Aberraciones en Objetivos

Investigando para entender algo más sobre los defectos introducidos por los objetivos en las imagenes capturadas he hecho un resumen de todo lo que he encontrado. Como me ha resultado interesante, he decidido colgarlo aquí por si a alguien le resulta de ayuda.
Cualquier comentario que amplie o corrija este artículo será bienvenido.
El título de mi "conferencia" es:

- Importancia de los Objetivos en la Calidad Final de las Imágenes -

ABERRACIONES y OTROS FACTORES

La capacidad resolutiva de un objetivo depende, entre otras, de las aberraciones y de la difracción.

Difracción: se produce porque en el borde de una superficie opaca (como las láminas de un diafragma), se dispersan ligeramente las ondas luminosas, lo que producirá pérdida de nitidez y contraste.

Cuando cerramos el diafragma las aberraciones se ven mitigadas y el único factor limitante es la difracción. Cuando abrimos el diafragma la difracción pierde importancia pero las aberraciones aumentan. Existe una abertura del diafragma conocida como “punto dulce” donde se optimizan las alteraciones en la imagen producidas por la difracción y las aberraciones, es decir, donde se obtienen los mejores resultados en cuanto a nitidez, contraste y unas mínimas alteraciones por aberraciones. Para cada objetivo es una apertura específica, pero si no conocemos cual es podemos considerar dicho punto entre f/8 y f/11.

Las aberraciones (del latín ab errare, ab: fuera; errare: errar, es decir, apartarse del camino, desviarse o extraviarse) provocan alteraciones diversas en la imagen.

Existen aberraciones monocromáticas:

(a) de esfericidad
(b) de coma
(c) de curvatura de campo
(d) de astigmatismo
(e) de distorsión

y aberraciones cromáticas:

(f) longitudinal
(g) lateral

Dado que no hay grados de libertad suficientes en un objetivo (radios, grosores y espacios) para una corrección completa de todas las aberraciones, es usual durante su diseño aceptar una cantidad controlada de algunas de ellas, para compensar la presencia inevitable de otras.



ABERRACIONES MONOCROMÁTICAS:

(a) Aberración esférica: los rayos que pasan por los borde de una lente no convergen en el mismo foco que los que lo hacen por el centro de la lente (porque el ángulo de incidencia de cada rayo está en función de la curvatura de la lente), el plano focal se desplaza con la abertura. La imagen que proyecta una lente con aberración esférica es un punto luminoso rodeado de un halo. Este problema afecta a todos los objetivos, en mayor o menor medida. Las lentes con superficies aesféricas (no esféricas, con perfiles con forma de parábolas o elipses) ayudan a reducir esta aberración. También se puede atenuar limitando la superficie útil de la lente a su centro cerrando el diafragma (valores grandes de f/).

(b) Aberración de coma: de naturaleza similar a la anterior, en el sentido de venir explicada por diferencias en la refracción de los haces de luz en función de su ángulo de incidencia en la superficie curva de la lente. La luz con un mayor ángulo de incidencia es desviada con un ángulo distinto que la luz que entra más cerca del eje. El efecto son puntos de luz proyectados con un halo triangular y forma de cometa. Entre otras, se puede corregir mediante combinaciones de distintas curvaturas en una y otra cara de la lente (bending).

(c) Astigmatismo: es la diferencia entre las superficies curvas correspondientes a detalles sagitales (líneas orientadas hacia el centro de la imagen) y tangenciales (líneas perpendiculares a las anteriores): las líneas verticales y horizontales de una misma imagen se forman sobre dos planos distintos en lugar de coincidir

(d) Curvatura de campo: consiste en que el plano focal deja de ser plano y se convierte en una superficie curva que coincide parcialmente con el sensor (o la película) sólo en una pequeña zona central, es decir, la imagen solamente estará enfocada en la zona central de la imagen, y conforme nos alejemos de esta zona se irá desenfocando más y más.
Estas dos últimas se corrigen a la vez combinando varias lentes en el objetivo, que pasará a ser “anastigmático”

(e) Distorsión: cuando las líneas rectas del sujeto se reproducen sobre la imagen (sensor) mediante curvas, son las distorsiones de barrilete y de cojín o almohadón. Se corrige colocando el diafragma en el centro del objetivo (también hay otros sistemas), un objetivo corregido en este tipo de distorsión se considera “ortoscópico”.



