¿Cómo funciona una cámara fotográfica? Objetivo, sensor, diafragma, obturador e ISO
Una cámara funciona haciendo que un objetivo recoja la luz de una escena y la enfoque en una imagen nítida sobre una superficie sensible a la luz, hoy un sensor con millones de píxeles. Cada píxel cuenta los fotones que le llegan a través de un filtro rojo, verde o azul, y el diafragma, el tiempo de obturación y el ISO deciden lo brillante y lo nítida que sale la foto. El resultado es una cuadrícula de números: tres bytes por píxel, así que una foto de 12 megapíxeles ocupa 36 millones de bytes antes de comprimirla.
Detrás de cada foto está la misma idea que en una habitación oscura con un agujerito en la pared. Aquí verás por qué un agujero dibuja una imagen invertida, qué añade un objetivo, cómo un sensor cuenta la luz y encuentra el color, cómo tres mandos intercambian brillo por desenfoque y cómo una fotografía acaba siendo números.
Ideas principales
- Un agujero dibuja una imagen invertida porque la luz viaja en línea recta. Un objetivo recoge mucha más luz y aun así mantiene la nitidez.
- La regla de la lente delgada 1 / f = 1 / u + 1 / v da el enfoque. Con f = 50 mm y un sujeto a 2 m, el objetivo queda a 51,3 mm del sensor, 1,3 mm más lejos que para un sujeto lejano.
- Un sensor cuenta fotones en millones de píxeles. Un filtro Bayer, patentado en 1976, da a cada píxel un color, dos verdes por cada rojo y azul, y la cámara calcula el resto.
- Diafragma, obturador e ISO se compensan entre sí: un paso de diafragma reduce la luz a la mitad, y duplicar el ISO duplica el brillo y el ruido.
- Una foto es una cuadrícula de números: tres bytes por píxel, 16 777 216 colores, y una foto de 12 megapíxeles son 36 millones de bytes que el JPEG comprime a 3 o 4 MB.
La habitación oscura con un agujero
Cámara oscura significa precisamente habitación oscura. Haz un agujerito en la pared de una habitación a oscuras y en la pared opuesta aparece una imagen invertida del mundo exterior. La razón es que la luz viaja en línea recta: los rayos de lo alto de un árbol cruzan el agujero hacia abajo y caen bajos en la pared. El pensador chino Mozi escribió sobre ello en el siglo V a. C., y Ibn al-Haytham lo explicó en su Libro de óptica hacia 1021.
Un agujero más pequeño da una imagen más nítida pero más tenue. La primera fotografía permanente la tomó Nicéphore Niépce hacia 1826, y la exposición duró muchas horas. Ese es el problema que resuelve un objetivo.
Una lente es mil agujeros
Una lente desvía la luz de modo que todos los rayos que salen de un punto del objeto vuelvan a juntarse en un punto detrás de ella. Recoge mucha más luz que un agujero y aun así mantiene la imagen nítida. Las distancias siguen la regla de la lente delgada 1 / f = 1 / u + 1 / v, donde f es la distancia focal, u la distancia al sujeto y v la distancia de la lente al sensor. Una abertura mayor recoge más luz, así que la foto puede tomarse en menos tiempo.
Toma un objetivo de f = 50 mm y un sujeto a 2 m, es decir, 2000 mm. Entonces 1 / v = 1 / 50 − 1 / 2000 = 39 / 2000, así que v ≈ 51,3 mm. Un sujeto muy lejano necesitaría v = 50 mm. Para enfocar el sujeto más cercano, el objetivo se aleja 1,3 mm del sensor. Enfocar es mover una lente cerca de un milímetro, y un teléfono lo hace con un diminuto motor.
La foto es un corte de una Nikon F con un objetivo de 50 mm f/2, en el Museo Nikon de Tokio. A la izquierda se ven las lentes del objetivo, en el centro el espejo inclinado que envía la imagen hacia arriba, al prisma del visor, y detrás el lugar donde se coloca la película o un sensor. Al disparar, el espejo se levanta.
