Cómo funciona una cámara: lente, sensor, diafragma, píxeles

La habitación oscura con un agujero

Cámara oscura significa, en latín, habitación oscura. Haz un agujero pequeño en la pared de una habitación a oscuras y en la pared de enfrente aparecerá, cabeza abajo, una imagen del mundo exterior. La razón es que la luz viaja en línea recta, así que los rayos de la copa de un árbol atraviesan el agujero y caen en la parte baja de la pared. El pensador chino Mozi escribió sobre ello en el siglo V a. C., e Ibn al-Haytham lo explicó en su Libro de óptica hacia 1021. Un agujero más pequeño da una imagen más nítida pero más tenue.

Una lente son mil agujeros

Una lente desvía la luz de modo que todos los rayos que salen de un punto del objeto vuelven a encontrarse en un solo punto detrás de ella. Recoge mucha más luz que un estenopo 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. Esa es toda la razón de que las cámaras lleven lentes.

Enfocar, con números

Toma una lente con f = 50 mm y un sujeto a 2 m, que son 2.000 mm. Entonces 1 / v = 1 / 50 − 1 / 2.000 = 39 / 2.000, así que v ≈ 51,3 mm. Un sujeto muy lejano necesitaría v = 50 mm. Para enfocar al sujeto más cercano, la lente se aleja 1,3 mm del sensor. Enfocar es solo mover una lente cerca de un milímetro, y un móvil lo hace con un motor diminuto. La primera fotografía permanente la tomó Nicéphore Niépce hacia 1826, y la exposición duró muchas horas.

Un millón de cubos de luz

El sensor es un chip cubierto de millones de celdas diminutas sensibles a la luz, los píxeles. Una partícula de luz, un fotón, que choca 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 en 2009. Un sensor de 12 megapíxeles tiene 12 millones de píxeles, por ejemplo 4.000 columnas y 3.000 filas.

Color a partir de un mosaico

Un cubo puede contar luz pero no distinguir su color. Por eso cada píxel está bajo un filtro diminuto rojo, verde o azul, en un patrón inventado por Bryce Bayer en Kodak 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. Después la cámara adivina los dos colores que faltan en cada píxel a partir de sus vecinos, un paso llamado desmosaicado.

Diafragma: el tamaño de la abertura

El diafragma es la abertura ajustable de la lente. Se escribe como un número f, N, la distancia focal dividida por el diámetro de la abertura. Una lente 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 luminosas y un fondo desenfocado. Una abertura estrecha da fotos más tenues con más parte de la escena nítida.

Obturador e ISO: compensaciones

El obturador decide cuánto tiempo se recoge la luz, por ejemplo 1/100 s. Un tiempo largo aclara las fotos 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 mantener el mismo brillo 1/100 s debe pasar a 1/25 s, cuatro veces más. Mueve los tres deslizadores en el laboratorio y observa cómo cambian el brillo y el desenfoque.

Una imagen hecha de números

Cada píxel guarda tres números, para el rojo, el verde y el 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 es (0, 0, 0) y el rojo puro es (255, 0, 0). Una foto de 12 megapíxeles son 12 millones × 3 bytes = 36 millones de bytes antes de comprimir. El JPEG la reduce unas diez veces, a 3 o 4 MB, al descartar detalles que el ojo apenas nota. Una foto es una hoja de cálculo de números, y editarla es aritmética.

La cámara