Veamos … si solo está considerando la imagen, tiende a ser el caso de que al hacer un agujero más pequeño, la imagen del agujero se vuelve más nítida. ¿Por qué?
Traza los rayos de luz a través del agujero de alfiler. Un agujero de alfiler ideal permitiría trazar exactamente un rayo desde cada punto del objeto hasta cada punto de la imagen o película.
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Cuanto más grande es el agujero de alfiler, más rayos pueden trazar desde el mismo punto en el objeto a un punto diferente en la imagen o película. Entonces … esto no implica que un agujero del tamaño de un fotón ofrecería una imagen perfecta.
Bueno no. Si realmente tuviéramos un agujero del tamaño de un fotón, pasaría un fotón perfectamente alineado frente a ese agujero, pero en cualquier otro ángulo, sería bloqueado. Hay muchas maneras de arreglar esto, pero como estamos trabajando con materiales mágicos, hagamos el agujero en un material de espesor cero … de esa manera, un fotón desde cualquier ángulo pasará a través de esa abertura.
Pero todavía tenemos un problema … ¿Qué tan grande es un fotón? Realmente no se puede definir el tamaño de un fotón independientemente de la longitud de onda del frente de onda de ese fotón. Los fotones no son en realidad partículas en el sentido físico clásico, sino cuantos de luz, que tienen una naturaleza de partículas y ondas. Se puede decir que el rango de interacción de un fotón se escala con su longitud de onda … el tamaño efectivo de un fotón es el de su longitud de onda.
La longitud de onda de la luz verde es de alrededor de 500 nm o 0,5 µm. Curiosamente, el sensor digital más pequeño alcanza a los chips de alrededor de 1 µm de píxeles: si hace que el píxel sea más pequeño que la longitud de onda de la luz que está tratando de capturar, en realidad no captura esa luz.
Hay otra cosa sobre la luz … cuando pasa cerca de una barrera, se dobla un poco. Esto se llama difracción. Aunque es una abertura lo suficientemente grande, esto tiene muy poco efecto, pero a medida que la abertura se estrecha, esta flexión significa que cualquier rastro de un fotón dado tiene un destino final incierto, porque depende de las interacciones con otros fotones. Teniendo en cuenta un flujo continuo de luz desde un solo punto, hay un destino final incierto, el mismo tipo básico de problema en el resultado de su foto que tuvimos con el agujero demasiado ancho.
Esto se llama un disco Airy, llamado así por George Airy, el tipo que descubrió por primera vez las matemáticas detrás de la difracción y la aparición de este disco. Este es un factor en todas las cámaras. No es un problema si su apertura es lo suficientemente amplia como para garantizar que el tamaño del disco Airy (o, realmente, la parte central de mayor intensidad) es pequeño en comparación con su muestreo de la imagen, sin embargo, eso se hace (a través de una película o un sensor digital) .
De hecho, hay un cálculo matemático llamado Criterio de Rayleigh, que determina el mínimo detalle resoluble. Para las cámaras digitales, eso básicamente garantiza que el Airy Disc basado en la apertura de su lente esté por encima del Criterio de Rayleigh para su matriz de píxeles específica. Si observa cualquier cámara de apuntar y disparar barata o la cámara de un teléfono inteligente, encontrará que no hay ajuste de apertura. Las cámaras modernas para teléfonos inteligentes generalmente tienen un paso de píxeles de aproximadamente 1.25–1.5 µm y una lente a f / 2.0 o más rápido. El Airy Disc de una lente f / 2.0 es de 2.68 µm, por lo que hay una ligera superposición de su fuente de luz puntual en los píxeles circundantes, pero no lo suficiente como para reducir visiblemente la resolución. Sin embargo, cuando está filmando en una cámara digital profesional de fotograma completo, puede comenzar a ver un ablandamiento real de una imagen debido a la difracción en f / 16 … más como f / 8 con una cámara APS-C o Micro Four-terirds. De nuevo, depende un poco de su muestreo: esa cámara de fotograma completo verá la limitación de difracción con un sensor de 50 megapíxeles (Canon 5Ds) mucho antes que con un sensor de 12 megapíxeles (Sony A7s).
Entonces, retrocediendo por el agujero de alfiler … en lugar de simplemente inventar números, encontré una cámara de agujerito comercialmente disponible, la HARMAN TiTAN. El cono estándar de esta cámara tiene una longitud focal de 70 mm, con un orificio de 0,35 mm mecanizado con precisión, que ofrece una apertura de f / 206. Esa es una apertura bastante pequeña, ¿eh? El disco Airy de ese agujero de alfiler tiene 276 µm … sí, con ese agujero de alfiler, un único punto de luz perfecto cubriría 184 píxeles individuales en el sensor de su teléfono inteligente.
