Abertura

En óptica , la apertura de un sistema óptico (incluido un sistema compuesto por una sola lente) es el orificio o abertura que limita principalmente la luz que se propaga a través del sistema. La apertura define un haz de rayos provenientes de cada punto de un objeto que convergerá en un punto focal en el plano de la imagen .

Un sistema óptico suele tener muchas estructuras que limitan los haces de rayos (también conocidos como haces de luz). Estas estructuras pueden ser el borde de una lente o espejo , un anillo u otro soporte que mantiene un elemento óptico en su lugar, o un elemento especial como un diafragma colocado en la trayectoria óptica para limitar la luz admitida por el sistema. Estas estructuras se denominan diafragmas ^{[ 2 ]} , y el diafragma de apertura es el que determina principalmente el cono de rayos que acepta un sistema óptico (véase pupila de entrada ). Como resultado, también determina el ángulo del cono de rayos y el brillo en el punto de imagen (véase pupila de salida ). Los sistemas ópticos suelen diseñarse para que un diafragma en particular sea el diafragma de apertura, pero es posible que diferentes diafragmas sirvan como diafragma de apertura para objetos a diferentes distancias. Algunos rayos provenientes de puntos del objeto alejados del eje óptico pueden recortarse en superficies distintas del diafragma de apertura. Esto se denomina viñeteo ^{[ 3 ]} . El diafragma de apertura no es necesariamente el diafragma más pequeño del sistema. La ampliación y la reducción de la imagen producidas por las lentes y otros elementos pueden provocar que un diafragma relativamente grande sea el diafragma de apertura del sistema.

En algunos contextos, especialmente en fotografía y astronomía , la apertura se refiere al diámetro de la abertura del diafragma por donde pasa la luz. Por ejemplo, en un telescopio , el diafragma suele estar formado por los bordes de la lente o el espejo del objetivo (o de la montura que lo sostiene). En ese caso, se dice que un telescopio tiene, por ejemplo, una apertura de 100 centímetros (39 pulgadas) . En astrofotografía , la apertura puede expresarse como una medida lineal (por ejemplo, en pulgadas o milímetros) o como la relación adimensional entre dicha medida y la distancia focal . En otras técnicas fotográficas, se suele expresar como una relación. 

Generalmente se asume que el término apertura se refiere a la abertura del diafragma, pero en realidad, ambos términos se usan indistintamente. A veces, incluso diafragmas que no son la apertura de un sistema óptico también se denominan aperturas. Es necesario aclarar estos términos en función del contexto.

El término apertura también se utiliza en otros contextos para indicar un sistema que bloquea la luz fuera de una región determinada. En astronomía, por ejemplo, una apertura fotométrica alrededor de una estrella suele corresponder a una ventana circular alrededor de la imagen de la estrella dentro de la cual se supone que se encuentra la intensidad de la luz. ^{[ 4 ]}

El diafragma es un elemento importante en la mayoría de los diseños ópticos. Su característica más evidente es que limita la cantidad de luz que llega al plano de la imagen/película . Esto puede ser inevitable debido a la limitación práctica del tamaño del diafragma, o bien deliberado para evitar la saturación del detector o la sobreexposición de la película. En ambos casos, el tamaño del diafragma determina la cantidad de luz que recibe un sistema óptico. El diafragma también afecta a otras propiedades del sistema óptico:

