Cosas que interesa saber sobre los objetivos fotográficos

En este artículo vamos a ver algunas características o conceptos relacionados con los objetivos fotográficos que conviene tener en cuenta tanto a la hora de comprar nuevas ópticas como a la hora de usarlas.

Características de los objetivos fotográficos
Objetivo Canon 50mm f/1.4 – Foto Maja Dumat (CC BY 2.0)

Distancia focal del objetivo en función del tipo de sensor

La distancia focal del objetivo es una característica óptica del propio objetivo, independientemente de la cámara donde se monte o del tamaño del sensor.

Un objetivo de 50mm tiene esa distancia focal en una cámara con sensor full frame, en una cámara con sensor APS-C y en cualquier otra circunstancia y uso.

Lo que cambia es el resultado final.

Por ejemplo, si se usa un objetivo pensado para full frame en una cámara APS-C, el resultado será que el sensor sólo capta una parte de lo que captaría un sensor full frame. Se produce un recorte en la fotografía que a efectos de ángulo de visión equivale a un factor de multiplicación de la distancia focal.

NO cambia la distancia focal, sólo el ángulo de visión. El sensor pequeño nos da una visión más cerrada, que equivale aproximadamente a la que nos daría un objetivo con una distancia focal mayor. A efectos prácticos el sensor APS-C introduce un factor de recorte (multiplicador de focal) de 1.6 para sensores APS-C Canon y 1.5 para el resto de sensores APS-C

Hay objetivos especialmente diseñados para sensores APS-C (objetivos EF-S en Canon, DX en Nikon). La única diferencia es que el área que ilumina al sensor está ajustada al tamaño del sensor APS-C. Si se utiliza un objetivo de este tipo en una cámara full frame obtendremos una imagen con un gran viñeteo (sólo quedará iluminada la parte central de la fotografía, los bordes quedarán negros porque no llegan a estar iluminados.

 

Luminosidad del objetivo

La luminosidad del objetivo es la relación entre la distancia focal y el diámetro máximo del diafragma.

Intuitivamente, un objetivo más luminoso deja pasar más luz (con el diafragma totalmente abierto) con respecto a otro objetivo menos luminoso. Los objetivos más luminosos suelen ser más voluminosos ya que las lentes tienen mayor diámetro, y suelen ser más caros porque también es más difícil conseguir un sistema de lentes que corrija las aberraciones ópticas.

El diafragma del objetivo es como un iris que se abre y se cierra para dejar pasar más o menos luz.

La apertura del diafragma se mide en pasos. Cada paso completo que cierra el diafragma equivale a dejar pasar la mitad de luz que el paso anterior.

La apertura (luminosidad) se suele indicar con el número f. El objetivo queda caracterizado por su apertura máxima (con el diafragma totalmente abierto).

Una apertura f/1 quiere decir que la relación entre la distancia focal y el diámetro del diafragma es de 1 a 1, es decir, un objetivo de 50mm f/1 tendría un diámetro de diafragma de 50mm (este ejemplo sería un objetivo muy muy luminoso y muy caro).

A medida que vamos cerrando pasos de diafragma se correspondería matemáticamente con una progresión geométrica, en la que cada apertura deja pasar la mitad de luz que la anterior:

f/1.4
f/1.8
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6
f/8
f/16
f/22
f/32

En la práctica se considera que un objetivo es luminoso a partir de una apertura máxima de f/2.8

La mayoría de los objetivos (y cámaras) permiten abrir y cerrar el diafragma en fracciones de un paso estándar. Por ejemplo en mitades de paso (f/1.4 – f/1.7 – f/2 …) o tercios de paso ( f/1.4 – f1.6 – f1.8 …)

A medida que aumenta la distancia focal del objetivo es más difícil conseguir una determinada luminosidad máxima, ya que se tiene que cumplir la relación entre distancia focal y diámetro del diafragma. Un teleobjetivo luminoso suele ser enorme, pesado.. y caro.

Los objetivos de tipo zoom pueden ajustar su distancia focal entre dos valores (focal mínima – focal máxima). En este caso se indica la apertura máxima para cada una de las focales. Lo que suele ocurrir en la mayoría de objetivos zoom es que la luminosidad máxima disminuya a medida que aumentamos la focal.

