Medidor de luz

Los primeros fotómetros se llamaban actinómetros (que no deben confundirse con el instrumento científico del mismo nombre ), descritos ya en 1840 ^{[ 3 ] : 415} , pero se desarrollaron a finales del siglo XIX después de que las placas fotográficas comerciales estuvieran disponibles con una sensibilidad constante. Estos actinómetros fotográficos utilizaban papel fotosensible; el fotógrafo medía el tiempo necesario para que el papel se oscureciera hasta un valor de control, lo que proporcionaba un dato para un cálculo mecánico de la velocidad de obturación y la apertura para un número de placa determinado. ^{[ 4 ] : ​​69} Fueron populares entre aproximadamente 1890 y 1920. ^{[ 5 ]}

Los siguientes fotómetros, desarrollados casi al mismo tiempo ^{[ 3 ] : 415} pero que no desplazaron a los actinómetros en popularidad hasta las décadas de 1920 y 1930, se conocen como fotómetros de extinción , que evalúan los ajustes de exposición correctos mediante atenuación variable. ^{[ 5 ]} Un tipo de fotómetro de extinción contenía una fila numerada o con letras de filtros de densidad neutra de densidad creciente. El fotógrafo colocaba el fotómetro frente al sujeto y anotaba el filtro con la mayor densidad que aún permitía el paso de la luz incidente. En otro ejemplo, vendido como Aktino-Photometer de Heyde a partir de principios del siglo XX, el fotógrafo observaba la escena a través de un ocular y giraba el fotómetro para variar la densidad efectiva hasta que la escena ya no fuera visible. ^{[ 7 ]} La ​​letra o el número correspondiente a la intensidad del filtro que causaba la "extinción" de la escena se utilizaba como índice en una tabla de combinaciones apropiadas de apertura y velocidad de obturación para una sensibilidad de película determinada . ^{[ 4 ] : ​​72}

Los medidores de extinción tendían a proporcionar resultados inconsistentes porque dependían de la interpretación subjetiva y de la sensibilidad a la luz del ojo humano , que puede variar de persona a persona. ^{[ 8 ]}

A partir de 1932, ^{[ 9 ] : 20} los fotómetros electrónicos eliminaron el elemento humano y se basaron en tecnologías que incorporaban (en orden cronológico) fotodetectores de selenio , CdS (década de 1960) y silicio ( semiconductor , década de 1970) . ^{[ 10 ]} La mayoría de los fotómetros modernos utilizan sensores de silicio. ^{[ 11 ] : 91} Indican la exposición ya sea con un galvanómetro de aguja o en una pantalla LCD .

Los fotómetros de selenio utilizan sensores fotovoltaicos : generan un voltaje proporcional a la exposición a la luz. Los sensores de selenio generan suficiente voltaje para la conexión directa a un fotómetro; no necesitan batería para funcionar, lo que los hacía muy convenientes en cámaras completamente mecánicas. ^{[ 3 ] : 416 [ 10 ] : 87–88} Sin embargo, los sensores de selenio no pueden medir con precisión la luz tenue (las bombillas comunes pueden llevarlos cerca de sus límites) y son totalmente incapaces de medir luz muy tenue, como la luz de las velas, la luz de la luna, la luz de las estrellas, etc. ^{[ 12 ] : 56}

Los fotómetros de CdS utilizan un sensor fotorresistivo cuya resistencia eléctrica disminuye proporcionalmente a la intensidad de la exposición a la luz. Estos requieren una batería para funcionar, ^{[ 10 ] : 89–90} pero son significativamente más sensibles a la luz tenue, capaces de detectar niveles de iluminación aproximadamente 1/100 del límite inferior de sensibilidad de las células de selenio. [ ^{3 ] : 417 Sin} embargo, los sensores de CdS cayeron en desuso debido a su respuesta más lenta y su sensibilidad extendida a las longitudes de onda rojas e infrarrojas. ^{[ 3 ] : 417 [ 12 ] : 58}

Los sensores semiconductores también son fotovoltaicos, pero el voltaje generado es mucho más débil que el de las células de selenio, y los fotómetros basados ​​en semiconductores necesitan un circuito de amplificación y, por lo tanto, requieren una fuente de alimentación, como baterías , para funcionar. Suelen recibir nombres basados ​​en los materiales y la filtración utilizados para garantizar que la respuesta espectral sea similar a la del ojo humano o la de la película fotográfica , como « Silicon Blue Cell» (SBC) o « GaAs ». ^{[ 12 ] : 59}

Muchas cámaras fotográficas y de vídeo modernas para el consumidor incluyen un fotómetro incorporado que mide el nivel de luz en toda la escena y, en función de ello, permite calcular la exposición adecuada de forma aproximada. Los fotógrafos que trabajan con iluminación controlada y los cineastas utilizan fotómetros portátiles para medir con precisión la luz que incide en las distintas partes de sus sujetos y emplean la iluminación adecuada para obtener los niveles de exposición deseados.