• El tamaño de la apertura del diafragma es un factor que afecta la profundidad de campo (DOF ). Un diafragma más pequeño ( número f mayor ) produce una mayor DOF porque solo permite que un ángulo menor del cono de luz llegue al plano de la imagen, reduciendo así la dispersión de la imagen de un punto del objeto. Una mayor DOF permite que objetos situados a una amplia gama de distancias del observador estén enfocados simultáneamente.
• El diafragma limita el efecto de las aberraciones ópticas al restringir la entrada de luz, impidiendo que esta alcance los bordes de la óptica, donde las aberraciones suelen ser más intensas que en el centro. Si la abertura del diafragma (denominada apertura ) es demasiado grande, la imagen se distorsionará debido a las aberraciones más pronunciadas. Los diseños de sistemas ópticos más sofisticados pueden mitigar el efecto de las aberraciones, permitiendo una mayor apertura y, por lo tanto, una mayor capacidad de captación de luz.
• El diafragma determina si la imagen tendrá viñeteado . Los diafragmas más grandes pueden provocar que la intensidad de la luz que llega a la película o al detector disminuya hacia los bordes de la imagen, especialmente cuando, para puntos fuera del eje, un diafragma diferente se convierte en el diafragma de apertura al bloquear más luz que el diafragma que era el diafragma de apertura en el eje óptico.
• La posición del diafragma determina la telecentricidad . Si el diafragma de una lente se encuentra en el plano focal frontal, la telecentricidad se produce en el espacio de la imagen, es decir, el tamaño lateral de la imagen es independiente de la posición en dicho plano. Si el diafragma se encuentra en el plano focal posterior, la telecentricidad se produce en el espacio del objeto, donde el tamaño de la imagen es independiente de la posición en dicho plano. La telecentricidad facilita las mediciones bidimensionales precisas, ya que los sistemas de medición con telecentricidad son insensibles a los errores de posición axial de las muestras o del sensor.

Además del diafragma, un objetivo fotográfico puede tener uno o más diafragmas de campo , que limitan el campo de visión del sistema . Cuando el campo de visión se ve limitado por un diafragma de campo en el objetivo (en lugar de en la película o el sensor) , se produce viñeteo ; esto solo supone un problema si el campo de visión resultante es menor del deseado.

En astronomía, el diámetro de apertura del diafragma (denominado apertura ) es un parámetro crítico en el diseño de un telescopio . Generalmente, se busca que la apertura sea lo más grande posible para captar la máxima cantidad de luz de los objetos distantes que se observan. Sin embargo, en la práctica, el tamaño de la apertura está limitado por consideraciones de costo y tiempo de fabricación, su peso y la prevención de aberraciones (como se mencionó anteriormente).

Las aperturas también se utilizan en el control de energía láser, la técnica de escaneo Z de apertura cerrada , difracciones/patrones y limpieza del haz. ^{[ 5 ]} Las aplicaciones láser incluyen filtros espaciales , conmutación Q y control de rayos X de alta intensidad.

En microscopía óptica, el término apertura puede referirse tanto al condensador (que modifica el ángulo de la luz sobre el campo de la muestra), como al diafragma de campo (que modifica el área de iluminación de las muestras) o, posiblemente, al objetivo (que forma las imágenes primarias). Véase Microscopio óptico .

El diafragma de un objetivo fotográfico 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 del diafragma regula el grado de exposición a la luz de la película o del sensor . Por lo general, una velocidad de obturación rápida requiere un diafragma mayor para asegurar una exposición suficiente a la luz, y una velocidad de obturación lenta requiere un diafragma menor para evitar una exposición excesiva.

Un dispositivo llamado diafragma suele funcionar como tope de apertura y controla la apertura (la abertura del diafragma). El diafragma funciona de forma similar al iris del ojo  : controla el diámetro efectivo de la abertura del cristalino (llamada pupila en los ojos). Reducir el tamaño de la apertura (aumentar el número f) proporciona menos luz al sensor y también aumenta la profundidad de campo (al limitar el ángulo del cono de luz de la imagen que llega al sensor), que describe hasta qué punto el sujeto que se encuentra más cerca o más lejos del plano de enfoque real aparece enfocado. En general, cuanto menor sea la apertura (mayor el número f), mayor será la distancia al plano de enfoque a la que puede estar el sujeto sin dejar de aparecer enfocado.

