es mayor que el ángulo que formaría el objeto si se encontrara a la distancia normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen virtual que formaría un ángulo mayor, por lo que su potencia de aumento sería mayor. La potencia de aumento de un sistema óptico indica cuánto parece acercar el objeto al ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la imagen real y las del objeto aumenta según aumenta la distancia focal.

La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia

focal de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales.

Para otros usos de este término, véase Lente (desambiguación).

Tipos principales de lentes.

Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva.

Las lentes más comunes se basan en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos de luz al incidir en puntos diferentes de la lente. Entre ellas están las utilizadas para corregir los problemas de visión en gafas , anteojos o lentillas. También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios. El primer telescopio astronómico fue construido por Galileo Galilei usando una lente convergente (lente positiva) como objetivo y otra divergente (lente negativa) como ocular. Existen también instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros tipos de ondas electromagnéticas y a los que se les denomina también lentes. Por ejemplo, en los microscopios electrónicos las lentes son de carácter magnético.

En astrofísica es posible observar fenómenos de lentes gravitatorias cuando la luz procedente de objetos muy lejanos pasa cerca de objetos masivos, curvándose en su trayectoria.

Desarrollan una cámara estenopeica que usa átomos en lugar de forones para hacer crecer estructuras de tamaño nanométrico

Aquellos que son aficionados a la fotografía probablemente saben de las delicias de la fotografía estenopeica. Construir una cámara estenopeica de este tipo es muy sencillo. Basta una caja con su interior pintado de negro a la que se le práctica un pequeño orificio (el estenope) por el que se cuela la luz (debe de ser el único lugar por el que esto suceda) cuando se destapa. En la cara contraria, y por dentro, se coloca un negativo o un papel fotográfico que se impresionará con la luz recibida.

10 Jun 2009 | NEOFRONTERAS.COM

En esta configuración la luz sigue las reglas de óptica geométrica, de tal modo que el efecto teleobjetivo se consigue aumentando la distancia entre el agujero y la película. Además la imagen del fondo está siempre enfocada y la profundidad de campo va de cero a infinito.Si el estenope es demasiado grande o está lejos de la película se pierde resolución, cosa que también pasa cuando el agujero es demasiado pequeño, pues la difracción (o la contribución ondulatoria Huygens del efecto emisivo del borde) es mayor, por tanto hay que buscar un equilibrio entre ambos casos. La luminosidad depende del tamaño del estenope, pero como suele ser pequeño siempre se necesitan largas exposiciones.

Según la Mecánica cuántica las partículas también tienen propiedades ondulatorias. De este modo se pueden diseñar experimentos de interferencia o difracción de electrones. Incluso se pueden hacer con átomos completos. El microscopio electrónico se basa precisamente en esto.Unos científicos rusos se plantearon construir una cámara estenopeica atómica de tal modo que en lugar de fotones se emplee átomos para construir una "imagen de materia" de un patrón específico, con estenope de tamaño nanométrico. De este modo ya consiguen hacer crecer micro y nanoestructuras que en un futuro puedan ser útiles en la moderna nanotecnología. Incluso son capaces de crear simultáneamente una secuencia de tales objetos con forma y tamaño controlados. Ya son capaces de obtener tamaños por debajo de los 30 nm, lo que representa una reducción de 10.000 a 1 respecto al tamaño del patrón que hay en la máscara original, pero calculan que podrán llegar a los 6 nm.

En el montaje se usa un haz de iones y un substrato de silicio sobre el que se depositan éstos. Usando una formación lineal de nanoestenopes los investigadores consiguieron crear simultáneamente varios objetos nanoestructurados, tantos como números de estenopes. Si estamos pensando en un chips nanometrico de memoria, por ejemplo, se podría utilizar miles o millones de estenopes para crear miles o millones de estructuras idénticas.En la tecnología tradicional se emplea la fotolitografía, en la que hay un paso previo óptico que está limitado por la difracción y por tanto por la longitud de onda empleada. Por eso ya se emplean rayos ultravioletas o incluso rayos X, que tiene menor longitud de onda que la luz visible. Este nuevo método es más "directo" y hace crecer el objeto directamente sobre el substrato a partir de átomos, moléculas o agregados de casi cualquier material sin la necesidad de intervención de la luz.