Los fotómetros generalmente se clasifican en tipos de luz reflejada o de luz incidente, dependiendo del método utilizado para medir la escena.

Los fotómetros de luz reflejada miden la luz reflejada por la escena que se va a fotografiar. ^{[ 10 ]} Todos los fotómetros de las cámaras son fotómetros de luz reflejada. Los fotómetros de luz reflejada están calibrados para mostrar la exposición adecuada para escenas "promedio". ^{[ 12 ] : 74} Una escena inusual con preponderancia de colores claros o reflejos especulares tendría una reflectancia más alta; un fotómetro de luz reflejada que toma una lectura compensaría incorrectamente la diferencia de reflectancia y daría lugar a una subexposición. Las fotos de atardeceres muy subexpuestas son comunes precisamente por este efecto: el brillo del sol poniente engaña al fotómetro de la cámara y, a menos que la lógica de la cámara o el fotógrafo se encarguen de compensar, la imagen estará muy subexpuesta y apagada.

Este inconveniente (pero no en el caso de la puesta de sol) se evita con los fotómetros de luz incidente , que miden la cantidad de luz que incide sobre el sujeto mediante un difusor con un campo de visión plano o (más comúnmente) hemisférico, colocado sobre el sensor de luz. ^{[ 13 ]} Dado que la lectura de luz incidente es independiente de la reflectancia del sujeto, es menos probable que dé lugar a exposiciones incorrectas para sujetos con reflectancia media inusual. Tomar una lectura de luz incidente requiere colocar el fotómetro en la posición del sujeto y apuntarlo en la dirección general de la cámara, algo que no siempre es posible en la práctica, por ejemplo, en la fotografía de paisajes, donde la distancia al sujeto tiende al infinito.

Otra forma de evitar la subexposición o sobreexposición en sujetos con reflectancia inusual es usar un fotómetro puntual : un fotómetro especializado para luz reflejada que mide la luz en un cono muy estrecho, generalmente con un ángulo de visión circular de un grado . ^{[ 14 ]} Un fotógrafo experimentado puede tomar varias lecturas en las sombras, el rango medio y las luces de la escena para determinar la exposición óptima, utilizando sistemas como el Sistema de Zonas . ^{[ 11 ] : 102, 126}

Muchas cámaras modernas incluyen sofisticados sistemas de medición multisegmento que miden la luminancia de diferentes partes de la escena para determinar la exposición óptima. ^{[ 11 ] : 102} Al usar una película cuya sensibilidad espectral no coincide con la del fotómetro, por ejemplo, una película ortocromática en blanco y negro o infrarroja, el fotómetro puede requerir filtros especiales y una recalibración para ajustarse a la sensibilidad de la película. ^{[ 11 ] : 89–92}

Existen otros tipos de fotómetros especializados. Los fotómetros de flash se utilizan en fotografía con flash para verificar la exposición correcta. Los colorímetros se utilizan cuando se requiere una alta fidelidad en la reproducción del color. Los densitómetros se utilizan en la reproducción fotográfica.

Para los fotómetros de luz reflejada, los ajustes de la cámara están relacionados con la velocidad ISO y la luminancia del sujeto mediante la ecuación de exposición de luz reflejada:

${\displaystyle {\frac {N^{2}}{t}}={\frac {LS}{K}}}$

dónde

• ${\displaystyle N}$es la apertura relativa ( número f )
• ${\displaystyle t}$es el tiempo de exposición (" velocidad de obturación ") en segundos
• ${\displaystyle L}$es la luminancia promedio de la escena
• ${\displaystyle S}$es la velocidad aritmética ISO
• ${\displaystyle K}$es la constante de calibración del medidor de luz reflejada

En el caso de los fotómetros de luz incidente, los ajustes de la cámara están relacionados con la sensibilidad ISO y la iluminancia del sujeto mediante la ecuación de exposición de luz incidente:

${\displaystyle {\frac {N^{2}}{t}}={\frac {ES}{C}}}$

dónde

• ${\displaystyle E}$es la iluminancia
• ${\displaystyle C}$es la constante de calibración del medidor de luz incidente

La determinación de las constantes de calibración ha sido en gran medida subjetiva; la norma ISO 2720:1974 establece que

Las constantes${\displaystyle K}$y${\displaystyle C}$Se seleccionará mediante análisis estadístico de los resultados de un gran número de pruebas realizadas para determinar la aceptabilidad por parte de un gran número de observadores, de una serie de fotografías, para las cuales se conocía la exposición, obtenidas bajo diversas condiciones de modo de sujeto y en un rango de luminancias.