La apertura del objetivo se suele especificar mediante un número f , que es la relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de la apertura (el diámetro de la pupila de entrada ). Un objetivo normalmente tiene un conjunto de valores de apertura (números f) que permiten ajustar dicho número. Un número f menor indica una mayor apertura, lo que permite que llegue más luz a la película o al sensor de imagen. El término fotográfico "un paso f" se refiere a un cambio de √2 (aproximadamente 1,41) en el número f, que corresponde a un cambio de √2 en el diámetro de la apertura, lo que a su vez corresponde a un cambio de 2 en la intensidad de la luz (debido a un cambio de 2 en el área de la apertura).

La prioridad de apertura es un modo de disparo semiautomático utilizado en las cámaras. Permite al fotógrafo seleccionar un ajuste de apertura y deja que la cámara decida la velocidad de obturación y, en ocasiones, también la sensibilidad ISO para lograr la exposición correcta. También se conoce como exposición automática con prioridad de apertura, modo A, modo AV (modo de valor de apertura) o modo semiautomático. ^{[ 6 ]}

Los rangos típicos de aperturas utilizadas en fotografía son aproximadamente f /2.8 – f /22 o f /2 – f /16 , ^{[ 7 ]} que cubren seis pasos, que pueden dividirse en amplio, medio y estrecho de dos pasos cada uno, aproximadamente (usando números redondos) f /2 – f /4 , f /4 – f /8 y f /8 – f /16 o (para un objetivo más lento) f /2.8 – f /5.6 , f /5.6 – f /11 y f /11 – f /22 . Estas no son divisiones precisas, y los rangos para objetivos específicos varían.

aperturas máximas y mínimas

Las especificaciones de un objetivo suelen incluir la apertura máxima y mínima, por ejemplo, f /0,95 – f /22 . En este caso, f /0,95 es actualmente la apertura máxima (la mayor apertura en un formato de fotograma completo para uso práctico ^{[ 8 ]} ), y f /22 es la apertura mínima (la menor apertura). La apertura máxima suele ser la de mayor interés y siempre se incluye al describir un objetivo. Este valor también se conoce como la "velocidad" del objetivo , ya que afecta al tiempo de exposición. Como el área de la apertura es proporcional a la luz que entra en un objetivo o sistema óptico, el diámetro de la apertura es proporcional a la raíz cuadrada de la luz que entra y, por lo tanto, inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de exposición necesario, de modo que una apertura de f /2 permite tiempos de exposición que son una cuarta parte de los de f /4 . ( f /2 es 4 veces mayor que f /4 en área de apertura).

Los objetivos con aperturas de f /2.8 o mayores se denominan objetivos "rápidos", aunque el punto específico ha cambiado con el tiempo (por ejemplo, a principios del siglo XX las aperturas mayores de f /6 se consideraban rápidas. ^{[ 9 ]} Los objetivos más rápidos para el formato común de película de 35 mm en producción general tienen aperturas de f /1.2 o f /1.4 , con más en f /1.8 y f /2.0 , y muchos en f /2.8 o más lentos; f /1.0 es inusual, aunque se usa en algunos casos. Al comparar objetivos "rápidos", se debe considerar el formato de imagen utilizado. Los objetivos diseñados para un formato pequeño como medio fotograma o APS-C necesitan proyectar un círculo de imagen mucho más pequeño que un objetivo utilizado para fotografía de gran formato . Por lo tanto, los elementos ópticos integrados en el objetivo pueden ser mucho más pequeños y baratos.

En circunstancias excepcionales, los objetivos pueden tener aperturas aún más amplias con números f menores que 1.0; consulte Velocidad del objetivo: objetivos rápidos para obtener una lista detallada. Por ejemplo, tanto el Leica Noctilux-M 50 mm ASPH actual como un objetivo telemétrico Canon de 50 mm de la década de 1960 tienen una apertura máxima de f /0.95 . ^{[ 10 ]} A principios de la década de 2010 comenzaron a aparecer alternativas más económicas, como el Cosina Voigtländer f /0.95 Nokton (varios en elrango de 10,5–60  mm ) y f /0,8 (29  mm ) Lentes Super Nokton de enfoque manual en el sistema Micro Cuatro Tercios , ^{[ 11 ]} y el Venus Optics (Laowa) Argus35  mm f /0,95 . ^{[ 8 ]}

Los objetivos profesionales para 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 50 mm f/0,7 , ^{[ 12 ]} el objetivo más rápido de la historia del cine. Más allá del coste, estos objetivos tienen una aplicación limitada debido a la menor profundidad de campo (DOF) correspondiente : la escena debe ser poco profunda, filmarse desde la distancia o estará significativamente desenfocada, aunque este puede ser el efecto deseado. 

