Cuando el inventor francés Nicephore Niepece tomó en 1826, la primera fotografía, no se imaginó ni remotamente lo que su descubrimiento iba a significar para el mundo. Hoy día la fotografía es parte esencial del negocio de las comunicaciones, en diarios y revistas. También en el mundo de la ciencia, la fotografía juega un rol vital, desde la astronomía a la química y biología, como en el proceso de censores remotos que captan y nos envían imágenes satelitales.

El origen de la fotografía se remonta a la invención de la "cámara oscura", una pieza oscura con un agujero en una pared, en la que las imágenes se proyectan en la muralla opuesta. Por allá por el siglo XVI, los inventores ya sabían que la luz podía blanquear ciertas sales de plata, pero no sabían cómo lograr imágenes permanentes, de modo que pudieran sobrevivir a la exposición de nueva luz. Esto tuvo que esperar hasta el siglo XIX.

El aparato que hace posible la fotografía es "la cámara", una versión miniaturizada de la pieza oscura. Esta es esencialmente una pequeña caja que en lugar del agujero destinado a que la luz penetre, tiene lentes que controlan la cantidad de luz y además un objetivo. En el corazón de cualquier cámara hay una película sensible a la luz, que retiene la imagen.

El film fotográfico contiene pequeños cristales de haluro de plata, compuesto hecho de cargas positivas de iones de plata y negativas de iones de cloro, bromuro o iodo. Estos cristales están suspendidos en una delgada capa de gelatina para formar una emulsión sensible a la luz, todo lo cual está sobre una base de polímero transparente que le da su fuerza mecánica.

Estos cristales de haluro de plata son muy especiales, ya que son sensibles a la luz que los golpea. Su sensibilidad está limitada a la longitud de onda de 300 a 500 nanometros, lo que corresponde a la luz ultravioleta y la luz azul. Sin embargo, agregándole colorantes, se puede extender hasta cubrir el espectro visible y aún más allá.

Nadie sabe con exactitud qué sucede dentro de los cristales, pero sin embargo la mayor parte de los químicos cree que fotones golpean y expulsan electrones de la superficie del cristal. Luego estos electrones se juntarían con las cargas positivas de los iones de plata para formar unos pocos átomos de plata metálica. También se forman pequeñas cantidades de gases halógenos que migran a la superficie del cristal, donde son absorbidos por la gelatina. Estos gases no forman parte del proceso fotográfico. Lo importante es que la luz ha creado un pattern de pequeñas manchas metálicas en la película, llamadas "imagen latente".


Desarrollando la imagen

En esta etapa la imagen latente es invisible y debe desarrollarse en una pieza fotográfica oscura. El truco está en encontrar una forma de distinguir entre los cristales que contienen manchitas de aquellos que no las tienen. Las sustancias químicas que logran esto, se llaman "reveladores". Son soluciones alcalinas que contienen agentes débilmente reductores, como el 1,4-hidroxibenceno, mejor conocido en los círculos fotográficos como hidroquinona.

Los reveladores trabajan reaccionando con los cristales de haluro de plata para formar grandes granos de plata metálica. Los reveladores trabajan más efectivamente en los cristales que ya tienen pequeñas manchitas de plata. Así, por un cuidadoso control de la concentración, el pH, la temperatura y el tiempo de la reacción, es posible detener la reacción del revelador cuando ha cambiado los cristales expuestos al metal, pero sin que alcance a reaccionar con los cristales no expuestos. La mayor parte de las películas son sensibles a todo el espectro visible de modo que el desarrollo debe llevarse a cabo en la total oscuridad.

La etapa siguiente está destinada a remover los cristales de haluro de plata no expuestos, proceso que se llama "fijación". Esto se hace con tiosulfato de sodio o amonio, sustancias químicas que convierten el haluro de plata en sales solubles de plata, que se pueden remover por un lavado. El resultado es un pattern oscuro de granos metálicos embebidos en la gelatina, que refleja exactamente los pattern de luz que han caído sobre el film. Esta imagen, en que el blanco aparece negro y viceversa, se llama "negativo".