ABERRACIONES CROMÁTICAS:

(f) Aberración Cromática: los rayos de luz se refractan (desvían) más cuanto más corta es la longitud de onda (según el color la luz tiene una longitud de onda u otra, violeta-azul =onda corta, rojo=onda larga). Al llegar la luz al sensor los diversos rayos no van a incidir en el sitio en que deberían, ya que unos estarán más desviados que otros, se producirán varias imágenes coloreadas que se escalan en profundidad formando “irisaciones”. Se puede corregir con lentes convergentes y divergentes. Cuando tenemos un objetivo “acromático” quiere decir que la luz roja y azul convergen en el mismo foco, y cuando tenemos un objetivo” apocromático” quiere decir que además los rayos verdes también convergen en el mismo foco.

(g) Aberración cromática transversal: todas las longitudes de onda (colores) enfocan en el mismo plano, pero con desplazamientos laterales respecto del eje (centro).

Además de las aberraciones comentadas hay que tener en cuenta los reflejos internos y la luz parásita (flare) que afectan severamente al contraste de un objetivo y, por tanto, a la calidad de imagen, si bien no son aberraciones.

El viñeteo tampoco es una aberración, pero afecta a la calidad de imagen, y podemos considerarlo una propiedad de los objetivos. Hay tres tipos de viñeteo, según su causa: el óptico (o físico, o artificial); el natural; y el mecánico. El de origen óptico se da cuando la luz que entra por los bordes de la lente frontal se encuentra con las paredes internas del objetivo. A mayor abertura de diafragma mayor viñeteo. El viñeteo natural se produce porque los haces de luz que inciden en las zonas periféricas de la película o sensor recorren una mayor distancia que aquellos que alcanzan zonas cercanas al eje, y se dispersan en una superficie mayor. El mecánico se da cuando algún accesorio entorpece la entrada de la luz, como puede ser el caso de los filtros o los parasoles.

Dicho lo dicho ya os podéis imaginar el por qué de los precios que pagamos por los objetivos, y por qué objetivos que en principio tienen la misma distancia focal y la misma luminosidad dan resultados completamente distintos. También os podéis imaginar lo complicadísimo que es técnicamente diseñar un objetivo (mecanismo de muy alta precisión): tipo de lentes, curvaturas, disposición, recubrimientos con sustancias exóticas para disminuir la refracción…. y que todo ello al final sea posible de fabricar y….. a un precio razonable.

Además es necesario saber que hacer una fotografía no solamente se trata de medir la luz, elegir una combinación de apertura/tiempo, encuadrar y disparar. Es muy importante tener en cuenta la apertura que elegimos de entre las posibles, ya que de ello va a depender la calidad, nitidez y contraste de la imagen final (la apertura óptima es la anteriormente mencionada entre f/8 y f/11).
Concretamente, las aberraciones que dependen de la abertura son la aberración cromática (aumenta linealmente con el radio de abertura), la aberración de coma (aumenta igual que el radio de apertura al cuadrado), la aberración esférica (aumenta igual que el radio al cubo), y el viñeteo.

Es cierto que a veces vamos a tener que tirar con aberturas grandes porque queremos poca profundidad de campo, o porque vamos a exponer durante muy poco tiempo para congelar una escena de acción, o porque tenemos muy poca luz. O por el contrario vamos a utilizar una apertura pequeña porque necesitamos mucha profundidad de campo, o porque deseamos algún efecto para lo cual es necesario un tiempo largo de exposición… En ambos casos, seguro que vamos a obtener una imagen de mucha calidad (nuestros equipos son muy buenos), pero debemos saber que vamos a perder algo de calidad en la imagen respecto a lo que podríamos obtener si utilizásemos el objetivo a su máximo rendimiento (en su “punto dulce”).

Espero que os haya resultado de interés y que os sirva de algo en vuestras próximas fotografías.


Si alguien desea profundizar más, la bibliografía y documentación que he consultado son: estudio Fundamentos de Fotografía Digital (de Efraín García y Rubén Osuna, anda por internet), Curso de Fotografía Argéntica (libro de René Bouillot), Los secretos de la Exposición Fotográfica (libro de Bryan Peterson).