Los objetivos zoom suelen tener una apertura relativa máxima (número f mínimo) de f /2.8 a f /6.3 en todo su rango focal. Los objetivos de gama alta tienen una apertura constante, como f /2.8 o f /4 , lo que significa que la apertura relativa se mantiene igual en todo el rango del zoom. Un zoom de consumo más común tiene 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 un objetivo zoom de consumo.

Por el contrario, la apertura mínima no depende de la distancia focal  ; está limitada por la estrechez del diafragma, no por el diseño del objetivo  , y generalmente se elige en función de la practicidad: las aperturas muy pequeñas tienen menor nitidez debido a la difracción en los bordes, mientras que la profundidad de campo adicional no suele ser útil, por lo que generalmente hay poco beneficio en usar dichas aperturas. En consecuencia, los objetivos DSLR suelen tener una apertura mínima de f /16 , f /22 o f /32 , mientras que los de gran formato pueden llegar hasta f /64 , como se refleja en el nombre del Grupo f/64 . Sin embargo, la profundidad de campo es una preocupación importante en la macrofotografía , y en ella se ven aperturas más pequeñas. Por ejemplo, el Canon MP-E 65 mm puede tener una apertura efectiva (debido a la magnificación) tan pequeña como f /96 . La óptica estenopeica para los objetivos creativos Lensbaby tiene una apertura de solo f /177 . ^{[ 13 ]}

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  f /32 – apertura pequeña y obturador lento
• 
  f /5.6 – gran apertura y obturador rápido
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  f /22 – apertura pequeña y velocidad de obturación lenta (tiempo de exposición: 1/80)
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  f /3.5 – gran apertura y obturador más rápido (Tiempo de exposición: 1/2500)
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  Cambiar el valor de apertura de una cámara en medios pasos, comenzando con f /256 y terminando con f /1.
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  Cambiar el diámetro de apertura de una cámara de cero a infinito.

Control de apertura

Aunque ya en 1933 Torkel Korling había inventado y patentado para la cámara réflex de gran formato Graflex un control automático de apertura, ^{[ 14 ]} no todas las primeras cámaras réflex de 35 mm contaban con esta característica. Con una apertura pequeña, esto oscurecía el visor, dificultando la visualización, el enfoque y la composición. ^{[ 15 ]} El diseño de Korling permitía la visualización con apertura completa para un enfoque preciso, cerrándose a la apertura preseleccionada cuando se disparaba el obturador y sincronizando simultáneamente el disparo de una unidad de flash. A partir de 1956, los fabricantes de cámaras SLR desarrollaron por separado el control automático de apertura (el 'Diafragma Automático de Presión' de Miranda T y otras soluciones en la Exakta Varex IIa y la Praktica FX2 ) que permitía la visualización con la apertura máxima del objetivo, cerrando el objetivo a la apertura de trabajo en el momento de la exposición y volviendo al objetivo con la apertura máxima posteriormente. ^{[ 16 ]} Las primeras cámaras SLR con medidores internos ( "a través del objetivo" o "TTL" ) (por ejemplo, la Pentax Spotmatic ) requerían que el objetivo estuviera cerrado a la apertura de trabajo al tomar una lectura del medidor. Los modelos posteriores pronto incorporaron un acoplamiento mecánico entre el objetivo y el cuerpo de la cámara, indicando la apertura de trabajo a la cámara para la exposición mientras permitían que el objetivo estuviera en su apertura máxima para la composición y el enfoque; ^{[ 16 ]} esta característica se conoció como medición de apertura abierta .

