LA DISPERSIÓN DE LA LUZ

La última propiedad básica de la luz -del comportamiento de la luz- que vamos a tratar es la dispersión.

El tratamiento separado de las longitudes de onda por la refracción aunque ligero, «dispersa» la luz blanca en sus colores componentes del espectro. El arco iris es un ejemplo clásico de dispersión. 

La luz solar que atraviesa la lluvia es refractada por este medio más denso, y su contenido azul sigue un curso más alterado que las longitudes de ondas rojas.

Por lo tanto, este color dispersado se hace visible en forma de fajas distintas.

Desde el punto de vista del diseñador de objetivos, la dispersión es un desgraciado efecto secundario de la refracción. Provoca el que la luz azul se desplace a un foco diferente del de la luz roja. 

 Aberración cromática producida por el uso de lente simple

Este efecto puede ser neutralizado utilizando elementos ópticos construidos con vidrios diferentes.

 

La dispersión es una de las principales razones por las cuales no podemos emplear un sencillo objetivo de una sola lente para hacer fotografía en serio (fotografía profesional, se entiende, aunque en el arte todo está permitido, pero esa es otra cuestión).

 Cámara de lente simple

 

Por razones de comodidad, hemos venido examinando algunos de los cambios que producen en la luz la absorción, la reflexión, la transmisión, etcétera, como si ocurrieran totalmente por separado con unos materiales dados. De hecho, nunca es posible producir uno solo de estos fenómenos sin que por lo menos se produzca alguno de los demás. 

Observemos algún material bien conocido. El papel blanco puede reflejar el 90% de la luz incidente: el resto puede ser absorbido y transformado en calor, o ser transmitido a la superficie inferior. 

La placa de enfoque de una cámara transmite la mayor parte de la luz, refleja otra parte hacia el interior de la cámara y absorbe el resto. Un filtro de vidrio rojo transmite la mayor parte de las longitudes de ondas rojas (refractando rayos oblicuos), refleja una parte de esta luz roja y absorbe una pequeña cantidad, calentándose. Otras longitudes de onda son absorbidas en su mayor parte, un porcentaje de ellas es reflejado, y tal vez un diminuto porcentaje es transmitido. 

Otro ejemplo: La superficie exterior del fuelle de la cámara de gran formato absorbe la mayor parte de la luz, refleja algo de ello y (por lo menos, así lo esperamos) no transmite nada de ella.

PROPIEDADES DE LA LUZ: LA REFRACCIÓN

Una propiedad de la luz que es de primera importancia en fotografía puede apreciarse cuando un rayo luminoso atraviesa oblicuamente un material transparente para penetrar en otro. El cambio de dirección que se produce entonces se conoce con el nombre de «refracción».

 Refracción en gotas de agua

 

Cada rayo luminoso, si bien se desplaza en línea recta, tiene también un movimiento ondulante (de ondas). Su “frente de onda” puede dibujarse en forma de una línea perpendicular a la dirección general de  desplazamiento, algo parecido a una hilera de crestas de olas que avance sobre las aguas del mar. 

Ya sabemos por anteriores artículos de este blog que la velocidad de la luz varía con el material a través del cual pasa. Alcanza su velocidad máxima cuando se transmite a través del vacío (300.000 kilómetros por segundo), es ligeramente más lenta en el aire y todavía más lenta en el vidrio.

Cuanto más denso es el material, más lenta es la velocidad de la luz.

Cuando la luz pasa desde el aire en ángulo recto y penetra en un bloque de vidrio transparente, disminuye también la velocidad de todo su frente de ondas. No se produce ningún cambio de dirección. Sólo disminuye imperceptiblemente la velocidad.

Pero observemos lo que ocurre cuando un rayo luminoso pasa oblicuamente del aire al interior de un vidrio transparente o un vaso lleno de agua: Un lado del frente de ondas llega al material denso primeramente y disminuye su velocidad. El extremo opuesto del frente de ondas sigue a su velocidad originaria un poquitín más, lo suficiente para «pisar los talones» del frente de ondas, y, por lo tanto, “doblegar” la dirección del rayo luminoso, alejándolo del punto limítrofe.

Refracción en un vaso de agua

 

El efecto viene a ser como una fila de bañistas que penetren corriendo diagonalmente en el mar: los que llegan primero al agua disminuyen de velocidad, alterando con ello la dirección de desplazamiento de toda la hilera.

