Ciência da fotografia - Science of photography

A ciência da fotografia é o uso da química e da física em todos os aspectos da fotografia . Isso se aplica à câmera, às suas lentes, à operação física da câmera, às partes internas da câmera eletrônica e ao processo de revelação do filme para tirar e revelar as fotos adequadamente.

Óptica

Camera obscura

A luz entra em uma caixa escura por um pequeno orifício e cria uma imagem invertida na parede oposta ao orifício.

A tecnologia fundamental da maioria da fotografia, seja digital ou analógica, é o efeito de câmera obscura e sua capacidade de transformar uma cena tridimensional em uma imagem bidimensional. Em sua forma mais básica, uma câmera obscura consiste em uma caixa escurecida, com um orifício muito pequeno em um dos lados, que projeta uma imagem do mundo externo no lado oposto. Esse formato é geralmente conhecido como câmera pinhole .

Quando auxiliado por uma lente, o orifício na câmera não precisa ser minúsculo para criar uma imagem nítida e distinta, e o tempo de exposição pode ser reduzido, o que permite que as câmeras sejam transportadas na mão.

Lentes

Uma lente fotográfica é geralmente composta de vários elementos de lente , que se combinam para reduzir os efeitos da aberração cromática , coma , aberração esférica e outras aberrações . Um exemplo simples é o trio Cooke de três elementos , ainda em uso mais de um século depois de ter sido projetado, mas muitas lentes fotográficas atuais são muito mais complexas.

Usar uma abertura menor pode reduzir a maioria, mas não todas as aberrações. Eles também podem ser reduzidos drasticamente com o uso de um elemento asférico , mas eles são mais complexos de polir do que as lentes esféricas ou cilíndricas. No entanto, com as técnicas de fabricação modernas, o custo extra de fabricação de lentes asféricas está diminuindo, e pequenas lentes asféricas agora podem ser feitas por moldagem, permitindo seu uso em câmeras de consumo de baixo custo. As lentes Fresnel não são comuns em fotografia e são usadas em alguns casos devido ao seu peso muito baixo. A lente monocêntrica acoplada a fibra recentemente desenvolvida consiste em esferas construídas de conchas hemisféricas concêntricas de diferentes vidros amarradas ao plano focal por feixes de fibras ópticas. Lentes monocêntricas também não são usadas em câmeras porque a tecnologia acabou de ser lançada em outubro de 2013 na Frontiers in Optics Conference em Orlando, Flórida.

Todo design de lente é um compromisso entre vários fatores, sem excluir o custo. As lentes de zoom (ou seja, lentes de distância focal variável) envolvem compromissos adicionais e, portanto, normalmente não correspondem ao desempenho das lentes principais .

Quando uma lente de câmera é focalizada para projetar um objeto a alguma distância no filme ou detector, os objetos que estão mais próximos em distância, em relação ao objeto distante, também estão aproximadamente em foco. A faixa de distâncias que estão quase em foco é chamada de profundidade de campo . A profundidade de campo geralmente aumenta com a diminuição do diâmetro da abertura (aumentando o número f). O desfoque fora da profundidade de campo às vezes é usado para efeitos artísticos em fotografia. A aparência subjetiva desse desfoque é conhecida como bokeh .

Se a lente da câmera estiver focada na distância hiperfocal ou além dela , a profundidade de campo torna-se grande, cobrindo tudo, desde a metade da distância hiperfocal até o infinito . Este efeito é usado para fazer câmeras de " foco livre " ou de foco fixo.

Aberração

Aberrações são as propriedades de desfoque e distorção de um sistema óptico . Uma lente de alta qualidade produzirá uma quantidade menor de aberrações.

A aberração esférica ocorre devido ao aumento da refração dos raios de luz que ocorre quando os raios atingem uma lente ou um reflexo dos raios de luz que ocorre quando os raios atingem um espelho próximo à sua borda em comparação com aqueles que atingem o centro. Isso depende da distância focal de uma lente esférica e da distância de seu centro. É compensado pelo design de um sistema de lentes múltiplas ou pelo uso de lentes asféricas .