Para algunos objetivos, incluidos algunos teleobjetivos largos , objetivos montados en fuelles y objetivos de control de perspectiva y basculantes/desplazables , el enlace mecánico era poco práctico, ^{[ 16 ]} y no se proporcionaba control automático de apertura. Muchos de estos objetivos incorporaban una función conocida como apertura "preestablecida", ^{[ 16 ] [ 17 ]} que permite ajustar el objetivo a la apertura de trabajo y luego cambiar rápidamente entre la apertura de trabajo y la apertura máxima sin mirar el control de apertura. Una operación típica podría ser establecer la composición aproximada, ajustar la apertura de trabajo para la medición, volver a la apertura máxima para una verificación final del enfoque y la composición, y enfocar, y finalmente, volver a la apertura de trabajo justo antes de la exposición. Aunque ligeramente más fácil que la medición con diafragma cerrado, la operación es menos conveniente que la operación automática. Los controles de apertura preestablecida han adoptado varias formas; la más común ha sido el uso de esencialmente dos anillos de apertura del objetivo, con un anillo para ajustar la apertura y el otro para servir como tope límite al cambiar a la apertura de trabajo. Ejemplos de objetivos con este tipo de control de apertura preestablecida son el Nikon PC Nikkor 28  mm f /3.5 y el SMC Pentax Shift 6×7 75 mm f /4.5 . El objetivo Nikon PC Micro-Nikkor 85 mm f /2.8D incorpora un pulsador mecánico que ajusta la apertura de trabajo al pulsarlo y la restaura a la apertura máxima al pulsarlo una segunda vez.  

Los objetivos Canon EF , presentados en 1987, ^{[ 18 ]} tienen diafragmas electromagnéticos, ^{[ 19 ]} eliminando la necesidad de una conexión mecánica entre la cámara y el objetivo, y permitiendo el control automático de la apertura con los objetivos basculantes/descentrables Canon TS-E. Los objetivos de control de perspectiva Nikon PC-E, ^{[ 20 ]} presentados en 2008, también tienen diafragmas electromagnéticos, ^{[ 21 ]} una característica que se extendió a su gama de tipo E en 2013.

En muchos sistemas ópticos vivos , el ojo consta de un iris que ajusta el tamaño de la pupila , a través de la cual entra la luz. El iris es análogo al diafragma, y ​​la pupila (que es la abertura ajustable en el iris) a la apertura. La refracción en la córnea hace que la apertura efectiva (la pupila de entrada en términos ópticos) difiera ligeramente del diámetro físico de la pupila. La pupila de entrada suele tener  un diámetro de unos 4 mm, aunque puede variar desde tan solo 2  mm ( f /8,3 ) de diámetro en un lugar bien iluminado hasta 8 mm ( f /2,1 ) en la oscuridad como parte de la adaptación . En casos raros, algunas personas pueden dilatar sus pupilas incluso más allá de 8 mm (en iluminación escotópica ), cerca del límite físico del iris. En los humanos, el diámetro promedio del iris es de aproximadamente 11,5 mm, ^{[ 23 ]} lo que naturalmente influye también en el tamaño máximo de la pupila, donde los diámetros de iris más grandes normalmente tendrían pupilas que pueden dilatarse a un extremo más amplio que aquellos con iris más pequeños. El tamaño máximo de la pupila dilatada también disminuye con la edad.   

El iris controla el tamaño de la pupila mediante dos conjuntos de músculos complementarios, el esfínter y el dilatador , inervados respectivamente por los sistemas nerviosos parasimpático y simpático , que actúan para inducir la constricción y la dilatación pupilar , respectivamente. El estado de la pupila está estrechamente influenciado por varios factores, principalmente la luz (o la ausencia de luz), pero también por el estado emocional , el interés en el objeto de atención, la excitación , la estimulación sexual , ^{[ 24 ]} la actividad física, ^{[ 25 ]} el estado de acomodación , ^{[ 26 ]} y la carga cognitiva . ^{[ 27 ]} El campo de visión no se ve afectado por el tamaño de la pupila.