Por ejemplo los objetivos de kit suelen tener una especificación 18-55mm f/3.5-5.6 (es decir, a 18mm tenemos una apertura máxima de f/3.5 y a 55mm tenemos una apertura máxima de f/5.6). No se consideran luminosos ya que no llegan a f/2.8

A veces se habla de velocidad del objetivo refiriéndose a la luminosidad del mismo. Esto es así porque a igualdad de condiciones de la escena, un objetivo más luminoso permite disparar a más velocidad (tiempo de obturación más corto). En muchas ocasiones es una ventaja fundamental para evitar que la foto salga movida cuando en la escena hay poca luz y objetos en movimiento.

 

Aberraciones ópticas

Las aberraciones ópticas son efectos no deseados que afectan a la fidelidad de la imagen con respecto a la escena real.

Básicamente hay dos tipos de aberraciones: geométricas y cromáticas.

Las aberraciones geométricas están relacionadas con las trayectorias de los rayos de luz suponiendo luz monocromática (de un único color). Por ejemplo los rayos que pasan por el centro de la lente suelen seguir trayectorias que convergen en puntos más cerrados (círculos de confusión más pequeños) con respecto a los rayos que pasan por la parte más externa de la lente.

Las aberraciones cromáticas tienen que ver con el hecho de que el ángulo de refracción depende de la longitud de onda de la luz: la luz de color rojo tendrá un ángulo de refracción ligeramente diferente que la luz de color violeta. Este efecto se suele notar sobre todo en los bordes de los objetos como pequeños arco iris.

Los objetivos se construyen con diferentes grupos de elementos ópticos que incluyen lentes cóncavas y convexas, construidas de tal forma que se intentan compensar y cancelar las aberraciones geométricas. También se utilizan recubrimientos especiales que intentan evitar las aberraciones cromáticas.

 

Objetivos de focal fija vs objetivos zoom

En general, los objetivos de focal fija ofrecen mayor calidad óptica que los objetivos de tipo zoom.

Los objetivos de distancia focal variable incluyen más elementos ópticos (grupos de lentes que se mueven internamente para conseguir la transición entre la focal mínima y la máxima). Es difícil conseguir una calidad óptima en todo el rango focal.

Lo mismo ocurre con la apertura máxima. Es muy complicado mantener la apertura máxima a lo largo de todo el rango focal de un objetivo de focal variable. Lo normal es que la apertura máxima disminuya progresivamente a medida que aumenta la focal (recuerda que la luminosidad viene determinada por la relación entre distancia focal y diámetro del diafragma)

Como regla general: un objetivo de focal fija suele ofrecer más calidad óptica, y dentro de los objetivos de tipo zoom cuanto menor sea el rango focal (variación entre la focal mínima y la focal máxima) normalmente ofrecerá más calidad óptica a lo largo de todo ese rango.

Otro tema es la flexibilidad de uso. Un objetivo de focal fija es perfecto para un determinado tipo de fotografía, por ejemplo para retrato en estudio, o para determinado tipo de fotografía callejera.. Son ideales para entornos controlados o si tenemos previsto hacer un encuadre concreto, o si queremos conseguir un efecto concreto (p.e. desenfoque -bokeh). Esto depende mucho del tipo de fotografía y de las necesidades o gustos del fotógrafo.

Sin embargo, para determinados tipos de fotografía se necesita más flexibilidad, por ejemplo cuando queremos modificar el encuadre (ángulo de visión) sin posibilidad de desplazarnos físicamente hacia el sujeto o la escena.

Para aficionados a la fotografía que no se pueden permitir llevar dos o más cuerpos de cámara con diferentes focales fijas es más interesante montar un objetivo de focal variable. Sí, se puede perder un poco de calidad óptica, pero se gana en flexibilidad. Muchos profesionales trabajan con objetivos de focal variable porque necesitan priorizar la flexibilidad, a la hora de captar una escena única que no se volverá a repetir por ejemplo.

Actualmente los objetivos zoom ofrecen una calidad muy buena, incluso los objetivos de kit que suelen venir con las cámaras tienen una calidad aceptable. Y si damos un paso más allá hay objetivos zoom de gama media y alta que están prácticamente a la altura de los de focal fija de las mismas gamas.

Desde el punto de vista de los fotógrafos aficionados hay objetivos de focal fija que vale la pena tener por su polivalencia (el 50mm o el 35mm por ejemplo) pero por lo general los objetivos de tipo zoom compensan porque nos van a dar más libertad. Por ejemplo si vamos de viaje o hacemos una salida al campo ligeros de peso.

 

Objetivos con estabilizador de imagen vs sin estabilizador

Los objetivos con estabilizador de imagen incluyen un grupo de lentes adicional que se desplazan internamente para corregir los movimientos involuntarios del fotógrafo, vibraciones, etc.

