Fotografía estenopeica: cálculo del diámetro del orificio, conversión del tiempo de exposición y rango del campo de imagen

1. La naturaleza física y los límites ópticos geométricos de las imágenes estenopeicas

La fotografía estenopeica abandona por completo todas las lentes de vidrio gruesas y complicadas y solo se basa en el principio más antiguo de propagación lineal de la luz en óptica geométrica para la obtención de imágenes:

1. Profundidad de campo infinita óptica contraria a la intuición:

• Como no hay lentes refractivas para enfocar, la luz pasa directamente a través del pequeño orificio y se proyecta sobre la película fotosensible;
• ¡Las cámaras estenopeicas no tienen distancia focal física ni mecanismo de enfoque! Desde un objeto de superficie a superficie a 1 centímetro de distancia del agujero hasta una galaxia distante a decenas de millones de kilómetros de distancia, todo el panorama tiene una nitidez de enfoque absolutamente igual.

2. Dilema: dispersión geométrica versus difracción óptica:

• El orificio es demasiado grueso (como 2 mm): el punto de luz geométrico es demasiado grande, la superposición de luz es grave y la imagen está borrosa como un gran vidrio esmerilado;
• El orificio es demasiado delgado (por ejemplo, 0,05 mm): según la teoría ondulatoria de la luz, las ondas de luz sufren una violenta difracción de Fraunhofer en el borde de aberturas extremadamente pequeñas. La luz se dispersa y se dispersa, y la imagen también se ve violentamente borrosa y el tiempo de exposición llega a varias horas.

2. Fórmula de cálculo del diámetro óptimo del orificio del criterio de Rayleigh (óptimo de Rayleigh)

El físico John William Strutt (tercer barón Rayleigh) dio una fórmula matemática para la apertura óptima que tiene en cuenta la claridad geométrica y la difracción mínima:
$$D = c \times \sqrt{\lambda \times f}$$
Entre ellos:

• $D$: diámetro óptimo del orificio (mm mm);
• $f$: la distancia física desde el orificio hasta la película fotosensible (distancia focal equivalente, mm);
• $\lambda$: longitud de onda central de la luz visible (normalmente luz amarillo-verde $\lambda \approx 0,00055 \text{ mm}$, es decir, 550 nm);
• $c$: constante constante (normalmente $c \aprox 1,9$ recomendado por Lord Rayleigh o $1,41$ recomendado por Petzval).

Tabla de búsqueda rápida para diámetros óptimos de orificios para distancias focales comunes:

• Extremo ultra gran angular (distancia focal 35 mm): el diámetro óptimo del orificio es 0,26 mm; el valor de apertura es aproximadamente f/135.
• Extremo estándar (distancia focal 50 mm): el diámetro óptimo del orificio es 0,31 mm; El valor de apertura es aproximadamente f/160.
• Extremo de teleobjetivo (distancia focal 100 mm): el diámetro óptimo del orificio es 0,44 mm; el valor de apertura es aproximadamente f/227.

3. Orificios de grado láser de ultra alta precisión hechos a mano (método de pulido de láminas de latón)

Las agujas de coser comunes perforan directamente agujeros en las latas de Coca-Cola, y las paredes de los agujeros tendrán rebabas y sombras espesas, lo que resultará en bordes negros y una dispersión severa:

1. Selección de material (lámina de cobre/latón ultrafina de 0,05 mm):

• Cuanto más fino, mejor, para evitar que el orificio se convierta en un "microtubo" y bloquee la luz inclinada del borde.

2. Método de rotación de la aguja de coser y grabado giratorio:

• Coloque una fina lámina de cobre sobre una tabla dura;
• Utilice la aguja para insectos número 00 más fina o una aguja de coser muy fina, presiónela verticalmente en el centro de la pieza de cobre, gire suavemente el cuerpo de la aguja con ambas manos y presione hacia afuera un pequeño bulto en la parte posterior de la pieza de cobre;
• Dé la vuelta a la lámina de cobre y use papel de lija ultrafino resistente al agua de malla 1500 ~ malla 2000 para moler las áreas elevadas horizontalmente para adelgazar la lámina de cobre;
• Gire suavemente la punta de la aguja nuevamente para penetrar el cobre.

3. Elimina rebabas y ennegrecimiento óptico:

• Compruébelo con una lupa de alta potencia o con un microscopio: el orificio debe mostrar una redondez perfecta sin rebabas metálicas en el borde;
• Utilice cerillas para fumar o rociar pintura negra mate resistente a altas temperaturas para ennegrecer los agujeros de cobre y eliminar por completo el reflejo en la superficie del metal.

4. Cálculo de exposición de apertura ultrapequeña f/200 y compensación de fallo de la ley de reciprocidad

Dado que la apertura estenopeica suele ser tan pequeña como f/180 o f/250, no puede leerse con ningún fotómetro automático integrado en la cámara:

1. Método de conversión básico (convertir fotómetro f/22 a f/180):

• Primero utilice una cámara digital común o un fotómetro de mano para medir el tiempo de obturación requerido para la apertura de f/22 en ISO 100 (por ejemplo, f/22 corresponde a 1/4 de segundo bajo luz de día soleada).
• Pasar de f/22 a f/180 es 6 paradas EV completas ($2^6 = 64$ veces).
• Tiempo teórico de exposición a los agujeros: $1/4 \text{s} \times 64 = 16 \text{ segundos}$.

2. Fallo de reciprocidad de película superpuesta de larga exposición:

• La eficiencia de la emulsión de la película cae drásticamente con una exposición extremadamente lenta de más de 1 segundo, ¡y se debe agregar una gran cantidad de compensación de exposición!
• Usando la película Kodak Tri-X 400 normal como ejemplo:
• Tiempo de cálculo teórico 16 segundos $\to$ ¡la exposición real debe durar entre 45 y 60 segundos!

3. Poesía visual de la película terminada:

• El tiempo de exposición extremadamente largo convierte los árboles que se mecen con el viento en humo brumoso y borra completamente la multitud turbulenta en la nada, dejando solo los edificios eternamente quietos y las luces y sombras suaves y surrealistas de ensueño, que exudan el encanto original de la fotografía clásica del siglo XIX.

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