A aberração cromática é causada por uma lente com um índice de refração diferente para diferentes comprimentos de onda de luz e a dependência das propriedades ópticas da cor . A luz azul geralmente se curva mais do que a luz vermelha. Existem aberrações cromáticas de ordem superior, como a dependência da ampliação da cor. A aberração cromática é compensada pelo uso de lentes feitas de materiais cuidadosamente projetados para cancelar as aberrações cromáticas.

A superfície focal curva é a dependência do foco de primeira ordem na posição no filme ou CCD. Isso pode ser compensado com um design óptico de múltiplas lentes, mas curvando o filme também foi usado.

Foco

Este assunto está em foco nítido, enquanto o fundo distante está desfocado

O foco é a tendência dos raios de luz atingirem o mesmo local no sensor de imagem ou no filme, independentemente de onde passem pela lente. Para imagens nítidas, o foco é ajustado para distância, porque em uma distância diferente do objeto, os raios atingem diferentes partes da lente com diferentes ângulos. Na fotografia moderna, o foco geralmente é realizado automaticamente.

O sistema de foco automático em SLRs modernos usa um sensor na caixa de espelho para medir o contraste. O sinal do sensor é analisado por um circuito integrado específico do aplicativo (ASIC), e o ASIC tenta maximizar o padrão de contraste movendo os elementos da lente. Os ASICs em câmeras modernas também têm algoritmos especiais para prever o movimento e outros recursos avançados.

Limite de difração

Como a luz se propaga como ondas, os padrões que ela produz no filme estão sujeitos ao fenômeno de onda conhecido como difração , que limita a resolução da imagem a recursos da ordem de várias vezes o comprimento de onda da luz. A difração é o principal efeito que limita a nitidez das imagens ópticas de lentes que são reduzidas a pequenas aberturas (números f altos), enquanto as aberrações são o efeito limitador de grandes aberturas (números f baixos). Visto que a difração não pode ser eliminada, a melhor lente possível para uma determinada condição de operação (configuração de abertura) é aquela que produz uma imagem cuja qualidade é limitada apenas pela difração. Diz-se que tal lente é limitada pela difração .

O tamanho do ponto óptico limitado por difração no CCD ou filme é proporcional ao número f (quase igual ao número f vezes o comprimento de onda da luz, que é próximo a 0,0005 mm), tornando o detalhe geral em uma fotografia proporcional ao tamanho do filme, ou CCD dividido pelo número f. Para uma câmera de 35 mm com f / 11, esse limite corresponde a cerca de 6.000 elementos de resolução na largura do filme (36 mm / (11 * 0,0005 mm) = 6.500.

O tamanho do ponto finito causado pela difração também pode ser expresso como um critério para distinguir objetos distantes: duas fontes de pontos distantes só podem produzir imagens separadas no filme ou sensor se sua separação angular exceder o comprimento de onda da luz dividido pela largura da abertura aberta da lente da câmera.

Processos químicos

Prata gelatina

Daguerreótipos

Processo de colódio e o ambrótipo

Cianotipos

Processos de platina e paládio

Bicromato de goma

O bicromato de goma é um processo de impressão fotográfica do século XIX baseado na sensibilidade à luz dos dicromatos. É capaz de reproduzir imagens pictóricas de negativos fotográficos. A impressão de goma é tradicionalmente um processo de impressão em várias camadas, mas resultados satisfatórios podem ser obtidos em uma única passagem. Qualquer cor pode ser usada para impressão de goma, portanto, fotografias em cores naturais também são possíveis usando essa técnica em camadas.

C-impressões e filme colorido

Sensores digitais

Aplicações práticas

Lei da reciprocidade

Exposição ∝ Área de abertura × Tempo de exposição × Luminância da cena

A lei da reciprocidade descreve como a intensidade da luz e a duração são trocadas para fazer uma exposição - ela define a relação entre a velocidade do obturador e a abertura , para uma determinada exposição total . As alterações em qualquer um desses elementos são geralmente medidas em unidades conhecidas como "paradas"; uma parada é igual a um fator de dois.

Reduzir pela metade a quantidade de luz que expõe o filme pode ser obtida por:

1. Fechando a abertura em um ponto
2. Diminuindo o tempo do obturador (aumentando a velocidade do obturador) em uma parada
3. Cortando a iluminação da cena pela metade

Da mesma forma, dobrar a quantidade de luz que expõe o filme pode ser alcançado pelo oposto de uma dessas operações.

