Óptica de cámaras

Cámara fotográfica. Elementos. Diafragma. Objetivo. Obturador. Plano imagen. Distancia focal e hiperfocal. Números-f. Profundidad de campo. Filtros

  • Enviado por: Alva Pi
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  • País: España España
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CONCEPTOS IMPORTANTES RELACIONADOS CON LA IMAGEN

EN LA CÁMARA DE VÍDEO DIGITAL

1. LA CÁMARA

Una cámara fotográfica, de cine o de vídeo consta de:

Diafragma

Objetivo

Obturador

Plano imagen

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El diafragma (o iris) es un sistema mecánico de láminas que forman un orificio circular por el que penetra la luz y cuyo tamaño puede ser modificado permitiendo controlar la cantidad de luz que entra en la cámara.

El objetivo es un conjunto de lentes por donde pasa la luz que, procedente de un objeto, ha entrado por el diafragma formando una imagen del objeto.

El obturador es un sistema electrónico que bloquea o permite el paso de la luz. Permite controlar el intervalo de tiempo durante el cual el plano imagen recibe la luz procedente del objeto.

El plano imagen es la película (fotográfica o de cine) o el CCD o CMOS donde se capta la imagen.

2. DISTANCIA FOCAL

Enfocar un objeto consiste en desplazar el objetivo hacia atrás (objetos próximos) o hacia delante (objetos lejanos) hasta que la imagen del mismo aparezca nítida en el plano imagen donde está situada la película sensible (cámara fotográfica analógica o cámara de cine) o el CCD o CMOS (cámara fotográfica digital o cámara de vídeo).

Cuando enfocamos un objeto lejano (en el infinito, rayos azules el la figura), la imagen se forma a una distancia del centro del objetivo que es la distancia focal F.

Si el objeto no está en el infinito (rayos rojos en la figura), su imagen se forma a una distancia del centro del objetivo mayor que la distancia focal F.

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Llamando s y s´ a las distancias del objeto y de la imagen se cumple:

Esta fórmula nos dice que si s es grande (objeto alejado), es pequeña (imagen cerca del objetivo). Como el valor máximo de s es ", el valor mínimo de s´= F.

Las cámaras fotográficas analógicas para película de 35 mm (36 mm x 24 mm, relación de aspecto 3:2) utilizan objetivos que de acuerdo con su distancia focal pueden ser:

Objetivo Macro (F < 28 mm)

Objetivo gran angular (28 mm < F < 50 mm)

Objetivo normal (F = 50 mm) y captan una perspectiva similar a la del ojo humano.

Teleobjetivo (50 < F < 300 mm)

Super Teleobjetivo (F > 300 mm)

Las cámaras fotográficas y de vídeo digitales tiene distancias focales más pequeñas que las distancias focales de las cámaras de 35 mm porque la diagonal del CCD o CMOS es más pequeña que la diagonal de la película de 35 mm (43,3 mm). Por ejemplo, cada CCD de la cámara de vídeo Panasonic AG-DVX100E, tiene una diagonal de 6 mm. La distancia focal del objetivo de esta cámara va de 4,5 mm a 45 mm: su zoom es x10.

Se llama focal equivalente de 35 mm, la focal de una cámara de 35 mm que tiene el mismo ángulo de visión que la cámara digital. Se cumple la relación:

Así, por ejemplo, para la Panasonic AG-DVX100E con d35 = 43,3 mm y d = 6 mm resulta:

F Panasonic

F35 equivalente

4,5 mm

32,5 mm

45 mm

325 mm

3. EL DIAFRAGMA Y LOS NÚMEROS-f

La cantidad de luz que llega al plano imagen puede controlarse mediante el diafragma que tiene un orificio de diámetro variable. La apertura o tamaño del diafragma se caracteriza por el número-f que resulta de dividir la distancia focal F del objetivo por el diámetro D del diafragma:

Los números-f pueden tener los valores:

f/1

f/1.4

f/2

f/2.8

f/4

f/5.6

f/8

f/11

f/16

f/22

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Cuando mayor es el número-f, menor es la apertura del diafragma. La cantidad de luz que llega al plano de la imagen depende del diámetro del diafragma D y de la distancia focal F del objetivo, de modo que el brillo de la imagen es:

Brillo " D2/F2 = 1/f2

Los números-f se han elegido de modo que al pasar de un número-f al siguiente disminuye a la mitad el brillo.

4. LA DISTANCIA HIPERFOCAL

Cuando enfocamos un objeto, cada punto del mismo da un punto imagen en el plano imagen. ¿Qué ocurre con los objetos situados por delante o por detrás?. Para ellos, la imagen de un punto del objeto será un círculo de diámetro c que se llama círculo de confusión.

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En la figura, el punto P está enfocado y da como imagen el punto P' en el plano imagen. La imagen del punto V, que está más cerca del objetivo, da sobre el plano imagen un círculo de diámetro c. El punto Q, situado más lejos del objetivo, da en el plano imagen un círculo de diámetro c.

¿Qué valor máximo puede tener el diámetro del círculo de confusión para que el cerebro lo perciba como un punto?. Un criterio basado en la longitud focal de la lente estándar (equivalente a F35 en cuanto al ángulo de visión) es:

Así, para la Panasonic AG-DVX100E con una diagonal del CCD de 6 mm, la Flente estándar equivalente en ángulo de visión a la focal de 50 mm en la lente para 35 mm que tiene d35 = 43,3 mm es:

Para esta lente se tiene:

Cuando enfocamos al infinito, el punto más próximo al objetivo para el que el diámetro del círculo de confusión es el máximo m, se encuentra a la distancia hiperfocal h. Dicho de otro modo, cuando enfocamos al ", el enfoque nítido va desde h hasta ".

La distancia hiperfocal es:

donde F es la distancia focal de la lente, f es el número-f del diafragma y m es el diámetro máximo del círculo de confusión.

5. PROFUNDIDAD DE CAMPO

Cuando enfocamos un objeto situado a la distancia s del centro del objetivo, hay puntos por delante y por detrás del objeto que dan en el plano de imagen un círculo de confusión cuyo diámetro es menor o igual que m.

El punto más cercano al centro del objetivo que está enfocado está a la distancia:

El punto más alejado del centro del objetivo que está enfocado está a la distancia:

En general F es pequeño respecto a h y s por lo que:

A partir de las fórmulas anteriores puede verse que si enfocamos a la distancia hiperfocal (s = h) quedan enfocados los objetos situados a una distancia del centro del objetivo comprendida entre h/2 e ".

Resumiendo:

Distancia de enfoque

Punto más cercano enfocado

Punto más alejado enfocado

"

h

"

h

h/2

"

Entre dcercano y dalejado todos los objetos quedan enfocados. La distancia dalejado-dcercano se llama profundidad de campo.

Cuanto más cercana esté la distancia de enfoque s a la distancia hiperfocal h, mayor será la profundidad de campo. Normalmente > s y podemos aumentar la profundidad de campo:

a) aumentando s, es decir, cuanto más lejos esté el punto enfocado, mayor será la profundidad de campo.

b) disminuyendo h, lo que podemos lograr:

- disminuyendo F. Los objetivos gran angular tienen más profundidad de campo que los estándar y éstos mayor que los teleobjetivos.

- aumentando f. Cuanto mayor es el número-f (más cerrado está el diafragma), mayor es la profundidad de campo.

Mejorando las condiciones de iluminación podemos aumentar la profundidad de campo al poder usar diafragmas de número-f mayor.

6. EL OBTURADOR

El obturador es un dispositivo mecánico o electrónico que limita el tiempo que la luz penetra en la cámara y expone la película o el CCD.

Los tiempos usuales de obturación o tiempos de exposición suelen ser:

1/25 s

1/50 s

1/120 s

1/250 s

1/500 s

1/1000 s

1/2000 s

En el vídeo PAL usado en Europa el tiempo de obturación es de 1/50 s, es decir, en 1 segundo se graban 50 campos. Una imagen o fotograma (frame) consta de 2 campos entrelazados (un campo contiene las líneas impares y el otro las líneas pares) por lo que en vídeo PAL se graban 25 imágenes por segundo.

En el vídeo NTSC usado en EEUU el tiempo de obturación es 1/59,94 s (59,94 campos/s o 29,97 frames/s).

¿Qué ocurre si grabamos con un tiempo de obturación de 1/25 s (12,5 frames/s) y visualizamos la grabación a velocidad normal de 1/50 s (25 frames/s)? Los frames grabados se reproducirán empleando la mitad del tiempo empleado en la grabación y el movimiento será más rápido (cámara rápida).

¿Y si grabamos con una velocidad de obturación de 1/120 s y reproducimos a velocidad normal de 1/50 s? Entonces grabaremos 60 frames/s y reproduciremos 25 frames/s: el movimiento será más lento (cámara lenta).

7. EL PLANO IMAGEN

En el plano imagen de la cámara se sitúa el film (en las cámaras analógicas) o el sensor electrónico (en las cámaras digitales).

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Sensor de imagen CMOS

El sensor electrónico puede ser de tipo CCD o CMOS según el tipo de proceso de fabricación. Las cámaras de vídeo domésticas tienen un CCD y las cámaras de vídeo profesionales tres CCD. En este caso, la imagen producida por el objetivo debe pasar por unos filtros para dar tres imágenes una en Rojo (Red), otra en Verde (Green) y la tercera en Azul (Blue). Cada una de estas imágenes llega a un sensor distinto.

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Filtros en las cámaras con 3 CCD

El CCD es una agrupación de elementos individuales sensibles a la luz, denominados píxeles, organizados en un patrón matricial, o sea en filas y columnas. Cuanto mayor sea el número de filas y columnas, más finos serán los detalles que se registrarán, es decir, tendremos más resolución. La relación de aspecto (píxeles horizontales / píxeles verticales) en el vídeo PAL y en vídeo NTSC es de 4:3 (como en el cine clásico).

La cámara Panasonic AG-DVX100E y la JVC-DV5000 tienen 752 píxeles (H) x 582 píxeles (V), es decir " 440.000 píxeles.

Cada píxel almacena temporalmente como carga eléctrica información sobre el nivel de luz que ha incidido sobre su área correspondiente. La descarga del píxel origina una señal eléctrica (analógica) que se somete a un proceso de digitalización, convirtiendo el nivel de luz que ha llegado al píxel en un número. Si la cámara tiene un solo CCD, cada píxel tiene zonas sensibles a los colores fundamentales R, G y B, asignando el proceso de digitalización un número a cada color.

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Conversión del nivel de luz en cada pixel en un valor numérico (ADC = Conversor Analógico-Digital)

El proceso de cuantificación en el sistema PAL genera las señales Y (luminancia) y U, V (diferencias de color):

Y (señal de luminancia) es responsable del brillo de la imagen (más o menos luz) y genera la imagen en un TV de blanco y negro.

U y V permiten reconstruir la imagen en color.

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