Lente de la cámara

Antecedentes

La lente de la cámara es un invento que intenta duplicar el funcionamiento del ojo humano. Al igual que el ojo, el lente ve una imagen, la enfoca y transmite sus colores, nitidez y brillo a través de la cámara a la película fotográfica, que, al igual que nuestra memoria, graba la imagen para procesarla y usarla en el futuro. Las lentes están hechas de vidrio óptico o plástico. Se enfocan los rayos de luz por refracción o la flexión de ellos para que se cumplan o convergen en un punto común.

Una lente simple » ve » bien a través de su centro, pero su visión alrededor de los bordes tiende a difuminarse. El desenfoque, los cambios de color, la distorsión de las líneas y los halos de color alrededor de los objetos son causados por defectos en la lente llamados aberraciones. Algunas aberraciones se pueden corregir en la lente simple dando forma a una o ambas superficies para que sean asféricas; las curvas asféricas varían como las curvas de una parábola, en lugar de permanecer constantes como la curvatura de una esfera. Una lente de cámara reduce los efectos de las aberraciones al reemplazar una lente simple con un grupo de lentes llamados elementos de lente, que son lentes de diferentes formas y distancias de separación. La lente se vuelve más compleja a medida que se logra una mayor corrección de la visión. La lente también será más compleja dependiendo del tamaño de la abertura, la abertura que permite que pase la luz, y el rango de ángulos que «ve».»El diseño de lentes solía depender del arte del óptico y de una considerable experimentación. Hoy en día, los programas de computadora pueden ajustar la forma y el espaciado de los elementos de lentes, determinar sus efectos entre sí y evaluar los costos de producción de lentes.

Los elementos de la lente se describen generalmente por su forma. La lente convexa se curva hacia afuera; una lente biconvexa se curva hacia afuera en ambos lados, y una lente plano-convexa es plana en un lado y curvada hacia el exterior en el otro. También hay lentes cóncavas, bicóncavas y planas cóncavas. Los elementos no son necesariamente simétricos y pueden curvarse más en un lado que en el otro. El engrosamiento de la mitad de la lente en relación con sus bordes hace que los rayos de luz converjan o se enfoquen. Las lentes con bordes gruesos y medios delgados hacen que los rayos de luz se dispersen. Una lente de cámara compleja contiene una serie de elementos especialmente agrupados. La combinación de la composición, la forma y la agrupación de los elementos maximiza las propiedades de flexión de la luz de los elementos individuales para producir la imagen deseada. La lente se enfoca moviéndola más cerca o más lejos de la película o del plano focal. La lente se puede torcer, haciendo que los elementos de la lente se muevan hacia adentro y hacia afuera a lo largo de una rosca de tornillo en espiral mecanizada en la carcasa de la lente. Al girar la lente también se mueve una escala en la carcasa que muestra la distancia del mejor enfoque.

El tope o diafragma es una parte especializada de la lente. En cámaras simples, el tope es un tope fijo o un anillo de chapa metálica negra que se coloca permanentemente delante del objetivo. Las cámaras de caja, las cámaras de estudio y algunas cámaras de fabricación europea utilizan un tope deslizante, que es una tira de metal que se desliza a través de la parte frontal del objetivo entre ranuras. Tiene dos o más orificios de diferentes tamaños que son las aberturas. Las lentes con tope variable tienen un anillo mecanizado en la parte exterior de la montura del objetivo, impreso con números de tope en f. Girando este anillo, el diafragma se puede abrir o cerrar. Este diafragma del iris funciona de manera muy similar al iris del ojo al permitir ajustes para diversas condiciones de luz.