Generalmente el tamaño de los cristales del haluro de plata que se usa en las películas determina la sensibilidad del film a la luz. Los granos grandes son más fáciles de ser golpeados por la luz, por lo que con ellos se hacen las películas más sensibles. Sin embargo, debe estructurarse un balance entre el tamaño de los granos, la calidad de la imagen que ellos producen y la sensibilidad requerida a la luz. Cuando se desarrolla la película y se amplía, los cristales grandes aparecen en la imagen final. Esto explica que en las películas llamadas de baja densidad a la luz, a menudo se ven granujientas.

La sensibilidad a la luz de una película es lo que se llama "velocidad del film": Mientras más rápida es la película, más sensible a la luz va a ser. La velocidad de la película se mide por una escala determinada por ISO, la Organización Internacional para los Estándares. El llamado número ISO, aumenta con la sensibilidad a la luz de la película. Por ejemplo, un film ISO 400 requiere la mitad de la luz que un film ISO 200 en las mismas condiciones. Cuando la luz es pobre o cuando se requiere una exposición muy rápida (como por ejemplo en fotografías deportivas), los fotógrafos generalmente escogen una película ISO 400, o aún más rápida.

Los films más lentos son menos sensibles a la luz. Así un film ISO 50 necesita cuatro veces más luz que un ISO 200. Pero porque ellos emplean granos más pequeños, producen imágenes más suaves. Los estudios fotográficos pueden utilizar iluminación de flash para potenciar la luz disponible, de modo que pueden escoger películas más lentas ya que requieren imágenes de alta calidad, en que los pequeños detalles sean nítidos.

Para producir una fotografía hay que hacer pasar la luz a través del negativo, hasta un papel cubierto con una fina capa de emulsión sensible a la luz. El mismo proceso de desarrollo y fijación produce una imagen positiva en blanco y negro. Este papel fotográfico es sólo sensible a la luz azul, o a la luz azul y verde, de modo que esta etapa puede tener lugar en presencia de luz amarilla o roja.


Imagen de color. Filtros y colorantes

Hay muchos diferentes colores y sombras, pero por la forma en que el ojo humano percibe los colores, todos ellos pueden reproducirse por una combinación adecuada de los tres "colores primarios": azul, verde y rojo. La combinación puede producirse en dos formas. La primera, "síntesis aditiva", que agrega colores directamente. Sin ir más lejos, agregando la luz azul y verde con igual fuerza, produce un color azul-verdoso, llamado cyan. Mientras que agregando el rojo y el verde, se produce amarillo. El rojo y el azul, hace el magenta. Agregando rojo, azul y verde, se produce el blanco.

La segunda opción es comenzar con luz blanca y usar "filtros complementarios" para sustraer los colores primarios. Los filtros magenta vuelven a la luz gris. Los filtros cyan bloquean la luz roja y los filtros amarillos absorben la luz azul. Este proceso se llama "síntesis sustractiva". Para producir una luz roja, debe removerse desde la luz blanca, el azul y el verde, lo que se puede hacer con filtros amarillos y magentas. Para crear grises se requiere de filtros amarillos y cyan. Y así sucesivamente.

Para lograr una imagen en color, la luz tiene que dividirse en sus constituyentes colores primarios y la combinación mantenerse en una película. ¿Cómo puede hacerse esto en un film único? La respuesta es usando muchas capas finas de emulsión puestas unas sobre otras y asegurándose que cada capa guarde un color primario diferente.

Las películas en colores, usan tres capas de emulsión, donde cada una responde a un color diferente (figura 2). La capa superior registra cualquier luz azul que caiga sobre ella. Por debajo de ésta, hay un filtro amarillo (el complemento del azul), que absorbe cualquier luz azul que haya quedado. La próxima capa contiene colorante sensible al verde y por debajo de ésta hay una capa sensible al rojo. En esta forma una fotografía en colores puede lograrse con una sola exposición.

Procesar una película en colores, es más complicado que una película en blanco y negro. Cuando los cristales de haluro de plata se convierten en plata metálica, cada capa contiene sustancias químicas que pueden formar un colorante de un color específico. Ellos son conocidos como "colores emparejados". En el proceso de "color reverso", que produce una transparencia positiva o slide, la primera etapa consiste en desarrollar una imagen de plata negativa en cada una de las capas de la película, sin separar los colores emparejados.