La solución adoptada de "cámara nanoestenopeica" es buena y sencilla porque en este

caso no se necesita realizar una "lente" para átomos, algo que sería demasiado complejo. La física es muy similar a la de la cámara estenopeica tradicional. A menor tamaño del diámetro del orificio mejor es la resolución alcanzada. La limitación por difracción vendría dada por la longitud de onda de las ondas de estas partículas (desde el punto de vista mecánico-cuántico), limitación que sería menor conforme se aumentase su velocidad (de manera análoga a un microscopio electrónico) y mayor conforme se disminuye el diámetro del orificio.Se puede llegar a especular con toda una panoplia de dispositivos nanoelectrónico o nanomecánicos crecidos con esta técnica. El tiempo lo dirá.

ESTENOPEICA

 La fotografía estenopeica conocida también como Pinhole, se basa en el principio de la formación de imágenes por medio de haces luminosos que atraviesan un orificio extremadamente pequeño (denominado estenopo) hacia el interior de una cámara oscura, formando una imagen invertida sobre el lado opuesto. Los haces luminosos que ingresan por el estenopo chocan contra la pared opuesta y forman diminutos círculos de confusión que sumados entre si, nos darán una imagen invertida de lo que se encuentra en el exterior. Estos pequeños círculos aparecen ante nuestra vista como un punto y de su tamaño dependerá la nitidez de la imagen, es por ello que el tamaño del estenopo esta estrechamente ligado a la ”longitud focal” de nuestra cámara estenopeica, para reproducir un circulo de confusión lo suficientemente nítido ante nuestro ojos, ya que la nitidez es una cualidad subjetiva y no una propiedad física.

El estenopo es directamente proporcional a la “longitud focal” a mayor “longitud focal” mayor diámetro del estenopo.

Al prescindir de un sistema óptico, logramos una zona nítida (“profundidad de campo”) desde el plano cero (plano de estenopo) a infinito, esto nos brinda una atmósfera diferente a las fotografías tomadas con ópticas, sumado a esto los tiempos de exposición prolongados, la superposición de imágenes o la curvatura del material fotosensible de nuestro negativo, obtenemos una visión mas plástica de la realidad pudiendo explorarla de manera artística.

La Cámara Estenopeica es una herramienta enormemente didáctica que aclara los conceptos mas elementales de fotografía, incluso aquellos que hemos aprehendido de una manera errónea. Con ella podemos visualizar conceptos tales como:

Propiedades físicas de la luz

La luz es energía radiante, su propagación en el espacio es en todo sentido y en línea recta.

A medida que se aleja del foco puntual que la produce pierde intensidad… cuánto? 

Pierde en su intensidad 4 veces por cada doble de  distancia recorrida.

Por eso se dice que la propiedad física de la luz obedece a la “Ley del inverso de los cuadrados”

Por ejemplo: si tenemos una ventana de 1 m2 y a espaldas de ella y a 3 mts leemos un libro y luego nos alejamos 6 mts (el doble de distancia) para que nos llegue la misma intensidad de luz, tendríamos que tener un ventana de 4 m2, 4 veces mas grande, lo cual es la misma intensidad que hemos perdido por alejarnos el doble.

Longitud Focal

La longitud focal en una cámara fotográfica convencional es la distancia que existe entre el punto nodal* y el plano focal.

En nuestra cámara estenopeica, la longitud focal esta dada por la distancia que va desde el estenopo a la película (plano focal).

 * Punto nodal: intersección entre un plano imaginario (determinado por el fabricante de la lente) y el eje óptico de la misma. 

La longitud focal normal de una cámara fotográfica de 35 mm es de 50 mm

La longitud focal normal de una cámara  fotográfica de 6x6 es de 80 mm.

Podemos construir cámaras estenopeicas  con visión gran angular, normal o tele.

DIAFRAGMA

El diafragma es el área útil por donde ingresa la luz a la cámara, su área es variable, sus escalas en números enteros son: 

1,4 – 2 – 2,8 – 4 – 5,6 – 8 – 11 – 16 – 22 – 32 – 45 - 64 – 90 – 128 – 180 – 256 – 360

Cada diafragma anterior es el doble en área que el posterior y en consecuencia cada diafragma posterior es la mitad en área que el anterior.