La estabilización en el objetivo suele ser más efectiva que la estabilización en el cuerpo de la cámara (el sensor se desplaza ligeramente para corregir los movimientos del conjunto).

Sin embargo, el hecho de incluir elementos ópticos adicionales implica que la calidad óptica del conjunto puede verse afectada ligeramente. Algunos fotógrafos profesionales prefieren usar objetivos no estabilizados por este motivo.

Otro factor a tener en cuenta es que la estabilización automática tiene lógicamente límites, que dependen de muchos factores: distancia al sujeto, distancia focal, tipo de movimiento o vibración, tiempo de obturación, etc. En situaciones difíciles es preferible asegurar la toma usando trípode por ejemplo, ya que no podremos estar seguros de que el estabilizador pueda hacer su función correctamente.

Pero en general, para un fotógrafo aficionado es recomendable utilizar objetivos estabilizados porque nos pueden salvar de más de una situación imprevista, si no disponemos en ese momento de trípode, no hay tiempo para montarlo, etc.

Si disponemos de una cámara con estabilización en el cuerpo podremos utilizar cualquier tipo de objetivo, podemos comprar objetivos no estabilizados que además suelen ser más baratos. Actualmente hay modelos con estabilización de 3 y 5 ejes que funcionan muy muy bien en las condiciones más habituales de uso.

Más información sobre estabilización en el objetivo vs estabilización en el cuerpo

 

Difracción del objetivo

La difracción es un fenómeno físico relacionado con la propagación de ondas. Cuando una onda encuentra un obstáculo en su dirección de propagación, la onda se divide y se junta de nuevo tras el obstáculo. Dependiendo del tipo de obstáculo y de la longitud de onda, etc. se pueden producir fenómenos de interferencia (piensa que al dividirse en varios frentes de onda, cada frente puede recorrer distancias ligeramente diferentes antes de volver a unirse, y la diferencia de fase hace que a veces se sumen o se resten, formando patrones de interferencia por ejemplo)

En el caso de la fotografía y la luz, la difracción se produce sobre todo en el borde del diafragma. El borde se comporta como un obstáculo y genera difracción.

Cuando el diafragma está muy abierto el efecto de la difracción es inapreciable. Imagina que ese pequeño efecto se ‘disuelve’ entre la cantidad de luz que entra por la abertura del diafragma sin ningún tipo de difracción.

Sin embargo, a medida que el diafragma se cierra el efecto de la difracción comienza a ser más evidente. Cuando la abertura es muy pequeña prácticamente toda la luz que entra o un porcentaje importante sufre difracción.

El efecto de la difracción en la imagen es una especie de suavizado, pérdida de contraste, pérdida de nitidez en contornos..

A medida que ha aumentado la resolución de los sensores el efecto de la difracción se hace más evidente (cuando analizamos la imagen pixel a pixel en el ordenador) incluso sin llegar a los diafragmas más cerrados del objetivo. El hecho de notar el efecto píxel a píxel no quiere decir que en la imagen útil, la que imprimimos o la que vamos a usar en la web, etc. se note dicho efecto. Pero con diafragmas muy cerrados (por encima de f/16 en algunos casos) sí se notará la pérdida de nitidez real de la imagen.

Tenemos que evitar en la medida de lo posible trabajar con los diafragmas muy cerrados.

Esto nos puede afectar por ejemplo en escenas con mucha luz en las que necesitemos tiempos de exposición largos (efecto seda en agua..) o si necesitamos una profundidad de campo muy grande.

En el caso de fotografía macro es un problema porque la profundidad de campo muchas veces es tan pequeña debido a la proximidad del sujeto que necesitamos cerrar el diafragma todo lo posible.

 

Resolución equivalente del objetivo

Los objetivos no son perfectos desde el punto de vista óptico. Todos los objetivos generan aberraciones, bien por fenómenos físicos que no se pueden corregir totalmente, bien por imperfecciones en los materiales con los que se hacen los elementos ópticos o por imperfecciones debidas al propio proceso de fabricación.

Cada lente tiene una determinada resolución espacial. Esta resolución no tiene ninguna relación con la resolución del sensor ni miden lo mismo. La resolución espacial es la capacidad de la lente para generar imágenes en las que se puedan distinguir detalles pequeños. Habitualmente se utilizan líneas paralelas muy finas para determinar el grado de resolución espacial y esta resolución se mide en pares de líneas por milímetro (cuántos pares de líneas por milímetros somos capaces de distinguir, si las líneas son cada vez más estrechas y más juntas llegará un momento en que en lugar de líneas separadas aparecerá simplemente una zona gris en la que no podemos distinguir líneas individuales).

Otro parámetro de una lente es el contraste. El contraste de la lente es la capacidad para diferenciar los niveles de blancos y negros (niveles de luz diferenciados) entre elementos de la escena. Un blanco debería verse como blanco en la imagen, sin embargo las lentes no son totalmente transparentes, hay cierta pérdida de luz al atravesar la óptica y el blanco se verá como una tonalidad de gris. Un objetivo con mucho contraste es aquel en el que los blancos se ven con un gris muy próximo al blanco y los negros como un gris muy próximo al negro.

En el caso de objetivos, lo que se mide es la resolución espacial  y el contraste del sistema óptico completo (no de una lente individual)

La resolución espacial y el contraste dependen de muchos factores.

En primer lugar la calidad de fabricación del objetivo. Los objetivos de gama alta utilizan diferentes grupos de lentes (asféricas, cóncavas, convexas..) para intentar compensar las aberraciones geométricas.

En segundo lugar, depende de la apertura del diafragma. Cuando el diafragma está muy abierto se producen más aberraciones geométricas, unos rayos pasan por el centro de las lentes, otros pasan por los extremos.. es muy difícil hacer que todos esos rayos converjan para producir puntos perfectamente nítidos (no hablamos de profundidad de campo o desenfoque, sino de puntos que deberían estar perfectamente enfocados).  Por otro lado, a medida que cerramos el diafragma va teniendo más importancia el fenómeno de la difracción.

Cuando hablamos de objetivos de focal variable la cosa se complica más, porque en cada distancia focal el comportamiento puede ser ligeramente diferente.

Se puede saber cómo se comporta un objetivo (al menos de forma aproximada) a través de sus gráficas MTF, que veremos más abajo.

En algunos casos se da como información orientativa las resolución equivalente del objetivo en megapíxels. Ten en cuenta que este dato es una simplificación bastante grande, que mezcla dos características que no tienen relación entre sí. Pero bueno, nos puede dar una idea básica de la calidad óptica o de cómo afecta el objetivo a la calidad de la imagen.

Con los sensores actuales la resolución en megapíxels es tan grande que a veces la resolución final de la imagen está limitada por el objetivo. Esto quiere decir que cuando veamos la imagen en el ordenador píxel a píxel notaremos falta de nitidez a ese nivel de detalle. No quiere decir que la imagen se vea sin contraste en su tamaño útil (cuando la imprimamos, incluso a formato grande, o cuando la utilicemos en la web o en cualquier otro soporte electrónico habitual)

Esto es importante: las imperfecciones, falta de nitidez, contraste, calidad óptica en general hay que evaluarlas en la imagen final, por ejemplo en una foto en papel del reportaje fotográfico de una boda o una foto en gran formato para una exposición. Evaluar píxel a píxel, sobre todo con sensores de gran resolución, puede ser equívoco porque a ese nivel aparecerán efectos que luego se compensan o desaparecen al redimensionar o al imprimir.

 

Punto dulce del objetivo

Este concepto está totalmente relacionado con el apartado anterior.

Para un determinado objetivo, cuando trabajamos con el diafragma totalmente abierto notaremos cierta pérdida de nitidez debida a diferentes tipos de aberraciones.

A medida que vamos cerrando el diafragma la luz pasa por la zona más central de la lente, con lo que se reducen los efectos de las aberraciones (todos los rayos siguen trayectorias más parecidas)

Pero si seguimos cerrando el diafragma cada vez tiene más influencia el efecto de la difracción.

Hay un punto intermedio en el que la nitidez de ese objetivo es máxima. Esa abertura de diafragma recibe el nombre de punto dulce del objetivo, en el que se obtienen las imágenes más nítidas.

En muchos casos la diferencia es mínima, excepto para las posiciones más cerradas de diafragma, donde sí se suele notar más la falta de nitidez debida a la difracción.

Todos los objetivos tienen ese punto o zona dulce, pero no siempre es a la misma apertura de diafragma. Se suele decir que está 2-3 pasos por debajo de la máxima apertura, pero depende de cada objetivo.

 

Gráficas MTF para ver la calidad del objetivo

Las gráficas o curvas MTF (Modulation Transfer Function) de un objetivo nos dan información sobre la resolución de dicho objetivo desde el punto de vista de la imagen que llega al sensor.

La gráfica muestra la resolución de la imagen desde el punto correspondiente al centro del sensor hasta un punto que correspondería con una de las esquinas. Es decir, podemos imaginar que la medición se hace a través de una de las diagonales que van del centro del sensor hasta la esquina.