El objetivo de una cámara compacta suele ser un objetivo de uso general con una distancia focal normal que toma fotografías de una imagen de la manera en que la ven nuestros ojos. Los objetivos diseñados para fines especiales se utilizan con cámaras más avanzadas. Los teleobjetivos funcionan como binoculares o telescopios, y hacen que una imagen distante parezca más cercana. Las lentes gran angular hacen que la imagen parezca más lejana; una lente panorámica es un tipo especial de lente gran angular que es útil para tomar fotografías de amplias extensiones de paisajes. Algunas cámaras desechables están equipadas con lentes panorámicas. Una lente de ojo de pez también es un tipo especial de lente gran angular que distorsiona deliberadamente la imagen para que la parte central se amplíe y los detalles de la imagen exterior se compriman. Las lentes de ojo de pez cubren ángulos muy amplios, como vistas de horizonte a horizonte. Otra lente de propósito especial es la lente de enfoque variable, también llamada lente de «zoom». Utiliza elementos de lente móviles para ajustar la distancia focal para acercar o alejar al sujeto. Estas lentes son complejas y pueden contener de 12 a 20 elementos de lente; sin embargo, una lente de enfoque variable puede reemplazar a varias otras lentes. Algunas cámaras compactas también tienen funciones de zoom limitado, teleobjetivo o gran angular. La cámara réflex de una sola lente (RÉFLEX) está hecha para que el fotógrafo vea la misma vista que la lente a través del visor. Esto permite al fotógrafo planificar la imagen que aparecerá en la película con la flexibilidad de una variedad de lentes intercambiables.

Historia

La lente de la cámara evolucionó a partir de lentes ópticas desarrolladas para otros fines, y maduró con la cámara y la película fotográfica. En 1568, un noble veneciano, Daniel Barbaro, colocó una lente sobre el agujero de una caja de cámara y estudió la nitidez de la imagen y el enfoque. Su primera lente fue de los anteojos convexos de un anciano. El astrónomo Johann Kepler desarrolló los experimentos de Barbaro en 1611 describiendo lentes simples y compuestas, explicando la inversión de imágenes y ampliando las imágenes agrupando lentes convexas y cóncavas.

En la década de 1800, las primeras cámaras de caja tenían un objetivo montado en la abertura de la caja. El objetivo invirtió la imagen en una placa sensible a la luz en la parte posterior de la caja. No había un obturador para abrir la lente; en su lugar, se quitó una tapa de la lente durante varios segundos o más para exponer la placa. Las mejoras en la sensibilidad de la placa requerían formas de controlar la exposición. Se hicieron máscaras con aberturas de diferentes tamaños para insertarlas cerca de la lente. El diafragma del iris también se desarrolló para controlar la abertura. Sus hojas metálicas se abren y se juntan para formar una abertura circular que puede variar en diámetro.

En 1841, Joseph Petzval de Viena diseñó una lente de retrato con una abertura rápida. Anteriormente, los objetivos hechos para cámaras de daguerrotipos eran los más adecuados para la fotografía de paisajes. La lente de Petzval permitía que los retratos se tomaran diez veces más rápido, y la fotografía era menos propensa a ser borrosa. En 1902, Paul Rudolph desarrolló la lente Zeiss Tessar, considerada la más popular jamás creada. En 1918, produjo el objetivo Plasmat, que puede ser el mejor objetivo de cámara jamás fabricado. Rudolph fue seguido poco después por Max Berek, quien diseñó objetivos rápidos y nítidos que eran ideales para cámaras en miniatura.

Otros desarrollos esenciales en la historia de las lentes incluyen la tecnología de recubrimiento de lentes, el uso de vidrio de tierras raras y los métodos de cálculo que la computadora hace posible. Katharine B. Blodgett desarrolló técnicas para lentes de recubrimiento fino con película de jabón para eliminar el reflejo y mejorar la transmisión de la luz en 1939. C. Hawley Cartwright continuó el trabajo de Blodgett mediante el uso de recubrimientos de fluoruros metálicos, incluyendo magnesio evaporado y calcio que tenían cuatro millonésimas de pulgada de espesor.

Diseño

El diseño de un objetivo de cámara comienza identificando al fotógrafo que lo utilizará. Cuando se identifica el mercado, el diseñador de lentes selecciona los materiales ópticos y mecánicos, el diseño óptico, el método apropiado para fabricar las piezas mecánicas y, en el caso de las lentes de enfoque automático, el tipo de interfaz entre el objetivo y la cámara. Existen convenciones o patrones para las diferentes categorías de objetivos, incluidos los objetivos macro, gran angular y teleobjetivo, por lo que algunos aspectos del diseño están estandarizados. Los avances en materiales dan a los diseñadores muchos desafíos

Un grupo de lentes llamados elementos de lentes, que tienen diferentes formas y distancias de separación, conforman el objetivo de la cámara. El diseño de lentes solía depender del arte del óptico y de la considerable experimentación. Hoy en día, los programas de computadora pueden ajustar la forma y el espaciado de los elementos de lentes, determinar sus efectos entre sí y evaluar los costos de producción de lentes. Sin embargo, las opciones

. Al seleccionar los materiales, el ingeniero debe tener en cuenta una gama de metales para los componentes y varios tipos de gafas y plásticos para las lentes, al mismo tiempo que tiene en cuenta el costo final para el fotógrafo.