Es decir:

Un diafragma 8 deja entrar el doble de luz que un 11

 

Un diafragma 11 deja entrar la mitad de luz que un 8

  Al doble y a la mitad

En nuestras cámaras estenopeicas los números f suelen ser 128, 180, 256.

Velocidad de Obturación

La velocidad de Obturación de una cámara fotográfica es el tiempo que las cortinillas del obturador permanecen abiertas para dejar pasar la luz que ha ingresado por el diafragma y va ha impresionar la película.

Sus escalas van desde bulbo para tiempos prolongados en forma manual, hasta fracciones de segundos.

B – 1” – 2 – 4 – 8 – 15 – 30 – 60 – 125 – 250 – 500 – 1000 – 2000 – 4000 – 8000 

Cada punto de velocidad es el doble de rápido que su punto anterior y la mitad mas lento que su punto posterior.

Al doble y a la mitad

En nuestra cámara estenopeica los tiempos van desde 1” a minutos , dependiendo de la iluminación de la toma y del material fotosensible utilizado.

 

SENSIBILIDAD DE LA PELICULA

Es la capacidad que tienen las películas de reaccionar frente a  una energía luminosa con mayor o menor rapidez

Antes los grados de sensibilidad de las películas se determinaban en A.S.A normas Americanas y D.I.N normas Alemanas, hoy están convencionalizadas en un solo grado I.S.O .

En los comienzos de la fotografía los materiales fotosensibles era muy lentos, algunos menores a 1 ASA con lo cual los tiempos de exposición eran muy largos (algo así sucede en nuestras cámaras estenopeicas) 

GRADOS I.S.O.

 3 – 6 – 12 – 25 – 50 – 100 – 200 – 400 – 800 – 1600 – 3200 –

 Cada punto es 2 veces más sensible que su inmediato anterior y la mitad de la sensibilidad de su inmediato posterior.

 Al doble y a la mitad

LEY DE RECIPROCIDAD

La fotografía se apoya sobre tres pilares fundamentales:

Diafragma: abertura específica por donde ingresa el haz luminoso

Velocidad de Obturación: tiempo necesario que permanece abierta la cortinilla del obturador. 

Sensibilidad: capacidad de reacción del material fotosensible ante la presencia de un haz luminoso.

La correcta combinación de estos tres elementos frente a una situación luminosa, darán buenos resultados en nuestra toma.

Si exponemos una película de 100 ISO en un día soleado con una velocidad de 125 y un f 16, también podremos hacer la siguiente relación:

Velocidad        Diafragma

 

125                   16

250                  11

500                    8

1000                   5,6

Al abrir un punto mas de diafragma entra el doble de luz o energía; pero al aumentar al doble la velocidad de obturación, nos llega a la película la misma cantidad de energía luminosa por lo tanto la toma estará bien expuesta.

 

VALOR DE EXPOSICION

Está estrechamente ligado a la ley de reciprocidad. 

Valor de Exposición  =  Exposure Value

 E.V = i x t

 i = intensidad lumínica

t = tiempo de exposición

 

Es decir la cantidad de energía lumínica que actúa sobre una emulsión, puede regularse mediante dos mecanismos diferentes:

I = intensidad lumínica regulada por la abertura del diafragma

T = tiempo de exposición regulado por las cortinillas del obturador.

Cámara oscura (estenopeica) o pinhole

Por Jorge Lorenzón

       http://espanol.oocities.com/ctofoto/articulo_estenopeica.html

La característica principal de una cámara oscura es que carece de lente. Se reemplaza por una diminuta perforación en una lámina de aluminio en el frente.

Como de esa manera, la apertura del diafragma es extremadamente pequeña, la profundidad de campo es prácticamente infinita.

Hasta acá, definiciones frías de lo que esta técnica representa. Lo concreto es que nos da la posibilidad de recrear lo que fue la fotografía en sus comienzos.

Para la realización de la cámara se puede usar cualquier recipiente hermético a la luz que te puedas imaginar (preferentemente pintado de negro mate en su interior para evitar reflejos parásitos). Al cual se le realizará una perforación de unos milímetros, a los efectos de alojar la lámina de aluminio (previamente agujereada) en su interior.