A luminância da cena, medida em um medidor de luz refletida , também afeta a exposição proporcionalmente. A quantidade de luz necessária para a exposição adequada depende da velocidade do filme ; que pode ser variada em paradas ou frações de paradas. Com qualquer uma dessas alterações, a abertura ou a velocidade do obturador podem ser ajustadas por um número igual de pontos para obter uma exposição adequada.

A luz é mais facilmente controlada pelo uso da abertura da câmera (medida em f-stops ), mas também pode ser regulada ajustando a velocidade do obturador . Usar filme mais rápido ou mais lento geralmente não é algo que pode ser feito rapidamente, pelo menos usando filme em rolo. As câmeras de grande formato usam folhas individuais de filme e cada folha pode ter uma velocidade diferente. Além disso, se você estiver usando uma câmera de formato maior com uma polaroid traseira, poderá alternar entre as costas contendo diferentes polaroids de velocidade. As câmeras digitais podem ajustar facilmente a velocidade do filme que estão simulando ajustando o índice de exposição , e muitas câmeras digitais podem fazer isso automaticamente em resposta às medições de exposição.

Por exemplo, começando com uma exposição de 1/60 em f / 16, a profundidade de campo poderia ser reduzida abrindo a abertura para f / 4, um aumento na exposição de 4 pontos. Para compensar, a velocidade do obturador também precisaria ser aumentada em 4 pontos, ou seja, ajustar o tempo de exposição para 1/1000. Fechar a abertura limita a resolução devido ao limite de difração .

A lei de reciprocidade especifica a exposição total, mas a resposta de um material fotográfico a uma exposição total constante pode não permanecer constante para exposições muito longas em luz muito fraca, como fotografar um céu estrelado, ou exposições muito curtas em luz muito brilhante, como como fotografar o sol. Isso é conhecido como falha de reciprocidade do material (filme, papel ou sensor).

Desfoque de movimento

O desfoque de movimento é causado quando a câmera ou o assunto se move durante a exposição. Isso causa uma aparência listrada distinta no objeto em movimento ou na imagem inteira (no caso de trepidação da câmera).

Desfoque de movimento de um fundo enquanto segue o assunto

O desfoque de movimento pode ser usado artisticamente para criar a sensação de velocidade ou movimento, como na água corrente. Um exemplo disso é a técnica de " panning ", em que a câmera é movida de forma a acompanhar o assunto, que geralmente se move rapidamente, como um carro. Feito corretamente, obterá uma imagem de um objeto nítido, mas o fundo terá desfoque de movimento, dando a sensação de movimento. Esta é uma das técnicas fotográficas mais difíceis de dominar, pois o movimento deve ser suave e na velocidade correta. Um assunto que se aproxima ou se afasta da câmera pode causar ainda mais dificuldades de foco.

Trilhas leves

Trilhas de luz são outro efeito fotográfico em que o desfoque de movimento é usado. Fotografias das linhas de luz visíveis em fotos de estradas de longa exposição à noite são um exemplo do efeito. Isso é causado pelos carros que se movem ao longo da estrada durante a exposição. O mesmo princípio é usado para criar fotografias de trilhas estelares.

Geralmente, o desfoque de movimento é algo que deve ser evitado e isso pode ser feito de várias maneiras diferentes. A maneira mais simples é limitar o tempo do obturador para que haja muito pouco movimento da imagem durante o tempo em que o obturador está aberto. Em distâncias focais maiores , o mesmo movimento do corpo da câmera causará mais movimento da imagem, portanto, um tempo de obturação mais curto é necessário. Uma regra prática comumente citada é que a velocidade do obturador em segundos deve ser aproximadamente o recíproco da distância focal equivalente a 35 mm da lente em milímetros. Por exemplo, uma lente de 50 mm deve ser usada a uma velocidade mínima de 1/50 seg e uma lente de 300 mm a 1/300 de segundo. Isso pode causar dificuldades quando usado em cenários de pouca luz, uma vez que a exposição também diminui com o tempo do obturador.