Gráfico de refracción de la luz

La refracción de la luz es la clave de la óptica fotográfica, porque sin ella los objetivos no podrían desviar la luz para formar imágenes fotográficas.

¿Cómo podemos medir la magnitud de desviación de la luz? 

Suponiendo que proyectamos un estrecho haz de luz oblicuamente para hacerlo penetrar en un bloque de vidrio, las posiciones de la superficie aire/vidrio y la dirección de la luz incidente y la refractada las podemos registrar en un gráfico. 

 Medición del índice de refracción

Se traza una línea «normal», perpendicular a la superficie del vidrio, en el punto de contacto. Como en el caso de la reflexión, el ángulo descrito por el rayo de luz incidente con esta normal recibe el nombre de «ángulo de incidencia». 

El ángulo formado por el rayo refractado con la normal dentro del vidrio se conoce con el nombre de “ángulo de refracción”), el cual es (por razón de ser el vidrio más denso que el aire) menor que el ángulo de incidencia.

Por lo tanto, puede decirse que el «poder de desviación de la luz» de un material transparente viene indicado por su índice de refracción. 

La luz que incide en la superficie del nuevo material y formando ángulo recto (o sea, desplazándose a lo largo de la normal) no se refracta nada, por cuanto resulta afectado uniformemente el frente de ondas. Cuando aumenta el ángulo de incidencia con la normal, aumenta también el cambio en dirección por refracción.

Refracción de la luz blanca en sus longitudes de onda

Una última cuestión: Hasta aquí hemos venido diciendo que la “luz” es refractada. La luz blanca es una banda de longitudes de onda, cada una de las cuales es refractada por una cantidad ligeramente diferente. Por lo tanto, suelen usarse los valores del índice de refracción de las longitudes de onda situadas hacia la mitad del espectro visible (verde). Las longitudes de onda azules son refractadas un poco más y las rojas un poco menos.

Resumiendo:

«Refracción» es la desviación de la luz que pasa oblicuamente desde un medio transparente a otro de densidad distinta. La luz se desvía hacia la normal en el medio más denso.

El cambio general en la dirección de la trayectoria de la luz depende de  lo siguiente:

1. Del tipo del material (su índice de refracción).
2. La dirección desde la cual la luz incide en el material (ángulo de incidencia).
3. La longitud de onda de la luz.

  Refracción en tres copas

LOS ESPEJISMOS: FENÓMENOS DE LA LUZ

Antes de continuar repasando las propiedades de la luz, vamos a pararnos en un fenómeno -los espejismos- que tiene que ver con las propiedades que ya hemos visto y con la refracción, que es la siguiente que veremos.

¿Qué son y porqué se producen los espejismos?

Espejismo en el desierto

Un espejismo es una ilusión óptica en la que los objetos lejanos aparecen reflejados en una superficie lisa como si se estuviera contemplando una superficie líquida que, en realidad, no existe.

¿PORQUÉ SE PRODUCEN?

En contacto con el suelo caliente, el aire transmite ese calor y su densidad varía a partir de aquél de tal manera que, contrario a lo usual, el aire más frío se mantiene encima del más caliente, el cual fue calentado por la radiación reflejada por el suelo.

Esto crea una densidad desigual en el aire que le otorga varios índices de refracción (propiedad de la luz que ya he dicho que veremos más adelante). 

Diagrama de un espejismo

Por tanto, un rayo de luz reflejado  por un objeto lejano que va hacia abajo, y en la dirección del observador, va experimentando refracciones sucesivas al atravesar las distintas capas de aire; su inclinación hacia el suelo es cada vez menor y, tras llegar a la horizontal, el rayo sufre nuevas refracciones, aunque esta vez hacia arriba. 

Así es como, tras haber descrito una trayectoria curva de convexidad dirigida hacia abajo, llega al ojo del observador, que ve en el suelo (espejismo inferior) una imagen poco neta del objeto. 

Ahora bien, como otros rayos de procedencia real llegan también directamente al ojo del observador, éste tiene la impresión de ver a la vez el objeto (por ejemplo, los camellos o una palmera del desierto) y, al pie del mismo, una segunda imagen invertida, como si esta palmera se reflejara en una superficie líquida inexistente. 

Espejismo inferior

 

Así, en las horas más calurosas del verano, la imagen del cielo parece venir del asfalto de la carretera caliente, a la vez que ésta parece mojada o encharcada para el observador.

