Óptica en Fotografía Digital: Resolución, Profundidad de Campo y Aberraciones

Ángulo de Campo y Conversión de Longitudes Focales

El dato más significativo para un fotógrafo es el ángulo de campo que cubre el zoom cuando se enfoca a la distancia focal más corta. Los zooms de las cámaras digitales no ofrecen una verdadera posición gran angular. El ángulo máximo cubierto en el sensor a la distancia focal más corta del objetivo equivale, en el mejor de los casos, al ángulo de un semi gran angular en una 24 x 36.

Para poder comparar los diferentes modelos sobre este aspecto, los fabricantes deberían indicar las distancias focales equivalentes de la pareja zoom-sensor de la cámara digital a la de un hipotético zoom montado en una cámara convencional de formato 24 x 36mm.

La Difracción de la Luz y sus Consecuencias

Como consecuencia de la naturaleza ondulatoria de las ondas electromagnéticas (luz visible), el fenómeno de difracción limita el poder separador de todo sistema óptico. Cuando un rayo de luz pasa por una abertura, es desviado por los bordes de dicha abertura. En el plano focal (sensor), cada punto objeto se convierte en un disco de difracción, rodeado de una serie de anillos claros y oscuros que se van alternando. El primer anillo claro de difracción es despreciable en fotografía, ya que su intensidad luminosa es demasiado débil.

Resolución Óptica Teórica del Sensor

Todo sensor alcanza su resolución óptica máxima cuando un «punto oscuro» de la escena (objeto) corresponde -en la imagen formada por el objetivo en el sensor- al ancho de un píxel, del que está separado por otro píxel que representa virtualmente un «punto claro». Esto quiere decir que se necesitan dos píxeles consecutivos para capturar el más pequeño detalle de una escena.

La Profundidad de Campo en Fotografía Digital

La extensión de la profundidad de campo está determinada por cuatro parámetros:

• La longitud focal del objetivo.
• La distancia de enfoque.
• La abertura del diafragma.
• El diámetro del círculo de confusión admitido.

Aliasing Óptico

Hay aliasing o solapamiento cada vez que las informaciones digitalizadas no reproducen fielmente las informaciones analógicas de origen. Tipos de aliasing:

Aliasing en Luminancia

Es puramente óptico y afecta a la geometría de la imagen. Se trata de un error de muestreo entre las más altas frecuencias espaciales de sujeto que son resueltas por el objetivo y la resolución óptica inferior del sensor.

Aliasing en Crominancia

Se traduce en defectos del valor y la geometría de los colores de la imagen.

Aberraciones del Objetivo y Abertura del Diafragma

Las principales aberraciones ópticas pueden ser corregidas completamente en mayor o menor grado en función de prestaciones del objetivo (abertura máxima, ángulo de campo, cobertura en función del formato) y complejidad de su fórmula óptica (número de lentes y de grupos, utilización de vidrios especiales, superficies asféricas, etc.). Hay que tener en cuenta que una aberración residual, que puede resultar fatal para una aplicación determinada, puede ser aceptable para otras aplicaciones.

Iluminación de la Imagen Óptica Formada por el Sensor

Abertura Relativa y Abertura Fotométrica

La abertura relativa geométrica de un objetivo es la relación entre su longitud focal y el diámetro de su orificio de entrada. En el caso de un zoom y para un mismo valor de abertura, el diámetro del diafragma varía de manera automática proporcionalmente a la longitud focal escogida, para que la iluminación del sensor permanezca constante.

Zoom: Abertura Máxima Variable o Constante

Para mantener un valor de abertura constante, el diámetro del orificio de entrada de un objetivo zoom aumenta proporcionalmente respecto a la longitud focal.

Distribución de la Iluminación en la Superficie de la Imagen

Aunque la superficie objeto sea perpendicular al eje óptico y esté iluminada uniformemente, la iluminación de la imagen, que es máxima a la altura del eje óptico, disminuye más o menos rápidamente a medida que se difunde hacia la periferia.

La disminución de la iluminación del centro hacia los bordes de la imagen se debe a dos causas distintas: el viñeteado y la ley del coseno potencia 4.

Viñeteado

El viñeteado se debe a que los rayos oblicuos que penetran en el objetivo, iluminando las zonas periféricas de la imagen, son obstruidos parcialmente (por delante y por detrás del diafragma) por los bordes del barrilete en el que se encuentran las lentes.

Ley del Coseno Potencia 4

La iluminación en un punto de la imagen situado fuera del eje óptico disminuye en función del ángulo w de incidencia en relación a la superficie de la zona imagen del sensor.

El haz que pasa por el eje óptico es perpendicular a la superficie y recorre la distancia mínima, por lo que aporta una iluminación máxima en el centro del formato; el ángulo w = 0.

• Por una parte, el haz oblicuo que se proyecta en la periferia del formato tiene que recorrer más distancia, por lo que la iluminación decrece en función del cuadrado de la distancia suplementaria recorrida.
• Por otra parte (ley de la reflexión), la iluminación recibida decrece en función del coseno del ángulo w.

La conjunción de ambos factores se traduce en la ley del coseno potencia 4:

Súper Gran Angular y Microlentes

Los sensores de tamaño medio que integran la mayoría de las cámaras réflex digitales actuales necesitan microlentes. Los objetivos súper gran angular, al utilizar solamente una ventana central del formato, los rayos marginales están lo suficientemente inclinados respecto al eje como para provocar un viñeteado indeseable en la imagen.

El único modo de realizar objetivos gran angular y súper gran angular compatibles con los sensores provistos de microlentes consiste en utilizar objetivos de configuración óptica especial, llamada telecéntrica.

Desfase Espacial de los Píxeles

El principio del desfase espacial de los píxeles continúa utilizándose en los respaldos digitales profesionales con sensor matricial, para aumentar la resolución real o aparente de la imagen respecto a la resolución nativa de sensor.

• Aumento de la resolución en crominancia
• Aumento de la resolución nominal del sensor.
• Desfase de los píxeles en la cámara.

Objetivos Especiales para la Fotografía Digital Profesional

Un objetivo diseñado idealmente para fotografía profesional con una cámara monorraíl provista de un sensor 24 x 36 debe responder a los siguientes criterios:

• Una distancia focal adaptada al formato del sensor.
• Un gran círculo de imagen nítida que permita la utilización de movimientos.
• Una resolución de la imagen final comparable a la que solía obtenerse con película para un formato de imagen mayor.
• Una excelente corrección de las aberraciones residuales.
• Una calidad de imagen óptica a f/8-11.

Modificaciones de la Distancia Focal o Convertidores

Existen dos tipos de convertidores ópticos:

1. Multiplicadores de Distancia Focal

Están especialmente diseñados para objetivos de su misma marca y no reducen de manera considerable las cualidades iniciales de un objetivo. Consisten en una serie de elementos ópticos que se intercalan -como un anillo o un fuelle de extensión- entre el objetivo y la cámara. Todos los modelos permiten la transmisión de los automatismos entre el objetivo y la cámara.

2. Complemento Óptico Teleobjetivo

También llamado teleconvertidor, se acopla delante de un objetivo, alargando la distancia focal de un factor K.