Abertura
En óptica, una apertura es un agujero o una abertura a través de la cual viaja la luz. Más específicamente, la apertura y la distancia focal de un sistema óptico determinan el ángulo del cono de un haz de rayos que se enfocan 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 pueden 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 paradas, y la parada de apertura es la parada que determina principalmente el ángulo del cono de rayos y el brillo en el punto de la imagen.
En algunos contextos, especialmente en fotografía y astronomía, apertura se refiere al diámetro del tope de apertura en lugar del tope físico o la abertura en sí. Por ejemplo, en un telescopio, el tope de apertura suele ser los bordes de la lente o el espejo del objetivo (o de la montura que lo sujeta). Entonces se habla de un telescopio que tiene, por ejemplo, una apertura de 100 centímetros. Tenga en cuenta que el tope de apertura no es necesariamente el tope más pequeño del sistema. La ampliación y desmagnificación por lentes y otros elementos pueden hacer que una parada relativamente grande sea la parada de apertura del sistema. En astrofotografía, la apertura se puede dar como una medida lineal (por ejemplo, en pulgadas o mm) o como la relación adimensional entre esa medida y la distancia focal. En otras fotografías, generalmente se da como una proporción.
A veces, los diafragmas y los diafragmas se denominan aperturas, incluso cuando no son el diafragma de apertura del sistema.
La palabra apertura también se usa en otros contextos para indicar un sistema que bloquea la luz fuera de una determinada región. En astronomía, por ejemplo, una apertura fotométrica alrededor de una estrella generalmente corresponde a una ventana circular alrededor de la imagen de una estrella dentro de la cual se asume la intensidad de la luz. La palabra "apertura" también se usa como un pequeño agujero, similar a una mirilla. Por ejemplo, en términos militares, la apertura de un búnker significa un pequeño agujero hecho artificialmente o por medios naturales. La abertura de un búnker se puede usar para proteger el cuerpo del fuego enemigo mientras se logra una línea de visión clara. (Combate de infantería/El pelotón de fusileros/John F. Antal p.91)
Solicitud
El tope de apertura 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, como en un telescopio donde se quiere recoger la mayor cantidad de luz posible; o deliberada, para evitar la saturación de un detector o la sobreexposición de la película. En ambos casos, el tamaño del tope de apertura está limitado por cosas distintas a la cantidad de luz admitida; sin embargo:
- El tamaño de la parada es un factor que afecta la profundidad del campo. Paradas más pequeñas (números más grandes) producen una mayor profundidad de campo, permitiendo que los objetos a una amplia gama de distancias del espectador a todos estén en foco al mismo tiempo.
- La parada limita el efecto de las aberraciones ópticas. Si la parada es demasiado grande, la imagen será distorsionada. Los diseños de sistemas ópticos más sofisticados pueden mitigar el efecto de las aberraciones, permitiendo una parada más grande y por lo tanto mayor capacidad de recogida de luz.
- La parada determina si la imagen será vignetada. Las paradas más grandes pueden hacer que la intensidad que llega a la película o detector caiga hacia los bordes de la imagen, especialmente cuando, para puntos fuera del eje, una parada diferente se convierte en la parada de apertura en virtud de cortar más luz que la parada que fue la parada de apertura en el eje óptico.
- Una parada de abertura más grande requiere una óptica de diámetro más grande, que son más pesados y más caros.
Además de una parada de apertura, una lente fotográfica puede tener una o más paradas de campo, que limitan el campo de visión del sistema. Cuando el campo de visión está limitado por una parada de campo en la lente (en lugar de en la película o el sensor), se produce viñeteado; esto es solo un problema si el campo de visión resultante es menor que el deseado.
La pupila biológica del ojo es su apertura en la nomenclatura óptica; el iris es el diafragma que sirve como tope de apertura. La refracción en la córnea hace que la apertura efectiva (la pupila de entrada en el lenguaje de la óptica) difiera ligeramente del diámetro físico de la pupila. La pupila de entrada suele tener unos 4 mm de diámetro, aunque puede oscilar entre 2 mm (f/8,3) en un lugar muy iluminado y 8 mm (f/2.1) en la oscuridad.
En astronomía, el diámetro del tope de apertura (llamado apertura) es un parámetro crítico en el diseño de un telescopio. En general, uno desearía que la apertura fuera lo más grande posible, para recolectar la máxima cantidad de luz de los objetos distantes que se están fotografiando. Sin embargo, el tamaño de la abertura está limitado en la práctica por consideraciones de costo y peso, así como por la prevención de aberraciones (como se mencionó anteriormente).