Un millón de cubos de luz, y color de un mosaico
El sensor es un chip cubierto de millones de celdas sensibles a la luz, los píxeles. Una partícula de luz, un fotón, al chocar con el silicio arranca un electrón. Cada píxel cuenta los electrones que recoge, como un cubo que recoge lluvia. La mayoría de los sensores actuales son CMOS. El CCD, inventado por Willard Boyle y George Smith en 1969, les valió compartir el Premio Nobel de Física de 2009. Un sensor de 12 megapíxeles tiene 12 millones de píxeles, por ejemplo 4000 columnas y 3000 filas. En un sensor de fotograma completo, de 36 mm de ancho y 6000 columnas, cada píxel mide 6 micrómetros.
Un cubo puede contar luz, pero no distingue su color. Por eso cada píxel va bajo un diminuto filtro rojo, verde o azul, en un patrón ideado por Bryce Bayer en Kodak y patentado en 1976. En cada bloque de cuatro píxeles hay dos verdes, un rojo y un azul. El verde recibe el doble de espacio porque el ojo humano es más sensible al verde. Luego la cámara estima los dos colores que faltan en cada píxel a partir de sus vecinos, un paso llamado desmosaico.
Diafragma, obturador e ISO
El diafragma es la abertura regulable del objetivo. Se escribe como un número f, N, la distancia focal dividida por el diámetro de la abertura. Un objetivo de 50 mm a f/2,8 tiene una abertura de unos 18 mm. Cada paso completo de la serie f/2,8, f/4, f/5,6 reduce la luz a la mitad, porque el área de la abertura se reduce a la mitad. Una abertura amplia, un número pequeño, da fotos brillantes y fondo desenfocado. Una abertura estrecha da fotos más tenues con más parte de la escena nítida.
El obturador decide cuánto tiempo se recoge luz, por ejemplo 1/100 s. Un tiempo largo hace las fotos más brillantes, pero convierte el movimiento rápido en borrón. El ISO amplifica la señal después de contar la luz: duplicar el ISO duplica el brillo y también el ruido.
Los tres mandos se compensan entre sí. Pasar de f/2,8 a f/5,6 son dos pasos, una cuarta parte de la luz, así que para conservar el brillo 1/100 s debe pasar a 1/25 s, cuatro veces más. Los fotógrafos eligen a cuál de los tres renunciar: profundidad, nitidez del movimiento o poco ruido.
Una fotografía son números
Cada píxel guarda tres números, para rojo, verde y azul, de 0 a 255, un byte cada uno. Eso da 256 × 256 × 256 = 16 777 216 colores. El blanco es (255, 255, 255), el negro (0, 0, 0) y el rojo puro (255, 0, 0). Una foto de 12 megapíxeles son 12 millones × 3 bytes = 36 millones de bytes antes de comprimirla. El JPEG la reduce unas diez veces, a 3 o 4 MB, descartando detalles que el ojo apenas nota. Los archivos RAW suelen guardar 12 o 14 bits por color en vez de 8.
La cámara de un teléfono sigue la misma cadena, con un objetivo de pocos milímetros y un sensor pequeño. Su software suele combinar varios fotogramas rápidos en una sola imagen, así que parte de lo que ves está calculado. Una foto es una hoja de cálculo de números, y editarla es aritmética.
Cómo lo muestra el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «La cámara» del VJOURNAL SMART BOOK «Cómo funciona», volumen I, tiene cinco momentos animados: un agujero dibuja una imagen invertida del mundo, un objetivo recoge mucha más luz y la enfoca, el sensor cuenta la luz a través de filtros rojo, verde y azul, el diafragma, el obturador y el ISO fijan brillo y desenfoque, y la foto se convierte en una cuadrícula de números. Un modelo 3D reproduce el momento exacto que describe cada bloque de texto.
