La Difracción un problema a evitar

La profundidad de campo es uno de los principales parámetros a la hora de realizar una toma fotográfica. Ante situaciones como un paisaje, podemos optar por la posición del diafragma que más nos convenga con garantías de una toma de calidad. Pero en macro, cuando toda profundidad de campo es poca y nos vemos tentados a diafragmar al máximo, es entonces cuando la difracción nos muestra su efecto más pernicioso, al reducir la nitidez de la imagen. En este caso no nos queda más solución que renunciar a una profundidad de campo grande en favor de una nitidez aceptable. Conozcamos, pues, este fenómeno y cómo controlarlo.

Para el que le guste la etimología, la palabra difracción procede del griego diffractus, que viene a significar rotura o quebrado y hace alusión al fenómeno que provoca la fractura de un rayo de luz cuando incide sobre el borde de un objeto opaco o atraviesa una pequeña abertura. Este efecto es tanto más patente cuanto más afilado es el borde del objeto.

 Un poco de teoría

Todos sabemos que la luz de propaga en línea recta (figura 1), pero en la realidad, cuando un rayo choca con el borde de un objeto opaco bien definido, se produce en este punto de contacto un segundo frente de ondas circular que interactúa con el anterior y produce una serie de interferencias que dan lugar a un área de penumbra (figura 2).  

Este fenómeno es bien conocido durante los eclipses de sol, en donde la aparición de la zona de penumbra sobre la superficie terrestre, casi puede achacarse exclusivamente a la difracción, debido a la ausencia de una atmósfera lunar que provoque refracciones. De igual forma, tanto el arco iris, como el extraño fenómeno nuboso de los arcos blancos secundarios o círculos de Ulloa, se basan en fenómenos de interferencia y difracción entre las microdispersiones producidas al incidir la luz sobre las gotitas del vapor de agua en suspensión.

 ¿Cómo nos afecta?

«Como fotógrafo, ¿qué me importa todo esto?», se estará preguntando usted. No hay más que pensar que los rayos de luz, en su recorrido por el interior del objetivo, chocan con las laminillas del diafragma y que estás son objetos opacos bastante afilados. En efecto, al incidir la luz sobre cada punto del borde del diafragma, los trenes de ondas secundarios formados por la difracción, forman en su conjunto la figura difusa de uno o más anillos de interferencia concéntricos (el número observable dependerá de la intensidad de la luz incidente) llamados anillos de Airy (marcado con flechas en las figuras 3A, 3C y 3D). Este disco es tanto más patente cuanto más se cierra el diafragma.

Puede hacerse uno idea de cómo aumenta el efecto de la interferencia jugando con applet Java de un  simulador de difracción, modificando varios parámetros como el diafragma del objetivo, longitud de onda, separación, etc., aunque con las limitaciones y diferencias que impone una rendija lineal como la recogida en la web, respecto a una circular como el diafragma. La gráfica inferior con forma de campana bajo la que subyacen dos picos secundarios rodeando al principal (figura 3D), se correspondería con el corte a-b del disco de Airy representado en de la figura 3A.

Observad de paso el efecto de la longitud de onda en la intensidad de difracción, tomando como punto de partida la región del verde (500 nm), que es la de mayor sensibilidad para el ojo humano. Ni que decir tiene que, en situaciones normales, cuando lo que fotografiamos no es una estrella ni un punto de luz sino un objeto o un animal, la difracción no provoca un sólo anillo de Airy, sino tantos anillos como puntos de luz tenga la imagen y, en conjunto, los millones de discos y las interferencias entre ellos, son los que dotan a la imagen global de un aspecto degradado y sin contornos bien definidos.

En síntesis, los factores que afectan a la difracción son los siguientes:

• La anchura de la rendija (apertura del diafragma): Cuanto menor sea ésta, mayor será la intensidad y el número de los anillos de difracción.
• La longitud de onda de la luz (en nuestro caso, en que por lo general no usamos fuentes monocromáticas, no resulta un factor importante): En cualquier caso, cuanto mayor sea la longitud de onda (zona del rojo-naranja) más separados estarán los anillos y por tanto menor nitidez tendrá la imagen.
• La distancia desde la rendija a al plano focal (que, con ciertas restricciones, casi puede asimilarse a la focal del objetivo): Tiene un efecto similar al color de la luz, es decir, cuanto más alejada esté la rendija menor nitidez tendrá la imagen, lo que resulta un factor muy a tener en cuenta en el caso de la fotomacrografía, en que los fuelles y tubos de extensión separan considerablemente la rendija del diafragma del plano de la película.
• La Intensidad de la luz: Determina el número e intensidad de los anillos concéntricos de difracción.

Controlando la nitidez 

Como es sabido, gran parte de las aberraciones ópticas de los objetivos (excepto la cromática lateral y la de distorsión curvilínea) se pueden eliminar diafragmando, pero como acabamos de ver, los diafragmas pequeños provocan la aparición de anillos parásitos que degradan la imagen. Sobre un objetivo teóricamente perfecto, en principio, las máximas aperturas dan siempre el mayor poder resolutivo ya que éste, según la conocida fórmula de Abbe (resolución = 1 / ?f), la resolución es inversamente proporcional al valor de la apertura relativa o número f (la longitud de onda l no la tendremos en cuenta ya que no trabajamos con luces monocromáticas).

En la práctica, el rendimiento de un objetivo está más limitado por sus aberraciones que por la difracción, de ahí el que haya que buscar un diafragma de compromiso entre ambos factores si lo que se busca la máxima calidad en la imagen. No hay reglas fijas, porque la decisión del diafragma medio estaría condicionada por la propia calidad y corrección del objetivo, es decir, los objetivos con gran corrección óptica, nos permitirían alcanzar la máxima calidad con diafragmas algo más abiertos. En cualquier caso, de todos es sabido que, por lo general, en los diafragmas intermedios es donde se suele alcanzar la máxima calidad. En la figura 4 puede verse claramente esta relación. Cuanta mayor calidad y corrección óptica tenga el objetivo, menor será el área azul clara, correspondiente a las aberraciones residuales, y por tanto mayor será la apertura en la que consigamos la máxima calidad. Siempre y cuando el tema a fotografiar nos libere del problema de la profundidad de campo, ya que todas estas pruebas se hacen fotografiando cartas planas de resolución.

¿Profundidad de campo o nitidez?

Posiblemente el mayor trastorno provocado por la difracción ocurra en el campo de la astrofotografía, fotomicrografía o, en nuestro caso, en el de la fotomacrografía, en donde se busca la máxima profundidad de campo cerrando todo lo posible el diafragma. Veamos qué hacer en este caso, comprendiendo previamente el fenómeno de la profundidad de campo.

En la figura superior podemos ver el esquema de lo que ocurre en el interior de la cámara, con un teórico foco puntual que, para hacerlo más comprensible, podemos imaginar como la imagen de una estrella formada en el plano focal del objetivo. Al igual que por delante de la lente hablamos de profundidad de campo, por detrás, y a nivel del plano de la película, usamos el término profundidad de foco aunque hasta cierto punto podamos considerarlos conceptos equivalentes.

Para un objeto perfectamente enfocado, sólo existe un plano focal correcto y, al girar el anillo de enfoque, lo que hacemos es adelantar o retrasar el objetivo para mover éste plano focal y que coincida lo más exactamente posible con el plano de la película. Conforme nos separamos de este plano, la imagen de lo que debería ser un punto perfecto, que es el Círculo de Confusión Mínimo (CCM), según nos separamos a ambos lado de él, empieza a convertirse en un disco difuso, tanto más grande cuanto más nos separemos del plano focal. Como las imágenes formadas en el plano de la película son muy pequeñas y el ojo humano normal no distingue un punto de dos que estén separados entre sí menos de 0,2 milímetros, nos aprovechamos de esto para seguir considerando estos pequeñísimos discos difusos como puntos perfectos hasta que alcanzan un límite conocido como máximo círculo de confusión aceptable (MCCA). El cálculo del diámetro de este círculo, tan interesante para algunos y los factores que le afectan, no puede ser tratado en este artículo por problemas de espacio, pero pueden obtenerse ya calculadas a partir de las siguientes tablas de estos enlaces http://walterpacheco.xtreemhost.com/Distanciahiperfocal.php
http://lucesyfotos.es/blog/212/circulo-de-confusion-consideraciones-en-fotografia-digital-y-tabla-de-hiperfocales La distancia comprendida entre esos dos círculos, anterior y posterior al punto focal, es precisamente lo que los fotógrafos denominamos en el interior de la cámara profundidad de foco y a su equivalente fuera y ante el objetivo: Profundidad de campo, pues los objetos «desenfocados» que se encuentren en esa zona (o a su distancia conjugada equivalente ante a cámara) podemos considerarlos cómo aceptablemente nítidos.

Por cuestiones de simplicidad, se han dibujado simétricas las distancias entre ambos discos al punto focal. En la práctica, el disco anterior, más cercano a la lente, suele estar a menor distancia del plano focal, lo que explica el desigual reparto de la profundidad de campo a ambos lados de ese plano y la conocida regla de concretar el enfoque el primer tercio de objeto. Esta regla deja de cumplirse cuando el ratio de aumento supera el 1:1 debido a la gran distancia que hay entre el foco perfecto y la lente. ¿Por qué aumenta esta profundidad al cerrar el diafragma? Muy sencillo: simplemente porque al estrecharse los conos del haz luminoso, aumenta la distancia entre los dos discos de confusión aceptable (véase la figura anterior). El problema está en que, conforme vamos cerrando más y más el diafragma, la difracción va aumentando paulatinamente.

El problema de la nitidez en macro 

El que se inicia en macro, busca como loco la máxima profundidad de campo posible y para ello suele diafragmar a tope; además, la distancia entre la rendija del diafragma y el plano de la película aumenta por los tubos de extensión y la apertura relativa disminuye con el empleo de accesorios para macro. Todo ello hace que el efecto de la difracción pueda llegar a ser tremendo. A f/32 la degradación de la imagen es tan fuerte que la foto obtenida resulta por completo inutilizable, tal como puede apreciarse en las figuras de abajo.

En ambas fotos se empleó un objetivo bastante usado (Nikkor 55 f/2,8 micro) invertido sobre el fuelle Nikon PB-6, para un aumento sobre la diapositiva de 5,3x. En los dos casos se iluminó con dos flashes Nikon SB-24 y SB-25 interconectados con dos cables Nikon TTL. En la imagen superior, tomada a f/8, se nota indudablemente una mayor nitidez y una menor profundidad de campo. Obsérvese también el fondo oscuro de la tomada a f/32 producto del menor alcance del flash. Ambas imágenes fueron captadas con una película común de diapositivas (Polaroid Polachrome de 100 ISO) se escanearon directamente al tamaño final (lado mayor de 450 píxeles a 72 ppp) para evitar así la degradación digital por remuestreo y se reencuadraron en un área equivalente a 2/3 de la diapositiva en un Nikon Coolscan LS-2000 con la función Cleanimage (ICE) desactivada y, finalmente, fueron comprimidas en JPG de grado 9 con Photoshop v. 6.2. Como ya hemos indicado, los tubos de extensión, fuelles y cualquier otro accesorio que aumente la distancia física entre el foco emisor de la difracción (laminillas del diafragma) y el plano de la película, disminuirá la nitidez de la imagen al incrementar el diámetro de los anillos de difracción y las interferencias entre los anillos de cada punto de luz. Siempre debemos tener en cuenta que hablamos del número f efectivo (cociente entre el diámetro de la apertura del diafragma y la distancia de éste al plano de la película), y no del número f nominal (el que se marca en el aro del objetivo). El número f efectivo aparece en el display de algunos modelos de cámara si el accesorio macro mantiene la conexión y automatismo entre el objetivo y el cuerpo, pero no cuando se pierde la conexión, como en el caso de los fuelles. Las lentes de aproximación afectarían menos en cuanto a difracción, pero añaden errores ópticos que degradan aún más la imagen, ya que casi siempre la adición de una nueva lente estropea el delicado equilibrio óptico que diseñó el fabricante para la corrección de aberraciones. La degradación, en este caso, no sería por difracción, ya que no modifican el número f efectivo, sino por su potencialidad aberrante, especialmente fuera de su eje óptico. Aunque los teleconvertidores se usan muy poco en macro, amén de introducir más lentes por medio y estropear la imagen como en el caso de la lentes de aproximación, encima modifican el numero f efectivo y disminuyen por tanto la luminosidad, con lo que sería la peor opción de todas. Siempre que se pueda, los teleconvertidores han de adquirirse como complementos ópticos del objetivo sobre el que se van a montar, es decir, sobre el objetivo o la gama de objetivos para los que fue diseñado por el fabricante, ya que sobre ellos, se buscó ante todo conservar el equilibrio óptico del conjunto teleconvertidor-objetivo minimizando la aparición de aberraciones. En Macro, debido a la gran distancia de proyección de la imagen (distancia objetivo-sensor) y al pequeño diámetro de los diafragmas utilizados, uno de los mayores problemas en cuanto a calidad de imagen es la difracción; que es además el factor que limita de la resolución y por ende el máximo aumento que podremos lograr con calidad. Si nos fijamos, realmente la imagen está formada por millones de puntos de luz, llamados discos de Airy y será tanto más nítida cuanto menores sean esos puntos.

En fotografía de Naturaleza, la distancia entre la lente y el sensor suele estar entre  los 5-10cm,  pero en macro,  al aumentar la imagen separando muchísimo la lente del sensor, el área de cada punto aumenta 4 veces cada vez que la distancia se duplica  y como esta distancia, usando fuelles, puede llegar a ser de hasta 40-50cm, el área de cada punto puede aumentar en 25-200 veces, al tiempo que la luminosidad desciende en idéntica proporción. Esto nos da una idea de la gran importancia de la difracción en fotomacrografía. Por último, las cámaras de medio y gran formato (poco empleadas en macro), permiten diafragmas más cerrados (algunas hasta f/90) debido a que el negativo sufrirá mucha menos ampliación y, por tanto, el diámetro máximo de los discos de confusión aceptables será mayor, con lo que el efecto de la difracción será lógicamente mucho menos perceptible.

 Resumiendo

Resulta difícil dar consejos absolutos, ya que hay bastantes factores en juego, pero en general, en macrofotografía, debe huirse de diafragmas superiores al f/16 y tratar de solucionar el problema intentando que los puntos principales del espécimen a fotografiar estén todos en un plano perpendicular al eje óptico del objetivo. Para fotografía general y para objetivos de focal media y mediana calidad, normalmente, la máxima calidad de imagen se obtiene cerrando aproximadamente unos tres puntos el diafragma por encima de la máxima apertura, como puede verse en cualquier diagrama MTF de objetivos. Para el que le gusten las recetas y trucos, hace algún tiempo leí una regla para andar por casa que, aunque no tiene ninguna base científica, en ocasiones puede resultar efectiva. Viene a decir que «una óptica empieza a mostrar notables problemas de difracción cuando su diafragma es aproximadamente igual al resultado de dividir su focal por cuatro». Es decir, para un objetivo normal de 50 mm no debería pasarse de f/11 (50/4=12,5), con un 90 mm se obtendrían buenas tomas hasta f/22, etc. En fotografía, fuera del campo estricto de formación de la imagen, encontramos también el fenómeno de difracción en ciertos filtros fotográficos de efectos especiales, como los de destellos en estrella, arco iris, en los filtros de corte para ciertas longitudes de onda de uso puramente científico, en los espejos de alta reflectancia, en los filtros anticalóricos de ciertos proyectores de diapositivas, en las parábolas reflectoras de los focos de iluminación dicroicos, etc. Por último destacar que, como gracias a las nuevas técnicas de stacking y/o apilamiento el problema de la profundidad de campo ha desaparecido, la mayor nitidez se logra cerrando tan solo uno o dos puntos de diafragma para eliminar las aberraciones laterales (especialmente en los objetivos de mayor calidad).

La imagen de encima se tomó con el extraordinario Leica Photar f/2, cerrado a F/4 con un stack de 62 imágenes. En estos casos es mejor disparar 62 tomas a f/4, que 20 a f/8, pero este tipo de fotografía de apilamiento, es un tema que merece un nuevo artículo.

© Luis Monje Arenas 2014

Artículo original publicado en Fotonatura en el año 2002.  Actualizado.