Las aperturas también se utilizan en el control de la energía del láser, la técnica de exploración en z de apertura cercana, difracciones/patrones y limpieza del haz. Las aplicaciones láser incluyen filtros espaciales, Q-switching, control de rayos X de alta intensidad.
En microscopía de luz, la palabra apertura se puede usar con referencia al condensador (cambia el ángulo de la luz en el campo de la muestra), al iris de campo (cambia el área de iluminación) o posiblemente a la lente del objetivo (forma la imagen primaria). Ver Microscopio óptico.
En fotografía
El tope de apertura 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 de apertura regulará el grado de exposición a la luz de la película o del sensor de imagen. Por lo general, un obturador rápido requerirá una apertura más grande para garantizar una exposición suficiente a la luz, y un obturador lento requerirá una apertura más pequeña para evitar una exposición excesiva.
Un dispositivo llamado diafragma suele servir como tope de apertura y controla la apertura. El diafragma funciona de manera muy similar al iris del ojo: controla el diámetro efectivo de la apertura de la lente. Reducir el tamaño de la apertura (aumentar el número f) proporciona menos luz al sensor y también aumenta la profundidad de campo, que describe la medida 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 desde el plano de enfoque que el objeto puede estar mientras aún aparece enfocado.
La apertura de la lente generalmente se especifica como un número f, la relación entre la distancia focal y el diámetro de apertura efectivo. Un objetivo suele tener un conjunto de "f-stops" que se puede establecer el número f. Un número f más bajo denota una mayor apertura que permite que llegue más luz a la película o al sensor de imagen. El término fotográfico "one f-stop" se refiere a un factor de √2 (aprox. 1,41) de cambio en número f, que a su vez corresponde a un factor de cambio de 2 en la intensidad de la luz.
La prioridad de apertura es un modo de disparo semiautomático que se usa en las cámaras. Le permite al fotógrafo seleccionar una configuración de apertura y dejar que la cámara decida la velocidad de obturación y, a veces, también la sensibilidad ISO para la exposición correcta. Esto también se conoce como exposición automática con prioridad de apertura, modo A, modo AV (modo de valor de apertura) o modo semiautomático.
Los rangos típicos de aperturas que se usan en fotografía son aproximadamente f/2.8–< span style="font-style:italic;font-family:Trebuchet MS,Candara,Georgia,Calibri,Corbel,serif">f/22 o f/2–f/16, que cubre seis paradas, que pueden dividirse en ancha, media y estrecha de dos paradas cada una, aproximadamente (usando números redondos) f/2–f/4, f/4–f/8 y f /8–f/16 o (para una lente más lenta) f/2.8–f/5.6, f /5.6–f/11 y f/11–f/22. Estas no son divisiones nítidas y los rangos para lentes específicos varían.
Aberturas máximas y mínimas
Las especificaciones para una lente determinada suelen incluir los tamaños de apertura máximo y mínimo, por ejemplo, f/0.95–f/22. En este caso, f/0.95 es actualmente la apertura máxima (la apertura más amplia en un formato de fotograma completo para uso práctico), y f/22 es el mínimo abertura (la abertura más pequeña). La apertura de apertura máxima tiende a ser de mayor interés y siempre se incluye cuando se describe una lente. Este valor también se conoce como la "velocidad" de la lente, ya que afecta el tiempo de exposición. La 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 de f/2 permite tiempos de exposición un cuarto de los de f/4.
Los lentes con aperturas f/2.8 o más anchas se denominan & #34;rápido" lentes, aunque el punto específico ha cambiado con el tiempo (por ejemplo, a principios del siglo XX, las aberturas de apertura son más anchas que f/6 se consideraron rápidos. Los objetivos más rápidos para el formato de película común de 35 mm en la producción general tienen aperturas de f/1.2 o f /1.4, con más en f/1.8 y f/2.0, y muchas en f/2.8 o más lento; f/1.0 es inusual, aunque tiene algún uso. Al comparar "rápido" lentes, se debe considerar el formato de imagen utilizado. Las lentes diseñadas para un formato pequeño, como medio cuadro o APS-C, necesitan proyectar un círculo de imagen mucho más pequeño que una lente utilizada para fotografía de gran formato. Por lo tanto, los elementos ópticos integrados en la lente pueden ser mucho más pequeños y económicos.
En circunstancias excepcionales, los objetivos pueden tener aperturas aún más amplias con números f inferiores a 1,0; consulte velocidad de la lente: lentes rápidas para obtener una lista detallada. Por ejemplo, tanto el Leica Noctilux-M 50 mm ASPH actual como un lente telémetro Canon de 50 mm de la década de 1960 tienen una apertura máxima de f/0.95. En los últimos años han aparecido alternativas más económicas, como la Cosina Voigtländer 17,5 mm f/ 0,95, 25 mm f/0,95 y 42,5 mm f/0.95 lentes de enfoque manual para el sistema Micro Four-Thirds. Durante mucho tiempo, el número f rápido de f/0.95 para fotograma completo se detuvo alrededor de 50 mm o una distancia focal mayor. Hasta 2021, el fabricante de lentes Venus Optics (Laowa) anunció el Argus 35mm f/0.95 FF. Esta es actualmente la lente más rápida con una distancia focal de 35 mm y la lente más ancha para f/0.95.
Los objetivos profesionales de algunas cámaras de cine tienen números f tan pequeños como f /0,75. La película Barry Lyndon de Stanley Kubrick tiene escenas filmadas a la luz de las velas con un NASA/Zeiss 50mm f/0.7, el lente más rápido en la historia del cine. Más allá del costo, estos lentes tienen una aplicación limitada debido a la menor profundidad de campo correspondiente: la escena debe ser poco profunda, tomada desde la distancia o estará significativamente desenfocada, aunque este puede ser el efecto deseado.
Las lentes de zoom suelen tener una apertura relativa máxima (número f mínimo) de f/2.8 a f/6.3 a través de su rango. Los lentes de gama alta tendrán una apertura constante, como f/2.8 o < span style="font-style:italic;font-family:Trebuchet MS,Candara,Georgia,Calibri,Corbel,serif">f/4, lo que significa que la apertura relativa permanecerá igual en todo el rango del zoom. Un zoom de consumo más típico tendrá una apertura relativa máxima variable, ya que es más difícil y costoso mantener la apertura relativa máxima proporcional a la distancia focal en distancias focales largas; f/3.5 a f/5.6 es un ejemplo de un rango de apertura variable común en una lente de zoom de consumo.
Por el contrario, la apertura mínima no depende de la distancia focal está limitada por la estrechez con que se cierra la apertura, no por el diseño de la lente y, en cambio, generalmente se elige en función de la practicidad: las aperturas muy pequeñas tienen menor nitidez debido a la difracción., mientras que la profundidad de campo adicional generalmente no es útil y, por lo tanto, generalmente hay poco beneficio en el uso de tales aperturas. En consecuencia, la lente DSLR suele tener una apertura mínima de f/16, f/22, o f/32, mientras que el formato grande puede reducirse a f/64, como se refleja en el nombre de Group f/64. Sin embargo, la profundidad de campo es una preocupación importante en la fotografía macro, y allí se ven aperturas más pequeñas. Por ejemplo, la Canon MP-E de 65 mm puede tener una apertura efectiva (debido a la ampliación) tan pequeña como f/96. La óptica estenopeica para lentes creativos Lensbaby tiene una apertura de solo f/177.
f/32 - abertura pequeña y cierre lento
f/5.6 – abertura grande y cierre rápido
f/22 - pequeña abertura y cierre más lento (Tiempo de examen: 1/80)
f/3.5 – abertura grande y cierre más rápido (Tiempo de examen: 1/2500)
Cambiar el valor de apertura de una cámara en medias paradas, comenzando con f/256 y final con f/1
Cambiar el diámetro de la abertura de una cámara de cero a infinito
Área de apertura
La cantidad de luz captada por una lente es proporcional al área de la apertura, igual a:
Donde las dos formas equivalentes están relacionadas a través del número f N = f / D, con distancia focal f y diámetro de apertura D.
El valor de la distancia focal no es necesario cuando se comparan dos lentes de la misma distancia focal; en su lugar, se puede usar un valor de 1, y los otros factores también se pueden eliminar, 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, la iluminancia relativa del plano focal, sin embargo, dependería solo del número f N, por lo que es menor en la cámara con formato más grande, mayor distancia focal y mayor f- número. Esto supone que ambas lentes tienen una transmisividad idéntica.
Control de apertura
Aunque ya en 1933 Torkel Korling había inventado y patentado para la cámara réflex de gran formato Graflex un control de apertura automático, no todas las primeras cámaras réflex de objetivo único de 35 mm tenían esta función. Con una apertura pequeña, esto oscurecía el visor, dificultando la visualización, el enfoque y la composición. El diseño de Korling permitió una visualización de apertura completa para un enfoque preciso, cerrándose a la apertura de apertura preseleccionada cuando se disparó el obturador y sincronizando simultáneamente el disparo de una unidad de flash. A partir de 1956, los fabricantes de cámaras SLR desarrollaron por separado control automático de apertura (el Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' y otras soluciones en Exakta Varex IIa y Praktica FX2) que permitían ver en la lente&# 39; s apertura máxima, deteniendo la lente hasta la apertura de trabajo en el momento de la exposición, y volviendo la lente a la apertura máxima después. Las primeras cámaras SLR con medidores internos ('a través de la lente' o 'TTL') (por ejemplo, la Pentax Spotmatic) requerían que la lente se detuviera hasta la apertura de trabajo al tomar una lectura de medidor. Los modelos posteriores pronto incorporaron el acoplamiento mecánico entre la lente y el cuerpo de la cámara, lo que indica la apertura de trabajo de la cámara para la exposición y permite que la lente esté en su máxima apertura para la composición y el enfoque; esta función se conoció como medición de apertura abierta.
Para algunos objetivos, incluidos algunos teleobjetivos largos, objetivos montados sobre fuelles y objetivos de control de perspectiva y de inclinación/desplazamiento, la conexión mecánica no era práctica y no se proporcionaba control de apertura automático. Muchas de estas lentes incorporaron una función conocida como "preset" apertura, que permite que la lente se ajuste a la apertura de trabajo y luego cambie rápidamente entre la apertura de trabajo y la apertura total 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 total 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 un poco más fácil que la medición detenida, la operación es menos conveniente que la operación automática. Los controles de apertura preestablecidos han tomado varias formas; el más común ha sido el uso de esencialmente dos anillos de apertura de lente, con un anillo que establece la apertura y el otro sirve como tope de límite cuando se cambia a la apertura de trabajo. Ejemplos de lentes con este tipo de control de apertura preestablecido son el Nikon PC Nikkor 28 mm f/3.5 y SMC Pentax Shift 6×7 75 mm f/4.5. El objetivo Nikon PC Micro-Nikkor 85 mm f/2.8D incorpora un botón mecánico que establece la apertura de trabajo cuando se presiona y restaura la apertura completa cuando se presiona por segunda vez.
Los objetivos EF de Canon, introducidos en 1987, tienen diafragmas electromagnéticos, lo que elimina la necesidad de un enlace mecánico entre la cámara y el objetivo, y permite el control automático de la apertura con los objetivos inclinables/desplazables TS-E de Canon. Los lentes de control de perspectiva PC-E de Nikon, presentados en 2008, también tienen diafragmas electromagnéticos, una característica que se extendió a su rango de tipo E en 2013.
Apertura óptima
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 una lente se detiene, el desenfoque de desenfoque en los límites de profundidad de campo (DOF) disminuye, pero aumenta el desenfoque de difracción. La presencia de estos dos factores opuestos implica un punto en el que se minimiza el punto borroso combinado (Gibson 1975, 64); en ese punto, el número f es óptimo para la nitidez de la imagen, para esta profundidad de campo determinada: una apertura más amplia (número f más bajo) provoca más desenfoque, mientras que una una apertura más estrecha (número f más alto) provoca 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 detiene un poco. Tenga en cuenta que esta es la 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 detenerse y la difracción comienza a ser significativa. En consecuencia, existe un punto óptimo, generalmente en f/4: rango f/8, dependiendo de la lente, donde la nitidez es óptima, aunque algunas lentes están diseñadas para funcionan de manera óptima cuando están completamente abiertos. La importancia de esto varía entre lentes, y las opiniones difieren sobre el impacto práctico que tiene.
Si bien la apertura óptima se puede determinar mecánicamente, la nitidez requerida depende de cómo se utilizará la imagen, si la imagen final se ve en condiciones normales (p. ej., un 8″×10″ imagen vista a 10″), puede ser suficiente determinar el número f usando criterios para la nitidez mínima requerida, y puede que no haya ningún beneficio práctico al 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 al tamaño normal (Hansma 1996). Hansma también sugiere que es posible que no se conozca el tamaño de la imagen final cuando se toma una fotografía, y obtener la máxima nitidez practicable permite tomar la decisión de hacer una imagen final grande en un momento posterior; véase también nitidez crítica.
Rango de apertura equivalente
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 diámetro de apertura absoluto del mismo tamaño en una lente con una distancia focal equivalente de 35 mm. Se espera que los números f equivalentes más pequeños conduzcan a una calidad de imagen más alta en función de una mayor cantidad de luz total del sujeto, así como a una profundidad de campo reducida. Por ejemplo, una Sony Cyber-shot DSC-RX10 usa una lente de 1" sensor, 24–200 mm con apertura máxima constante a lo largo del rango del zoom; f/2.8 tiene un rango de apertura equivalente f/7.6, que es un número f equivalente más bajo que otros f/2.8 con sensores más pequeños.
En escaneo o muestreo
Los términos abertura de escaneo y abertura 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 Drum, un sensor de imagen, o un aparato de captación de televisión. La apertura de muestreo puede ser una apertura óptica literal, es decir, una pequeña apertura 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 densidad de la película vistas a través de una apertura de muestreo de 0,048 mm.
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