Bajo la imagen hay un laboratorio. Mueve los deslizadores de diafragma, obturador e ISO y mira cómo cambian el brillo y el desenfoque. El capítulo incluye además datos clave, un cuestionario de tres preguntas con explicaciones y las fuentes.
En palabras sencillas
Una cámara es una caja oscura con una ventana. El objetivo deja entrar mucha luz y aun así dibuja una imagen nítida en la pared del fondo, y el sensor es esa pared, hecha de millones de diminutos cubos que cuentan cuánta luz cayó en cada uno.
Pruébalo
Un objetivo de 50 mm enfoca un sujeto a 1 m (1000 mm). Usa 1 / f = 1 / u + 1 / v para hallar la distancia v de la lente al sensor y cuánto se aleja el objetivo respecto de su posición para un sujeto lejano (v = 50 mm).
Resultado esperado
1 / v = 1 / 50 − 1 / 1000 = 19 / 1000, así que v ≈ 52,6 mm. El objetivo se aleja unos 2,6 mm.
Comprueba tu respuesta: Cambias de f/4 a 1/200 s a f/8 y quieres el mismo brillo. ¿Qué tiempo de obturación necesitas?
De f/4 a f/8 hay dos pasos, así que la luz cae a la cuarta parte. El obturador debe quedar abierto cuatro veces más: 1/50 s.
Preguntas y respuestas
¿Cómo enfoca una cámara?
Un pequeño motor mueve el objetivo, o parte de él, cerca de un milímetro hasta que la imagen cae nítida sobre el sensor. El autoenfoque decide cuánto moverlo midiendo el contraste o las diferencias de fase de la luz entrante.
¿Qué diferencia hay entre una réflex y una sin espejo?
Una réflex tiene un espejo y un prisma que envían la imagen a un visor óptico, y el espejo se levanta durante la exposición. Una cámara sin espejo no lo tiene y muestra la imagen del sensor en una pantalla o en un visor electrónico. Las dos tienen objetivo y sensor.
¿Qué hacen el diafragma, el obturador y el ISO?
El diafragma fija cuánto se abre el objetivo, el obturador cuánto tiempo se recoge luz y el ISO cuánto se amplifica la señal. Juntos deciden el brillo, y por separado controlan el desenfoque del fondo, el borrón del movimiento y el ruido.
¿Qué son los megapíxeles?
Un megapíxel es un millón de píxeles. Un sensor de 12 megapíxeles tiene 12 millones, por ejemplo 4000 por 3000. Más píxeles dan más detalle, pero cada uno recoge menos luz.
¿Por qué el sensor necesita un filtro de color?
Un píxel solo cuenta cuánta luz le llegó, no su color. Un filtro Bayer pone un filtro rojo, verde o azul sobre cada píxel, y la cámara estima los otros dos colores a partir de los píxeles vecinos.
¿En qué se diferencia la cámara de un teléfono?
Funciona igual, con un objetivo y un sensor muy pequeños. Para compensar la poca luz que recogen, el software del teléfono suele combinar varios fotogramas y procesar el resultado, así que la imagen final está en parte calculada.
Quédate con tres líneas: un objetivo enfoca la luz en un sensor, los filtros de color convierten recuentos en color y el diafragma, el obturador y el ISO compensan brillo y desenfoque. Luego abre el capítulo y mueve los tres deslizadores en el laboratorio.
Fuentes y lecturas
- Nobel Prize: Physics 2009, the CCD sensor and fibre optics ↗Fuentes revisadas:
- Britannica: Camera obscura ↗Fuentes revisadas:
- Britannica: Camera ↗Fuentes revisadas:
- Bayer, B. E.: Color imaging array, US patent 3,971,065 (1976) ↗Fuentes revisadas:
- Cambridge in Colour: Digital camera sensors ↗Fuentes revisadas: