Principios de teoría óptica elemental y tecnologías aplicadas al diseño de objetivos cinematográficos (I)

Introducción

La eficiencia y el empleo efectivo de medios audiovisuales como el cine y la televisión mejora de forma considerable cuando comprendemos los principios ópticos involucrados en la percepción visual, la formación de la imagen y su subsiguiente registro, duplicación y distribución. Estos principios se pueden aplicar en cada paso del proceso, desde el visionado e iluminación del sujeto de cada escena hasta la elección del equipamiento óptico adecuado y la evaluación de la imagen final resultante.

El tema de las ópticas fotográficas y cinematográficas se puede extrapolar para cubrir no solo su ejemplo más obvio –los objetivos propiamente dichos– sino también visores ópticos y todo tipo de sistemas de enfoque que se encuentran –además de aquellos acoplados a cámaras– en un variado número de aparatos de proyección y visionado de imágenes. También en dispositivos electro-ópticos que pueden reemplazar o contribuir a la mejora de las configuraciones mecánicas y ópticas tradicionales, extendiendo así sus capacidades.

Por tal motivo, considero interesante proporcionar un vistazo general y una explicación básica de la teoría óptica y de su tecnología aplicada. Ayudar a comprender las capacidades y limitaciones de las ópticas contemporáneas y mostrar la integración de dicha teoría y hardware en una gama de aplicaciones de orden práctico, centrándonos en tres grandes bloques: teoría óptica, propiedades de los elementos ópticos y sistemas ópticos.

Como de costumbre, esta serie de artículos no incide en materia altamente especializada (propia de los diseñadores ópticos y mecánicos). Semejante aspiración sería totalmente innecesaria y además requeriría de una cualificación que no poseo en absoluto. Tampoco pretende ser un catálogo exhaustivo de las variables ópticas disponibles en el mercado. Es meramente una aproximación a la comprensión general del tema y de sus partes más relevantes.

Conceptos básicos

Captación

La cinematografía emplea un conjunto variado de sistemas sensibles a la radiación electromagnética en general y de emulsiones fotoquímicas, superficies impresionables o matrices de fotodetectores en particular.

La óptica de una cámara de cine es el buque insignia de la ciencia óptica, en el sentido de que actúa como un interfaz entre la escena o el sujeto y el sistema de visionado o de registro. La función principal de un objetivo es la de formar una imagen óptica nítida (o lo era, cuando no estábamos sometidos a la dictadura del flare, una de las tantas infaustas modas que han durado demasiado para la delicada salud mental de los espectadores inocentes) en la superficie del medio de registro. La imagen debe contar con el suficiente detalle o resolución para la situación y con la iluminancia adecuada para permitir que el obturador o el sistema de escaneo electrónico que se emplee alcance la exposición conveniente durante el periodo de duración deseado. Algunos sistemas de registro pueden estar exentos de las ópticas como tal, como por ejemplo los que se utilizan en holografía. Otros pueden ensamblar la imagen a partir de una composición de pixeles, escaneando de forma secuencial al sujeto de la imagen óptica, como ocurre en la termografía y en la captación digital, pero por regla general siempre se necesitan componentes ópticos asociados.

Registro

Existen muchas maneras de registrar a un sujeto, desde el dibujo a lápiz al almacenamiento en cinta magnética LTO –del que todavía estamos lejos de poder prescindir– o en memoria sólida. Con independencia de su registro, el empleo de un objetivo sigue siendo una de las formas más convenientes de captar contenidos con gran cantidad de información.

Un óptica corregida de modo óptimo puede proporcionar una imagen del sujeto llena de detalles hasta el límite natural que marca la naturaleza física de la luz. El registro cinematográfico –en cualquiera de sus variantes– se puede examinar y evaluar a placer (o también con sumo dolor, dependiendo de la calidad del mismo). A pesar del tiempo transcurrido desde el desarrollo de los primeros procesos fotográficos, pocos sistemas ofrecen semejante combinación de conveniencia, sensibilidad, registro imparcial, riqueza de detalle y permanencia de la imagen de cara a la representación factual de una sucesión de escenas complejas.

Medición

Las ventajas del registro cinematográfico implican que se puede utilizar para obtener datos temporales y espaciales concernientes o relativos al sujeto a partir de la medición de una imagen o de secuencias de imágenes. Las ópticas que se utilicen como herramienta de medición deben proporcionar una imagen libre de cualquier distorsión dada la necesidad de obtener fidelidad y precisión. también deben ser capaces de resolver el detalle más minúsculo del sujeto que se requiera.

Extensión de la percepción visual

El sistema visual humano presenta limitaciones en su percepción, definidas en términos de resolución espacial y temporal así como en el ancho de banda de su frecuencia. Otras limitaciones conocidas incluyen el campo de visión, la distancia mínima de enfoque y la imposibilidad de retener las imágenes de manera permanente con total fidelidad.

La imagen cinematográfica ofrece extensiones significativas a esta percepción limitada. Lo hace por medio del uso de materiales fotosensibles a una horquilla del espectro electromagnético superior a la visible para los seres humanos y de sistemas electrónicos de formación de imágenes. Ambos en conjunción con ópticas especiales diseñadas para trabajar, por ejemplo, en bandas espectrales específicas, con resoluciones muy elevadas, con ángulos de visión extremos o proporcionando imágenes magnificadas de un sujeto inaccesible de otra manera. El comportamiento temporal se registra mediante la propia integración de imágenes ópticas sucesivas con la cadencia que consideremos necesaria y por la disección de un único fotograma.

Expresión artística

La cinematografía es una actividad y un medio de expresión artística de enorme fuerza. La cámara nos permite presentar imágenes de forma muy subjetiva. Se puede manipular ópticamente al sujeto de múltiples maneras por medio de la elección del punto de vista, por las propiedades específicas de la óptica que usemos y por infinitas posibilidades de distorsionar la imagen final. Aunque la manipulación óptica pura y dura no sea tan predominante en la actualidad como en el pasado, sigue existiendo una variedad de opciones posibles y la imagen resultante siempre se puede revisar y aprobar antes siquiera de comenzar a rodar.

Los objetivos también constituyen un medio de aislar, yuxtaponer o combinar sujetos, sugiriendo relaciones espaciales o tonales de interés estético. Proporcionan, en consecuencia, una extensión artística a la visión humana, más allá del propósito técnico de la filmación. El uso habitual de ópticas específicas, puntos de vista o imaginería manipulada puede incluso otorgar un estilo reconocible a los individuos responsables.

Requerimientos ópticos

Los objetivos cinematográficos y sus variables asociadas representan ejemplos corrientes de tecnologías muy avanzadas. Al igual que ocurre con los usuarios de otros tipos de equipamiento óptico, las personas que se dedican a la dirección de fotografía demandan –a los diseñadores y fabricantes– ópticas que satisfagan una serie de necesidades estrictas y rigurosas, algunas de las cuales no se pueden cumplir con un diseño simple (y, en ocasiones, algunas otras que no se atienen en absoluto a las leyes más elementales de la física terrestre –pero esa es otra historia–). Una vez que se analizan todas, es posible identificar cierto número de requerimientos válidos que a veces difieren de aquellos propios de otros sistemas ópticos.

Una diferencia significativa en estos términos es la aceptación de ángulos de visión muy grandes y poco usuales en otros campos. Resulta bastante evidente cuando se compara dichos ángulos con los de telescopios, microscopios o espectroscopios. Por ejemplo, un objetivo cinematográfico considerado “estándar” en un determinado formato puede tener un ángulo de visión de 53º, pero existen necesidades legítimas que requieren ángulos de hasta 220º o tan pequeños como de 1º o menos. También es moneda común la necesidad de ángulos variables (ópticas zoom).

Los requerimientos idóneos más comúnmente extendidos son los siguientes:

1. El plano de la imagen o plano focal de un objetivo debe aproximarse, por lo general, lo máximo posible a un plano ortogonal al eje óptico. Esta minimización de la curvatura de campo requiere cierto equilibrio de las correcciones anastigmáticas.

2. En términos ideales, la iluminación de la imagen debería ser independiente del ángulo de visión en cualquier punto del plano de la imagen, o no menos del 70% de su valor axial, para competir con el contraste y la latitud de exposición del medio de registro. Se han trazado medios ópticos de gran complejidad para aproximarse al cumplimiento de este requisito, en particular en grandes angulares.

3. El diseño básico del objetivo debe ser ortoscópico, en tanto en cuanto la imagen no debería mostrar distorsión curvilínea, ni de barril ni acérica. Resulta de particular importancia en tomas para documentar arquitectura. La corrección de dichas distorsiones es difícil en algunos diseños con configuraciones ópticas asimétricas.

4. La óptica debería contar con una apertura tan grande como sea posible para proporcionar una imagen luminosa que facilite la visualización, el enfoque y la captura de las secuencias, especialmente en escenas subexpuestas. A diferencia de lo que ocurre con otros sistemas ópticos limitados severamente por la difracción como resultado del empleo de resoluciones muy altas sobre un campo de visión muy pequeño por medio de grandes aperturas, las ópticas cinematográficas –con un campo de visión muy amplio en comparación– muestran un comportamiento más limitado por las aberraciones. La degradación de la imagen es progresiva conforme se incrementa la apertura. El resultado es la existencia de una apertura óptima que proporciona un equilibrio entre resolución aceptable y transmisión de luz. Para poder satisfacer un variado conjunto de criterios adicionales necesarios, muchos diseños de objetivos cinematográficos cuentan sólo con aperturas modestas o pequeñas.

5. El objetivo debería presentar un número mínimo de aberraciones cromáticas residuales, lo que significa que sus propiedades deberían mantenerse inalterables –en la mayor parte de circunstancias posibles– con independencia de la longitud de onda. Son posibles diversos niveles de corrección cromática sobre bandas de longitudes de onda específicas, pero es necesario restringir la luz casi monocromática de longitud de onda corta para que la óptica obtenga una resolución cercana a los limites naturales que marca la difracción en la apertura. El empleo de una gama de materiales ópticos y cristales permite la obtención de imágenes en bandas espectrales fuera de la región visible.

6. La cobertura de la óptica o el diámetro del círculo de imagen que produce debe –al menos– circunscribirse al formato en el que se va a utilizar o excederlo para permitir el uso de movimientos de cámara que impliquen movimientos de traslación o rotación de la óptica o del plano del sensor en relación con el eje de la cámara.

7. Aunque no siempre sea imprescindible, se suele requerir que la óptica tenga la capacidad de enfocar a distancias cercanas para proporcionar una gran magnificación de la imagen. En muchos objetivos la reducción de la distancia de enfoque al sujeto produce una variación o degradación manifiesta del rendimiento. En tales casos se requiere emplear configuraciones específicas o configuraciones variables adicionales –que implican el uso de elementos flotantes– para mantener el rendimiento sobre un rango amplio de magnificación.

8. El objetivo debería contar con una alta transmitancia de la luz que conforma la imagen y estar libre –en términos aceptables (lo que resulta cada vez más difícil de definir en el momento actual, ya que vivimos empantanados en la nostalgia de épocas en las que nunca vivimos y enamorados de los defectos ópticos que los directores de fotografía del pasado intentaban evitar a toda costa)– de reflejos internos e imágenes fantasma, incluso en situaciones de iluminación adversa. La utilización de películas muy finas y de revestimientos anti-reflejos (monocapa y multicapa) en las superficies de los elementos también permite que se empleen numerosos diseños ópticos de gran utilidad en muy diferentes aplicaciones prácticas. Tales revestimientos, además, suprimen o resaltan algunas longitudes de onda específicas. De este modo minimizan las diferencias en la reproducción del color que presentan los diferentes elementos ópticos con distinta construcción.

9. Aparte de la necesario resolución de la óptica, que debería ser uniforme sobre el área de la imagen, el contraste de dicha imagen debería ser tan elevado como sea posible (otro principio básico cuestionado desde las torres de marfil de la nostalgia). Las características de transferencia del contraste –desde el sujeto a la imagen– de un objetivo, cuando se relacionan con los parámetros espaciales, proporcionan una guía cuantitativa de su rendimiento Se pueden combinar con mediciones similares de otros componentes en la totalidad de la cadena que va desde el sujeto original hasta el observador de la imagen final.

10. No debemos olvidar la consideración del diseño mecánico del barrilete de la óptica y de la montura para asegurar el alineamiento preciso y la eliminación de cualquier desgaste en las partes móviles del conjunto. En la medida de lo posible se debe reducir el tamaño y el peso y la ergonomía debe extenderse a asuntos vitales como las dimensiones y la posición de los anillos de enfoque, apertura y (en su caso) zoom,

Como ya he indicado anteriormente (y tal y como explicaré con detalle en sucesivos artículos) la incompatibilidad entre varios de estos requerimientos implica que un diseño simple no puede cumplirlos todos. Los compromisos y las renuncias a una ventaja a cambio de otra son inevitables. El resultado es una gran cantidad de ópticas viables para propósitos generales y algunas más especializadas para necesidades más concretas. La aparición con cierta regularidad de diseños mejorados no es óbice para que el potencial máximo se haya alcanzado en absoluto. Aún queda mucho camino por recorrer, pero nos empeñamos en desandar el ya recorrido.

Aunque la óptica fija que acoplamos a nuestras cámaras suele recibir más atención, existen múltiples sistemas ópticos auxiliares de cierta complejidad que también necesitan cumplir con severos requisitos para desarrollar sus capacidades, así como dispositivos opto.electrónicos que extienden sus funcionalidades.