Cuando el diseñador ha completado el diseño, su rendimiento se prueba mediante simulación por computadora. Los programas de computadora que son específicos para los fabricantes de lentes le dicen al diseñador qué tipo de imagen o imagen producirá la lente en el centro de la imagen y en sus bordes para el rango de operación de la lente. Suponiendo que el objetivo pase la prueba de simulación por computadora, los criterios de rendimiento que se eligieron inicialmente se revisan nuevamente para confirmar que el objetivo cumple con las necesidades identificadas. Se fabrica un prototipo para probar el rendimiento real. El objetivo se prueba en condiciones ambientales y de temperatura variables, en todas las posiciones de apertura y en todas las distancias focales para objetivos con zoom. Se fotografían gráficos de objetivos en un laboratorio, al igual que las condiciones de campo de luz y sombra variables. Algunas lentes se envejecen rápidamente en pruebas de laboratorio para comprobar su durabilidad.

Se necesita trabajo de diseño adicional si el objetivo enfoca automáticamente, porque el módulo de enfoque automático (AF) debe funcionar con una variedad de cuerpos de cámara. El módulo AF requiere tanto software como diseño mecánico. Se realizan pruebas exhaustivas de prototipos en estos lentes debido a sus funciones complejas y porque el software se ajusta con precisión a cada lente.

Materias primas

Las materias primas para los objetivos en sí, el revestimiento, el barril o la carcasa para el objetivo de la cámara y los soportes para lentes se describen a continuación en la sección de fabricación.

El proceso de fabricación

Elementos de lente de esmerilado y pulido

• 1 El vidrio óptico es suministrado a los fabricantes de lentes por proveedores especializados. Por lo general, se proporciona como una «placa prensada» o placa de vidrio en rodajas de la que se cortan los elementos. Los elementos de vidrio tienen forma cóncava o convexa mediante una máquina generadora de curvas que es una amoladora de primer paso. Para alcanzar las especificaciones de su forma, una lente pasa por una secuencia de procesos en los que se muele puliendo partículas en agua. Las partículas de pulido se vuelven más pequeñas en cada paso a medida que se refina la lente. La generación de curvas y el rectificado posterior varían en velocidad dependiendo de las propiedades de fragilidad, suavidad y oxidación de los materiales ópticos.

  Después del esmerilado y pulido, los elementos se centran de modo que el borde exterior de la lente sea perfecto en circunferencia con respecto a la línea central o al eje óptico de la lente. Las lentes hechas de plástico o vidrio unido y resina se producen por los mismos procesos. Los materiales unidos se utilizan para hacer lentes con superficies no esféricas, y estas lentes se denominan «asféricas híbridas».»Las superficies asféricas de estas lentes se completan durante el centrado.

Lentes de recubrimiento

• 2 Las lentes formadas están recubiertas para proteger el material de la oxidación, evitar reflejos y cumplir con los requisitos de «transmisión de espectro diseñada» o equilibrio y reproducción de color. Las superficies de las lentes se limpian cuidadosamente antes de recubrirlas. Las técnicas para aplicar recubrimientos y los recubrimientos en sí mismos son los principales puntos de venta para las lentes de un fabricante y son secretos cuidadosamente guardados. Algunos tipos de recubrimientos incluyen óxidos metálicos, fluoruros de aleación ligera y capas de cuarzo que se aplican a lentes y espejos mediante un proceso de vacío. Se pueden aplicar varias capas de recubrimiento para obtener el mejor color y transmisión de luz, pero un recubrimiento excesivo puede reducir la luz que pasa a través de la lente y limitar su utilidad.