A fotografia de alta velocidade usa exposições muito curtas para evitar o desfoque de assuntos em movimento rápido

O desfoque de movimento devido ao movimento do assunto geralmente pode ser evitado usando uma velocidade do obturador mais rápida. A velocidade exata do obturador dependerá da velocidade com que o objeto se move. Por exemplo, uma velocidade de obturador muito rápida será necessária para "congelar" os rotores de um helicóptero, enquanto uma velocidade de obturador mais lenta será suficiente para congelar um corredor.

Um tripé pode ser usado para evitar o desfoque devido ao movimento da câmera. Isso estabilizará a câmera durante a exposição. Recomenda-se um tripé para tempos de exposição superiores a cerca de 1/15 segundos. Existem técnicas adicionais que, em conjunto com o uso de um tripé, garantem que a câmera permaneça imóvel. Eles podem empregar o uso de um atuador remoto, como um disparador de cabo ou interruptor remoto infravermelho para ativar o obturador, de modo a evitar o movimento normalmente causado quando o botão de liberação do obturador é pressionado diretamente. O uso de um "temporizador automático" (um mecanismo de liberação cronometrada que dispara automaticamente o disparo do obturador após um intervalo de tempo) pode servir ao mesmo propósito. A maioria das câmeras reflex de lente única (SLR) modernas tem um recurso de travamento de espelho que elimina a pequena quantidade de vibração produzida pelo espelho virando para cima.

Resolução de grão de filme

Granulação forte em filme negativo ISO400, pressionado para ISO1600.

O filme em preto e branco tem um lado "brilhante" e um lado "opaco". O lado opaco é a emulsão , uma gelatina que suspende uma série de cristais de haleto de prata . Esses cristais contêm grãos de prata que determinam a sensibilidade do filme à exposição à luz e o quão fino ou granulado ficará o negativo. Grãos maiores significam exposição mais rápida, mas uma aparência mais granulada; grãos menores têm uma aparência mais fina, mas precisam de mais exposição para serem ativados. A granulação do filme é representada por seu fator ISO ; geralmente um múltiplo de 10 ou 100. Números mais baixos produzem grãos mais finos, mas filmes mais lentos e vice-versa.

Contribuição para o ruído (grão)

Eficiência quântica

A luz vem em partículas e a energia de uma partícula de luz (o fóton ) é a frequência da luz vezes a constante de Planck . Uma propriedade fundamental de qualquer método fotográfico é como ele coleta a luz em sua chapa fotográfica ou detector eletrônico.

CCDs e outros fotodiodos

Os fotodiodos são diodos semicondutores polarizados, nos quais uma camada intrínseca com muito poucos portadores de carga impede o fluxo de correntes elétricas. Dependendo do material, os fótons têm energia suficiente para elevar um elétron da banda cheia superior para a banda vazia mais baixa. O elétron e o "buraco", ou o espaço vazio onde estava, ficam então livres para se mover no campo elétrico e transportar corrente, que pode ser medida. A fração de fótons incidentes que produzem pares de portadores depende muito do material semicondutor.

Tubos fotomultiplicadores

Os tubos fotomultiplicadores são fototubos a vácuo que amplificam a luz ao acelerar os fotoelétrons para liberar mais elétrons de uma série de eletrodos. Eles estão entre os detectores de luz mais sensíveis, mas não são adequados para fotografia.

Aliasing

O aliasing pode ocorrer no processamento óptico e químico, mas é mais comum e de fácil compreensão no processamento digital. Ocorre sempre que uma imagem óptica ou digital é amostrada ou reamostrada a uma taxa muito baixa para sua resolução. Algumas câmeras digitais e scanners possuem filtros anti-aliasing para reduzir o aliasing, desfocando intencionalmente a imagem para corresponder à taxa de amostragem. É comum que o equipamento de revelação de filme seja usado para fazer impressões de tamanhos diferentes para aumentar a granulação das impressões de tamanho menor por meio de serrilhado.

Geralmente é desejável suprimir ambos os ruídos, como granulação e detalhes do objeto real, que são muito pequenos para serem representados na taxa de amostragem.

Veja também

• Astrofotografia
• Fotografia subaquática
• Fotografia infravermelha
• Fotografia ultravioleta
• Brometo de prata
• Processamento fotográfico
• Edição de imagem
• Destaque o headroom

Referências