En la práctica, la variación de las constantes de calibración entre los fabricantes es considerablemente menor de lo que esta afirmación podría implicar, y los valores han cambiado poco desde principios de la década de 1970.

ISO 2720:1974 recomienda un rango para${\displaystyle K}$de 10,6 a 13,4 con luminancia en cd/m ² . Dos valores para${\displaystyle K}$son de uso común: 12,5 ( Canon , Nikon y Sekonic [ ^{15 ] )} y 14 ( Minolta , ^{[ 16 ]} Kenko , ^{[ 16 ]} y Pentax ) ; la diferencia entre los dos valores es aproximadamente 1/6 EV .

Los primeros estándares de calibración se desarrollaron para su uso con medidores de luz reflejada de promedio de gran angular ( Jones y Condit 1941 ). Aunque la medición de promedio de gran angular ha cedido en gran medida el paso a otros patrones de sensibilidad de medición (por ejemplo, puntual, ponderada al centro y multisegmento), los valores para${\displaystyle K}$Se han mantenido los medidores de promedio de gran angular determinados.

La constante de calibración de la luz incidente depende del tipo de fotorreceptor. Son comunes dos tipos de receptores: planos ( que responden al coseno ) y hemisféricos ( que responden al cardioide ). Con un receptor plano, la norma ISO 2720:1974 recomienda un rango para${\displaystyle C}$de 240 a 400 con iluminancia en lux ; comúnmente se usa un valor de 250. Un receptor plano se usa normalmente para medir relaciones de iluminación, para medir la iluminancia y, ocasionalmente, para determinar la exposición de un sujeto plano.

Para determinar la exposición fotográfica práctica, un receptor hemisférico ha demostrado ser más eficaz. Don Norwood , inventor del fotómetro de luz incidente con un receptor hemisférico, pensó que una esfera era una representación razonable de un sujeto fotográfico. Según su patente ( Norwood 1938 ), el objetivo era

Proporcionar un fotómetro que responda de manera sustancialmente uniforme a la luz incidente sobre el sujeto fotográfico desde prácticamente todas las direcciones que producirían el reflejo de la luz hacia la cámara u otro registro fotográfico.

y el medidor estaba destinado a "medir la iluminación efectiva obtenida en la posición del sujeto".

Con un receptor hemisférico, la norma ISO 2720:1974 recomienda un rango para${\displaystyle C}$de 320 a 540 con iluminancia en lux; en la práctica, los valores suelen estar entre 320 (Minolta) y 340 (Sekonic). Las respuestas relativas de los receptores planos y hemisféricos dependen del número y tipo de fuentes de luz; cuando cada receptor apunta a una pequeña fuente de luz, un receptor hemisférico con${\displaystyle C}$= 330 indicará una exposición aproximadamente 0,40 pasos mayor que la indicada por un receptor plano con${\displaystyle C}$= 250. Con una definición de iluminancia ligeramente revisada, las mediciones con un receptor hemisférico indican "iluminación efectiva de la escena".

Se suele afirmar que los fotómetros de luz reflejada se calibran a una reflectancia del 18 % ^{[ 17 ]} , pero la calibración no tiene nada que ver con la reflectancia, como debería ser evidente a partir de las fórmulas de exposición. Sin embargo, la comparación de la calibración de fotómetros de luz incidente y reflejada implica cierta noción de reflectancia.