Producción del barril

• 3 El cañón incluye el chasis que soporta los diversos elementos de la lente y el exterior cosmético. Los soportes metálicos, las ranuras y las partes móviles de la lente son fundamentales para el rendimiento de la lente y se mecanizan con tolerancias muy específicas. Los soportes para lentes pueden estar hechos de latón, aluminio o plástico. La mayoría de los componentes de barril de metal son fundidos a presión y mecanizados. Los soportes metálicos duran más, mantienen sus dimensiones, se pueden mecanizar con mayor precisión y se pueden desmontar para reemplazar los elementos, si es necesario. Los soportes de plástico son menos costosos y de menor peso. Si el barril está hecho de plástico de ingeniería, se produce mediante un método de moldeo por inyección altamente eficiente y preciso. Las superficies interiores del cañón también están recubiertas para protegerlas y evitar la reflexión interna y el destello.

Montaje de la lente

• 4 Otras partes de la lente, como el diafragma y el módulo de enfoque automático, se producen como subconjuntos. El diafragma del iris está construido con hojas curvas cortadas de finas láminas de metal. Las hojas de metal se mantienen en su lugar mediante dos placas. Una placa es fija, la otra se mueve y tiene ranuras para pasadores deslizantes. Estos deslizan las hojas hacia el barril para abrir el diafragma o hacia el centro para cerrar la abertura a medida que se gira el anillo de parada en f. El conjunto de diafragma se fija en su lugar cuando la montura del objetivo se fija al extremo del cañón. También se agrega el enfoque automático, los elementos ópticos se colocan y la lente está sellada. Después del montaje final, la lente se ajusta e inspecciona rigurosamente. Debe cumplir con los estándares de diseño de resolución óptica, función mecánica y respuesta de enfoque automático. Las lentes también se pueden probar sometiéndolas a golpes, caídas y vibraciones.

Control de calidad

Los enfoques para la fabricación de lentes varían mucho entre las empresas. Algunos utilizan automatización completa, incluidos robots industriales, para fabricar sus productos, otros utilizan grandes líneas de montaje y otros se enorgullecen de la artesanía a mano. Sin embargo, la calidad y la precisión son esenciales para la producción de lentes, independientemente del enfoque de fabricación. Los materiales y componentes entrantes se inspeccionan rigurosamente para comprobar la calidad y el cumplimiento de las especificaciones de ingeniería. Los procesos automatizados también se inspeccionan constantemente y se someten a controles de tolerancia. La artesanía es realizada solo por artesanos expertos con largos años de formación. El control de calidad y las pruebas de resistencia se incorporan en cada etapa de fabricación, y los elementos y componentes se miden con instrumentos precisos. Algunos dispositivos de medición están controlados por láser y pueden detectar desviaciones de menos de 0,0001 milímetros en la superficie de una lente o en el centrado de la lente.

El futuro

Los objetivos de cámara están disfrutando de nuevos desarrollos en muchas áreas. El interés del consumidor en las mejores fotos al menor costo ha llevado a cámaras desechables con lentes simples pero eficaces. Las lentes para fotógrafos profesionales y para usos especializados, como binoculares o telescopios de alto rendimiento, se fabrican con gafas exóticas y «no preferidas» que son más sensibles, caras y difíciles de obtener que los materiales tradicionales. Estos se llaman materiales de «dispersión anormal» porque combinan todos los colores en la luz que pasa a través del lente para producir las mejores imágenes, en lugar de permitir que los colores se dispersen como una lente simple. El agua y otros líquidos también doblan la luz, y los científicos han identificado líquidos que son anormalmente dispersos y pueden quedar atrapados entre capas de vidrio ordinario para producir la misma calidad de imagen que el vidrio óptico exótico. El vidrio ordinario o «preferido» (preferido debido a su bajo costo y trabajabilidad) está unido alrededor del líquido con adhesivo de silicona flexible. La «lente líquida» resultante puede reemplazar varios elementos en una lente de calidad profesional. También reduce el recubrimiento requerido y la cantidad de pulido de lentes necesario porque el líquido rellena las imperfecciones del vidrio. Se reduce el costo de la lente y se mejoran las propiedades de transmisión de la luz. UU., Japón y Europa se están preparando para producir lentes líquidas en un futuro próximo.