La próxima etapa traduce el resto del haluro de plata en cada capa desarrollable. Luego viene el desarrollo del color. Esto simultáneamente produce una imagen de plata metálica del remanante haluro de plata en cada capa, junto con la consiguiente imagen coloreada de la capa de colores complementarios. Finalmente la plata metálica se convierte de nuevo en sales de plata soluble y se eliminan lavándolas. El resultado es un film transparente que contiene capas coloreadas de amarillo, magenta y cyan (figura 3). Cuando la luz blanca ilumina a través de la película, el proceso de síntesis sustractiva forma una imagen en color. En la película de colores negativos, se omite la etapa que da la imagen positiva, siendo el resto del desarrollo esencialmente el mismo.


Las cámaras y los lentes. ¡Mire el pajarito!

Para captar una imagen se necesita una cámara y un sistema de lentes. Esta, además de mantener el film debe permitir al fotógrafo encuadrar el motivo y al mismo tiempo controlar a cuanta luz se expone la película. A menudo las cámaras modernas tienen incorporado un flash con el objeto de proveer luz extra cuando ésta se necesita. Los lentes de la cámara están diseñados para enfocar la imagen en el film con la menor distorsión posible.

Los lentes de la cámara están diseñados para curvar los rayos que provienen del objeto fotografiado, de modo que converjan hacia el plano de la película. Cuando el lente está enfocando la luz de una fuente distante, la distancia entre el plano de la película y el centro óptico del lente se conoce como "distancia focal". En general, mientras mayor es la distancia focal, más grande va a aparecer la imagen en el plano focal. Los lentes "gran angulares" tienen una distancia focal corta. Con algunos lentes, la distancia focal puede ajustarse, y así el fotógrafo puede acercar el sujeto.

La cantidad de luz que pasa a través de los lentes se controla por un "diafragma ajustable", que trabaja como el iris del ojo humano (fig. 1). El área de apertura del lente es proporcional al cuadrado de su diámetro. Así la luz que llega a la película es la mitad si el diámetro de apertura se reduce en un factor 1.4. Este se divide por cuatro si el diámetro es la mitad, y así en adelante. La apertura del lente generalmente se expresa como un número-f, que se obtiene dividiendo la distancia focal del lente por su diámetro. Por ejemplo, un lente 100-mm con un diámetro de 50mm tiene una apertura de 100/50=f 2. Reduciendo el tamaño del iris por factores sucesivos de 1.4 da las siguientes secuencias: 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, etc. Esta secuencia de ajustes, está marcada en la mayor parte de las cámaras con diafragmas ajustables. Cada punto disminuye a la mitad la brillantez de la imagen.

La apertura también determina un importante factor creativo fotográfico, conocido como la "profundidad de campo". Esta es la distancia enfrente de, y detrás del sujeto que aparece en el foco (fig. 4). Por ejemplo, en una fotografía de un paisaje, la profundidad de campo usualmente se estira desde la cámara al horizonte, apareciendo ésta enfocada. Pero en muchos retratos la cara del sujeto aparece nítida y lo que hay atrás y adelante, borroso.

Para entender qué es lo que pasa, piense en la forma que un lente trae luz al foco. Primero, los rayos que son paralelos, cuando entran al lente se curvan en un cono. Cuando la apertura es grande, el cono es amplio, pero si la apertura se reduce, éste se hace más angosto. Para la imagen que está en foco, la punta del cono de rayos debe topar exactamente en el plano de la película. En el hecho, la imagen aparece en foco aún si la punta del cono está ligeramente al frente o detrás de la película. En lugar de un punto en el plano de la película, el cono forma un pequeño círculo, conocido como "círculo de confusión". Sólo cuando el círculo alcanza un cierto tamaño, la imagen aparece borrosa ( fig. 4).

Con la punta del cono a una distancia dada del plano de la película, el tamaño del círculo de confusión se determina por la apertura (fig. 4). Esto es porque una gran apertura lleva a una profundidad de campo poco profundo, mientras que una pequeña apertura da una gran profundidad de campo.

La apertura puede también afectar en otra forma la calidad de la fotografía. Los lentes simples convexos, con una superficie externa esférica, producen pobres imágenes. Una razón de esto es que las diferentes partes del lente enfocan la luz a diferentes puntos, un problema que se conoce como "aberración esférica". Mientras más grande es la apertura, peor se hace el problema. Los diseñadores de lentes hacen muchos esfuerzos tratando de corregir las aberraciones esféricas y de otros tipos. Es así como la mayor parte de las cámaras están hechas con varios lentes, tanto positivos como negativos, que juntos reducen las aberraciones a un mínimo (fig. 1).