Algunas personas también pueden ejercer un control manual y consciente directo sobre los músculos del iris y, por lo tanto, pueden contraer y dilatar voluntariamente sus pupilas a voluntad. ^{[ 28 ]} Sin embargo, esta capacidad es poco común y su posible uso o ventajas no están claras.

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 que corresponda al número f de un objetivo con un diámetro de apertura absoluto del mismo tamaño y una distancia focal equivalente a 35 mm . Se espera que los números f equivalentes más pequeños den como resultado una mayor calidad de imagen debido a una mayor cantidad de luz total proveniente del sujeto, así como una menor profundidad de campo. Por ejemplo, una Sony Cyber-shot DSC-RX10 utiliza un sensor de 1", 24-200  mm con una apertura máxima constante a lo largo del rango del zoom; f /2.8 tiene un rango de apertura equivalente de f /7.6 , que es un número f equivalente menor que el de otras cámaras f /2.8 con sensores más pequeños. ^{[ 29 ]}

Sin embargo, la investigación óptica moderna concluye que el tamaño del sensor no influye en la profundidad de campo de una imagen. ^{[ 30 ]} El número f de una apertura no se modifica por el tamaño del sensor de la cámara, ya que es una relación que solo depende de las características del objetivo. En cambio, el mayor factor de recorte resultante de un sensor más pequeño implica que, para obtener un encuadre uniforme del sujeto, la foto debe tomarse desde más lejos, lo que resulta en un fondo menos desenfocado y modifica la profundidad de campo percibida. De manera similar, un sensor más pequeño con una apertura equivalente dará como resultado una imagen más oscura debido a la densidad de píxeles de sensores más pequeños con megapíxeles equivalentes. Cada fotodiodo del sensor de una cámara requiere una cierta superficie no sensible a la luz, un factor que produce diferencias en el tamaño de píxel y cambios en la relación señal-ruido . Sin embargo, ni la profundidad de campo modificada ^{[ 31 ]} ni el cambio percibido en la sensibilidad a la luz ^{[ 32 ]} son ​​consecuencia de la apertura. En cambio, la apertura equivalente puede considerarse una regla general para evaluar cómo los cambios en el tamaño del sensor podrían afectar una imagen, incluso si cualidades como la densidad de píxeles y la distancia al sujeto son las causas reales de los cambios en la imagen.

Los términos apertura de escaneo y apertura 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 de tambor , un sensor de imagen o un receptor de televisión. La apertura de muestreo puede ser una apertura óptica literal, es decir, una pequeña abertura 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 mediante la medición de las fluctuaciones de la densidad de la película, tal como se observa a través de una  apertura de muestreo de 0,048 mm.

Aperture Science, una compañía ficticia del universo ficticio de Portal , recibe su nombre del sistema óptico. El logotipo de la compañía presenta prominentemente una apertura y se ha convertido en un símbolo de la serie, la compañía ficticia y el Centro de Enriquecimiento Asistido por Computadora de Aperture Science donde se desarrolla la serie de juegos. ^{[ 33 ]}

• Apertura numérica
• Apertura de la antena
• Resolución angular
• Diafragma (óptica)
• Parada de Waterhouse
• Bokeh
• Enfoque superficial
• Enfoque profundo
• alumno de ingreso
• Alumno de salida
• Lyot se detiene

• Gibson, H. Lou. 1975. Fotografía de primeros planos y fotomacrografía . 2.ª ed. combinada. Publicación Kodak n.º N-16. Rochester, NY: Eastman Kodak Company , vol  . II: Fotomacrografía. ISBN 0-87985-160-0
• Hansma, Paul K. 1996. Enfoque de la cámara de visión en la práctica. Photo Techniques , marzo/abril de 1996, 54–57. Disponible como imágenes GIF en la página de formato grande .

• Diafragmas y aperturas