El HARMAN TiTAN lo supera yendo en grande: es una cámara de gran formato de 4 ″ x 5 ″ (también hay una versión de 8 ″ x 10 ″, con un cono estándar f / 288). Construir un plano de película más grande significa que tiene más resolución para comenzar, por lo que se ve menos afectado por la difracción en una escala absoluta. Es por eso que las lentes de formato medio a menudo se detienen a f / 64, pero eso es prácticamente desconocido en formatos de 35 mm y más pequeños.
Lo que esto te dice es que debe haber un tamaño de agujero de alfiler óptimo. A medida que reduce la apertura, la imagen se vuelve más y más nítida hasta que los efectos de difracción comienzan a dominar, momento en el que las cosas se vuelven cada vez más borrosas. Entonces, en el límite a medida que te acercas a la longitud de onda de tu luz, tu imagen de agujero de alfiler se vuelve cada vez más borrosa. Una vez que la apertura es más pequeña que la longitud de onda, no pasa luz por esa apertura. No estoy seguro de que vea algo realmente significativo cuando su apertura alcanza la longitud de onda exacta de la luz en términos prácticos, porque cualquier imagen determinada estará compuesta de luz de todas las frecuencias diferentes.
Pero según el principio Hyugens-Fresnel, creo que maximiza la autointerferencia en esa misma longitud de onda cuando el tamaño de la abertura coincide con la longitud de onda de esa luz. En resumen, después de que la difracción comienza a dominar, la imagen se vuelve cada vez más borrosa hasta que la apertura es demasiado pequeña para que la luz pase.
Si le gusta la fotografía estenopeica, en realidad es posible obtener “lentes” estenopeicas para cámaras digitales normales. Pero vas a sufrir por el sensor más pequeño. También es el caso de que, si bien parte del aspecto “soñador” de la fotografía estenopeica proviene de la profundidad de campo infinita y otras características del agujero estelar, parte de la exposición prolongada obligatoria necesaria cuando se utiliza una f / 200 + lente. Es bastante posible usar un filtro de densidad neutra en una cámara normal para tomar fotos similares de tiempo prolongado.
Llevándolo de vuelta!
No mucho después de que escribí este artículo inicial, un bonito juguete nuevo llegó por correo:
Este es el Pinhole Pro de Thingify, que había comprado en Kickstarter hace meses. Este es un “lente” para su cámara réflex digital o cámara sin espejo … en mi caso, mi sistema Micro Four terirds. La parte Pro es el hecho de que puede establecer diferentes diámetros de agujero de alfiler, entre 0,80 mm y 0,10 mm, sí, se mueve en diferentes agujeros de alfiler, sin usar un iris ni nada. Entonces son de alta calidad.
Aquí hay una vista de mi patio trasero, tomada con una cámara Olympus OM-D E-M5 mark II y una lente Zuiko 25mm f / 1.8, a f / 1.8. La lente estenopeica también mide unos 25 mm, por lo que proporciona una buena comparación.
Aquí está la misma toma, solo en f / 16. Definitivamente hay un ligero ablandamiento debido a la difracción en este, pero, por supuesto, una profundidad de campo mucho más profunda, por lo que es una compensación razonable, y no es probable que sea obvio a menos que esté observando píxeles.
Aquí está la lente estenopeica a 0.80 mm, que resulta ser aproximadamente f / 31.25. Bastante bien, supongo que es el gran agujero que afecta la nitidez.
Esto es a 0,50 mm. Tenía un filtro UV en el Pinhole Pro para esta toma, y fiel a su naturaleza, incluso algunas partículas de polvo en ese filtro están enfocadas. Bueno, tan enfocado como uno puede obtener con este pinhole, que debería ser f / 50.
Este es de 0.30 mm, ahora más nítido, incluso en f / 83.3.
El siguiente es 0.25 mm, que funciona a f / 100. Todavía cada vez más nítido, aunque no en el estadio de las tomas de la lente … todavía no.
Este es de 0,20 mm yf / 125.
Aquí hay un agujero de alfiler de 0.15 mm, funcionando a f / 166.67. ¿Es más agudo?
Y, por último, el pinhole está a 0,10 mm, que es f / 250, y la última parada en el anillo pinhole. Eso definitivamente se vuelve más borroso, lo que demuestra mi afirmación sobre el equilibrio entre el tamaño del orificio y el ablandamiento de difracción que conduce a un equilibrio y un tamaño óptimo del orificio. Esta es también una exposición de 10 segundos a ISO 200 a plena luz del día.
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