Las "aberraciones cromáticas" suceden porque los lentes enfocan más intensamente la luz azul que la luz roja. En aparatos simples, como los telescopios baratos de juguete, esto da lugar a franjas de color. Pero combinando lentes de diferentes fuerzas, hechos de diferentes tipos de vidrios, es posible anular este efecto. Estas combinaciones de lentes en que se neutralizan los diferentes colores se llaman "acromáticos" o "apocromáticos".

Los lentes pueden también producir imágenes que no se enfocan en una superficie plana de la película, sino en una superficie curva. Esto se conoce como "curvatura de campo". De esto resultan distorsiones curvilíneas haciendo que las líneas rectas aparezcan protuberantes hacia adelante ("distorsión barril"), o hacia dentro (distorsión en almohada). En la mayor parte de las lentes este defecto no es muy notable, pero en el caso del "lente de pescado", este se construye deliberadamente incorrecto. Esto beneficia el rendimiento óptico, porque le proporciona un enorme ángulo de vista, generalmente de 180º.

También las imágenes pueden aparecer borrosas si la cámara o el sujeto se mueven mientras el film se expone. Este movimiento de la cámara es un problema común, tanto en condiciones de baja luminosidad, en que se requiere de una larga exposición, como también cuando se usan lentes de aproximación. En ambos casos se requiere de un trípode para afirmar la cámara.

La duración de la exposición se controla por un obturador (shutter), que se coloca entre los lentes y la película, abriéndose el tiempo preciso, de acuerdo a lo que necesite la imagen para grabarse en ésta. De cuánto tiempo debe ser la apertura, depende tanto de las condiciones luminosas como también de la apertura del lente y la sensibilidad de la película. La mayor parte de las cámaras, están construidas para abrir el obturador por intervalos de tiempo que van de 1 segundo a 1/2000 de segundo.

Es posible hacer exposiciones aún más cortas. Un flash electrónico en su disparo produce luz que permite exponer al film hasta 1/20.000 de segundo. Esto puede producir imágenes espectaculares, como por ejemplo, una ampolleta en el momento en que se quiebra o una pelota en el momento en que se patea. Para sincronizar el flash con el acontecimiento que se quiere fotografiar, se usan disparadores de rayos infrarrojos y dispositivos electrónicos.

Los flash son buenos para una exposición simple, pero una vez disparados necesitan tiempo para recargarse y por lo tanto no son útiles para obtener una secuencia de fotografías en rápida sucesión. Una forma de solucionar esto, es usar como disparador un espejo giratorio. En esta forma, cada exposición demora sólo el período que el espejo refleja la luz sobre la película. Con un pequeño espejo, que rota miles de veces por segundo, es posible producir una serie rápida de exposiciones sólo en un microsegundo. Estas exposiciones cortas exigen que el sujeto esté iluminado por una fuente de luz tan poderosa como un láser.


Luz láser espectacular. La tercera dimensión

El equipo láser puede producir exposiciones cortas por sí mismo. Algunos láser pueden producir pulsos que duran 10-15 segundos, que es lo suficientemente corto como para congelar el movimiento de moléculas durante una reacción química. Esto, en realidad, no produce una imagen pictórica, pero sí un set de datos que el investigador usa para saber qué va sucediendo en este proceso.

También el láser puede producir imágenes visuales espectaculares cuando se usa para la holografía. Los hologramas son grabaciones del pattern de interferencia creado cuando dos rayos de láser se juntan. Un equipo holográfico simple consiste en un rayo láser y un espejo semi plateado que envía la mitad del rayo a través de una hoja de película fotográfica, dejando la otra mitad para que se refleje fuera del sujeto en la película. El resultado del pattern de interferencia puede captarse en la película en la misma forma de un pattern de luz ordinaria. En esta forma se crea una visión tridimensional del sujeto.

Con otra técnica fotográfica, es posible captar las ondas de shock producidas por balas u otros objetos de rápido movimiento. Conocidas como fotografías schlieren, por la palabra alemana que significa raya. La técnica se basa en que la onda de shock dobla la luz más intensamente que el aire que la rodea, y esto hace posible separar la luz que ha pasado a través de la onda de shock, del resto. Dado que el aire caliente tiene un efecto similar, la fotografía schlieren permite también fotografiar sujetos estornudando y aún corrientes termales que rodean al cuerpo humano.