Mas adelante veremos como calcular el diámetro de la perforación. Pero es importante que no tenga salientes, es decir se perfora la lámina con algún elemento punzante del diámetro adecuado (alfiler, aguja de jeringa, etc.) de un lado, se lija muy suavemente con lija muy fina del otro lado. Se repasa la perforación del lado que se lijó. Asegurándose de no agrandar la misma.

Es más difícil explicarlo que hacerlo.

Como material sensible se puede usar papel RC, negativo B/N , color o diapositiva. La ventaja de usar papel fotosensible es que no hace falta ampliadora para obtener copias de tamaño importante. El papel expuesto se revela a la luz inactínica (roja para ortocromático) y se obtiene un negativo de papel. Con la ayuda de un vidrio limpio y sin arañazos, y una lámpara de escritorio (provista de un atenuador sería ideal) se obtendrá la copia final por contacto. El negativo y el papel a copiar se colocan emulsión con emulsión.

FORMULAS

Vamos a ver una serie de cálculos que nos permitirán deducir el tiempo de exposición que le daremos a la toma. No te asustes que es fácil.

Existe una relación directa entre la distancia focal de la cámara (longitud de la caja) y el diámetro del orificio a practicar (diafragma) en la lámina de aluminio. Esta relación viene dada por la siguiente expresión:

Diámetro = 0,04 x V dist. focal

Este diámetro es el considerado ideal. Esto significa que generará imágenes bien definidas. Lo cual no siempre es el efecto buscado (softfocus, etc.).

Ahora que tenemos el diámetro del orificio podemos calcular el f/stop de nuestra cámara casera. Como ya sabemos (¿?).

F/stop = distancia focal / diámetro

Vamos con un ejemplo:

Supongamos que usaremos una caja de zapatos (pintada de negro en su interior) para construir nuestra cámara. Medimos el alto de la caja (dist. Focal) y es de 10cm (100mm)

Entonces:

Diámetro = 0,04 x = 0,4 mm (4 décimas de mm)

F/stop = 100 mm / 0,4 mm = 250 fácil no ?

Ahora sabemos que nuestra cámara estará diafragmando a 250 cuando tome la fotografía. Calculemos el tiempo de exposición. Hay una vieja regla empírica en fotografía, llamada "Sunny 16" (soleado 16) que nos da una idea aproximada del valor de la exposición.

La misma dice que en un día soleado, con el sol iluminando plenamente al modelo el valor de la exposición será diafragma 16 y el tiempo 1/asa de la película expresado en segundos (o cualquier otra combinación que de el mismo valor de exposición).

Si a nuestra cámara la hemos cargado con papel RC (de ampliación), el mismo tiene un asa de aproximadamente 4 (según mi experiencia).

Entonces la exposición en un día soleado es diafragma 16 y tiempo ¼ seg. Pero la cámara que hemos construido no tiene un diafragma de 16 sino de 250, tenemos que ajustar la exposición a ese diafragma. (Ahora agarráte fuerte que vamos a pensar un rato )

Veamos los pasos de diafragma que separan f/16 de f/250

16 22 32 45 64 90 128 180 256

Los separan 8 pasos, por lo que tendremos que aumentar 8 veces el tiempo de exposición

¼ ½ 1 2 4 8 16 32 64 segundos

En un día soleado la exposición será de 64 segundos si el sol ilumina plenamente el objeto a fotografiar. Si la iluminación fuera lateral o el cielo estuviera nublado doblaremos el tiempo de exposición.

A continuación vemos un ejemplo de una fotografía que tomé en estas condiciones de exposición. Nótese la exagerada profundidad de campo lograda. Tanto el dinero en primerísimo plano, como las ramas de los árboles en el infinito, salieron en foco.

Este apunte es solamente una guía que te hará ahorrar tiempo (y papel) basada en los problemas que me encontré, y los errores que cometí cuando comencé con este mundo mágico de la fotografía sin lente. Pero nada más que eso, tu propia experiencia e investigación serán las que te guíen hacia el perfeccionamiento de esta técnica.