Combinando las ecuaciones de exposición de luz reflejada y luz incidente y reordenándolas se obtiene

${\displaystyle {\frac {L}{E}}={\frac {K}{C}}}$

Reflectancia${\displaystyle R}$se define como

${\displaystyle R={\frac {\mbox{flujo emitido desde la superficie}}{\mbox{flujo incidente sobre la superficie}}}}$

Un difusor uniforme perfecto (uno que sigue la ley del coseno de Lambert ) de luminancia${\displaystyle L}$emite una densidad de flujo de${\displaystyle \pi }$${\displaystyle L}$; la reflectancia entonces es

${\displaystyle R={\frac {\pi L}{E}}={\frac {\pi K}{C}}}$

La iluminancia se mide con un receptor plano. Es sencillo comparar una medición de luz incidente usando un receptor plano con una medición de luz reflejada de una superficie plana uniformemente iluminada de reflectancia constante. Usando valores de 12,5 para${\displaystyle K}$y 250 por${\displaystyle C}$da

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{250}}\approx 15.7\%}$

Con un${\displaystyle K}$Con un valor de 14, la reflectancia sería del 17,6 %, cercana a la de una tarjeta de prueba neutra estándar del 18 %. En teoría, una medición de luz incidente debería coincidir con una medición de luz reflejada de una tarjeta de prueba con reflectancia adecuada, perpendicular a la dirección del medidor. Sin embargo, una tarjeta de prueba rara vez es un difusor uniforme, por lo que las mediciones de luz incidente y reflejada podrían diferir ligeramente.

En una escena típica, muchos elementos no son planos y están en diversas orientaciones con respecto a la cámara, por lo que para la fotografía práctica, un receptor hemisférico suele haber demostrado ser más eficaz para determinar la exposición. Utilizando valores de 12,5 para${\displaystyle K}$y 330 para${\displaystyle C}$da

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{330}}\approx 11.9\%}$

Con una definición ligeramente revisada de reflectancia, este resultado puede interpretarse como que la reflectancia promedio de la escena es aproximadamente del 12%. Una escena típica incluye áreas sombreadas, así como áreas que reciben iluminación directa, y un medidor de luz reflejada de promedio de gran angular responde a estas diferencias de iluminación, así como a las diferentes reflectancias de los diversos elementos de la escena. La reflectancia promedio de la escena sería entonces

${\displaystyle {\mbox{reflectancia promedio de la escena}}={\frac {\mbox{luminancia promedio de la escena}}{\mbox{iluminación efectiva de la escena}}}}$

donde "iluminación efectiva de la escena" es la medida por un medidor con un receptor hemisférico.

La norma ISO 2720:1974 exige que la calibración de luz reflejada se mida apuntando el receptor a una superficie difusa transiluminada, y que la calibración de luz incidente se mida apuntando el receptor a una fuente puntual en una habitación oscura. Para una tarjeta de prueba perfectamente difusora y un receptor plano perfectamente difusor, la comparación entre una medición de luz reflejada y una medición de luz incidente es válida para cualquier posición de la fuente de luz. Sin embargo, la respuesta de un receptor hemisférico a una fuente de luz fuera del eje es aproximadamente la de una cardioide en lugar de una cosenoidal , por lo que la "reflectancia" del 12 % determinada para un medidor de luz incidente con un receptor hemisférico solo es válida cuando la fuente de luz está en el eje del receptor.

La calibración de cámaras con medidores internos está cubierta por la norma ISO 2721:1982 ; no obstante, muchos fabricantes especifican (aunque rara vez lo indican) la calibración de la exposición en términos de${\displaystyle K}$y muchos instrumentos de calibración (por ejemplo, los probadores de cámaras multifunción Kyoritsu-Arrowin ^{[ 18 ]} ) utilizan el especificado${\displaystyle K}$para configurar los parámetros de la prueba.

• Ctein. 1997. Postexposición: Técnicas avanzadas para el impresor fotográfico . Boston: Focal Press . ISBN 0-240-80299-3.
• Eastman Kodak Company. Instrucciones para la tarjeta de prueba neutra Kodak, 453-1-78-ABX. Rochester: Eastman Kodak Company.
• Eastman Kodak Company. 1992. Guía fotográfica profesional de Kodak . Publicación Kodak n.° R-28. Rochester: Eastman Kodak Company.
• ISO 2720:1974 . Medidores de exposición fotográfica de uso general (tipo fotoeléctrico) — Guía de especificación del producto . Organización Internacional de Normalización .
• ISO 2721:2013 . Fotografía  —  Cámaras de película  —  Controles automáticos de exposición . Organización Internacional de Normalización .
• Jones, Loyd A., y HR Condit. 1941. La escala de brillo de las escenas exteriores y el cálculo correcto de la exposición fotográfica. Journal of the Optical Society of America . 31:651–678 .
• Patente estadounidense 2214283 , Donald W. Norwood, "Medidor de exposición", publicada el 10 de septiembre de 1940  .