Pero la fotografía no se limita sólo al espectro visible. Con emulsiones especiales, o usando películas ordinarias y filtros, es posible usar rayos X, o ultravioletas o luz infrarroja, con lo que se gana una nueva perspectiva con los objetos y escenas fotografiadas. En la cercanía de la luz infrarroja (luz de longitud de onda alrededor de 700 nanómetros y 900 nanómetros) el mundo se ve muy diferente. El cielo y el agua aparecen negros porque no reflejan mucha radiación infrarroja, mientras el pasto y las hojas la reflejan intensamente y así aparecen fantasmagóricamente blancas. Seguramente que con todos estos avances, Niepece se quedaría estupefacto.

Artículo traducido: "Photography" (New Scientist, Septiembre 13, 1997).

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Imagen electrónica

La fotografía con películas no es la única forma de retener imágenes. Actualmente están disponibles artefactos electrónicos que son capaces de retener la luz que los golpean. El principal tipo de estos equipos se denomina "charge-coupled devices" (CCDs) y produce señales electrónicas que son proporcionales a la cantidad de luz que las golpea. Arreglando un número de CCDs en orden, la señal de cada CCDs puede utilizarse para controlar la brillantez de un pixel en una pantalla de computación. De esta forma es posible retener una imagen que es exactamente como el video digital y que trabaja como una cámara.

El problema es la gran cantidad de CCDs que se requiere para construir una imagen de alta resolución. Una pantalla de computador básico tiene una disposición de 480 por 640 pixeles (un total de 307 200), mientras que una cámara digital barata tiene más o menos el mismo número de CCDs. Desgraciadamente esto da una imagen de poca resolución, si se la compara con las fotografías convencionales.

Si cada grano de haluro de plata correspondiera a un pixel, un cuadro de una película de 35 milímetros debería tener 20 millones de pixeles. El mejor CCDs disponible, tiene alrededor de 4 millones de pixeles y es extraordinariamente caro. Sin embargo, se espera que en el futuro lleguen a existir CCDs con ships de alta calidad, semejantes a la fotografía convencional.

Con todo, frente a ciertos objetivos, la baja resolución de las imágenes electrónicas se contraresta con la ventaja de su flexibilidad. Es así por ejemplo, como las imágenes electrónicas pueden alimentar directamente a un computador, ya sea para ser estas analizadas o para ser enviadas directamente por Internet. Por otra parte, las cámaras electrónicas son más manejables que las convencionales, ya que tienen menos partes móviles y los científicos han comenzado ya a confiar en ellas.

Un buen ejemplo de ello, son los sensores remotos. En la década de 1960, los satélites usaban películas fotográficas para tomar fotografías de la superficie de la Tierra. Cuando la película se había usado, era impulsada en un envoltorio protector hacia la atmósfera de la Tierra y capturada en el aire por un avión. Obviamente era un procedimiento engorroso y riesgoso.

Hoy día, la mayor parte de las imágenes que se captan desde el espacio, lo hacen utilizando cámaras electrónicas, y los resultados son transmitidos a la Tierra por radio. Aún cuando estas imágenes no tienen tanto detalle como las de películas, pueden ser más fácilmente mensurables y manejables por un computador.

Nuevas organizaciones están comenzando a hacer uso de las técnicas de imágenes electrónicas. Una imagen electrónica puede grabarse y enviarse en segundos a través del mundo. Las imágenes convencionales demoran minutos en desarrollarse y muchas horas, o aún días, para ser enviadas alrededor del mundo por currier.

En el pasado, almacenar imágenes electrónicas ha sido dificultoso por la gran cantidad de datos que ellas contienen. Pero los rápidos avances que se han producido en tecnologías de las memorias electrónicas, han cambiado substantivamente las cosas. Hoy ya es posible almacenar 30 disparos de baja resolución o más, en un simple disco floppy, que puede ser comprado en cualquier tienda en la calle.

Pero todavía es temprano para desechar enteramente las imágenes convencionales. Lo probable es que transcurran aún varios años antes que las imágenes electrónicas lleguen a igualar la calidad que es posible lograr en la fotografía y a un precio comparativo. La fotografía, como hoy la conocemos, puede que no sea inmortal, pero el certificado de su muerte es aún prematuro.

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Justin Mullins.