La resolución (megapíxels) del sensor no tiene nada que ver con estos datos, que son exclusivos del objetivo.

El eje vertical de la gráfica MTF muestra el nivel de resolución / contraste, el rendimiento con respecto a una lente ideal. Es un porcentaje que va de cero a 100 (o de cero a 1). El valor 100 indicaría una transferencia perfecta, imposible de alcanzar por un objetivo real.

Cómo es una curva MTF - objetivos

Si el objetivo está fabricado para un sensor full frame, el eje horizontal muestra la medida en milímetros desde el centro hasta una esquina. Esa diagonal mide unos 22mm

A lo largo de la diagonal se miden dos grupos pequeños de líneas separadas. Un grupo contiene 10 líneas por milímetro. Otro grupo contiene 30 líneas por milímetro.  Además, cada grupo va duplicado porque las líneas paralelas están en horizontal y en vertical con respecto a la diagonal.

Curvas MTF - Grupos S10, M10, S30, M30

Es decir, en total cuatro grupos llamados S10 (sagital -horizontal 10 líneas/mm), M10 (meridional -vertical 10 líneas/mm) y lo mismo para S30 – M30 pero con 30 líneas/mm

Ese mismo patrón se va midiendo a lo largo de la diagonal y se anota para cada punto el rendimiento de los cuatro grupos.

Los grupos S10 y M10 miden el contraste, la capacidad para distinguir las transiciones entre blanco y negro.

Los grupos S30 y M30 miden sobre todo la resolución, la capacidad para distinguir elementos individuales muy pequeños.

Podría parecer que las gráficas para los grupos S y M deberían ser iguales pero no es así. Esta diferencia está determinada por el grado de astigmatismo del objetivo. Imagina el astigmatismo de la siguiente forma: si encuadramos un objeto circular pequeño en el centro de la imagen, seguramente su imagen será perfectamente circular, sin embargo, si lo encuadramos en una de las esquinas la imagen seguramente será ligeramente ovalada en lugar de circular perfecta.

Las gráficas MTF se suelen ofrecer sólo para la apertura máxima, en algunos casos para la máxima y para una apertura intermedia.

En el caso de objetivos zoom se suele ofrecer la de apertura máxima para la focal más corta y la de apertura máxima para la focal más larga.

Gráficas MTF de un objetivo

La parte central de la lente, la zona alrededor del eje óptico, es la que ofrece siempre mejor rendimiento. Las esquinas, que corresponden con la zona del borde exterior de la lente, siempre tienen un rendimiento peor, en algunos casos muy malo comparado con la zona central.

En una imagen tomada con un determinado objetivo siempre se notará más nitidez en el centro y pérdida de nitidez en la parte más exterior de la imagen. En unos casos es apreciable esa pérdida de nitidez, en otros no es apreciable.

A efectos prácticos:

– Si las líneas de contraste (S10-M10) están por encima del 80% en toda la diagonal es un objetivo excelente. Si están por encima del 60% es un buen objetivo.

– La diferencia entre las curvas S y M dan idea del astigmatismo de la lente (si los objetos pequeños guardan su relación de aspecto o se ven ligeramente alargados o achatados, sobre todo en las esquinas). El astigmatismo está relacionado también con el tipo de desenfoque (bokeh) que el objetivo puede generar. Cuanto más juntas estén las curvas S y M se supone un mejor bokeh, un desenfoque más agradable a la vista.

– Las líneas S30-M30 nos dan idea de la resolución espacial. Cuanto más arriba en la gráfica mejor. Más que un valor de corte para evaluar al objetivo nos pueden servir para comparar con diferentes modelos o fabricantes.

Si compramos un objetivo para full frame y lo usamos en una cámara con sensor APS-C hay que tener en cuenta que el recorte (la zona de luz que recibe el sensor) corresponderá con la zona de mejor rendimiento del objetivo. En las gráficas tendríamos que fijarnos sólo hasta la zona de 14-15mm del eje horizontal.

Si se trata de un objetivo específico para sensores APS-C, sus gráficas MTF llegarán sólo hasta esa longitud, unos 15mm

 

Más sobre la distancia focal de los objetivos

Profundidad de campo, enfoque y bokeh

Abreviaturas y siglas de los objetivos para diferentes fabricantes

Objetivos recomendados para Canon

Objetivos recomendados para Nikon

Objetivos recomendados para cámaras sin espejo micro cuatro tercios

 

Algunas referencias (en inglés)

Lens quality: MTF, Resolution & Contrast

Measuring lens resolution

The Realities of Resolution

What are Lens Aberrations?