 Espejismo superior

  

Es excepcional que la trayectoria de los rayos luminosos sea convexa hacia arriba (espejismo superior). Cuando se produce, un barco, una montaña, el sol etc., parecen flotar en la atmósfera.

Espejismo superior

PROPIEDADES DE LA LUZ: LA TRANSMISIÓN

  

Transmisión + reflexión de la luz en el agua

La transmisión de la luz, o paso de la misma a través de una sustancia no opaca, se dice que es difusa cuando los rayos se dispersan en muchas direcciones. 

Esto ocurre con los materiales  translúcidos, como el vidrio deslustrado, el vidrio opal y muchos plásticos. Por razón de esta dispersión, los rayos luminosos directos procedentes de un pequeño manantial pueden ser dispersados por un material translúcido, de modo que la luz producida pueda ser vista por observadores que pueden encontrarse fuera de la trayectoria directa de la luz original. 

De ahí que se empleen pantallas translúcidas detrás de las transparencias en color, cuando se las mira en visores manuales. Como fondo iluminado por debajo, ofrecen una superficie uniforme y sin sombras para fotografías de bodegones. También se emplea en los accesorios de los flashes de estudio (en concreto las ventanas o "softbox") para crear una iluminación con sombras difusas.

Soft box o ventana de luz

Ingrid Rubio iluminada con "softbox" octogonal

Las ampliadoras provistas de placas difusoras entre la lámpara y el negativo proporcionan una iluminación uniforme, sin necesidad de que la columna de la linterna tenga demasiada altura para separar el foco de luz y el negativo.

La luz se transmite de forma directa cuando puede desplazarse a través de un material transparente sin dispersarse. Constituyen ejemplos muy sabidos el vidrio corriente, el aire, el agua, etcétera.

La luz se transmite de forma selectiva (difusa o directamente) por materiales de color que absorben ciertas longitudes de onda. Un filtro de color verde intenso absorbe las longitudes de onda rojas y azules de la luz blanca, transmitiendo en su mayoría las verdes. Como en el caso de los reflectores de color, los materiales transmisores de color cambian de aspecto según el contenido de la luz incidente en longitud de onda. Así, un vidrio teñido de azul, por ejemplo, parece negro cuando se mira contra el anaranjado del sol en un ocaso.

 Una vidriera es un transmisor selectivo de luz de diferentes longitudes de onda

PROPIEDADES DE LA LUZ: LA REFLEXIÓN

 Fele Martínez fotografiado con un espejo flexible

La luz puede ser reflejada «especularmente» (como en un espejo) cuando incide en sustancias lisas, tales como agua, vidrio, cromados pulimentados, etc.

Cada rayo que llega hasta la superficie es reflejado en una dirección determinada por su «ángulo de incidencia».

 

Diagrama de reflexión de la luz 

Si se traza una línea imaginaria perpendicular a la superficie donde incide un rayo luminoso, el ángulo comprendido entre esta línea «normal» y el rayo de luz recibe el nombre de ángulo de incidencia. El rayo que parte de la superficie, después de reflejado especularmente, forma un ángulo de reflexión con el normal, igual al ángulo de incidencia.

El conocimiento de esta sencilla ley es fotográficamente útil en la iluminación y la selección del punto de mira.  Las lámparas o el flash pueden ser situados instintivamente en puntos donde las ventanas y vitrinas no puedan proyectar la luz que reflejan de modo que llegue hasta el objetivo... o, al contrario, podemos utilizar el reflejo de la imagen con intenciones creativas.

Reflexión difusa

De noche, los escaparates pueden fotografiarse desde un ángulo predeterminado en el cual las luces de la calle no puedan reflejarse en la cámara. Tampoco podrá situarse una ampliadora en una habitación cuyas paredes sean de superficie brillante, puesto que reflejarían luz dispersa de la linterna hacia el papel de positivado.

La reflexión «difusa» tiene lugar a partir de superficies irregulares o «mates». Se la puede considerar como  reflexión especular desde un número infinito de superficies con inclinaciones diferentes. Esto dispersa o interrumpe el haz luminoso original, reflejándolo uniformemente en todas direcciones. ,

La luz que incide en un papel fotográfico blanco mate, o bien en una superficie de nubes iluminadas por el sol, suele ser reflejada de un modo difuso.

Doble horizonte

 

La propiedad que tienen los reflectores difusores en orden a la dispersión de la luz incidente es particularmente útil para atenuar las sombras violentas que proyectan las lámparas de bombilla pequeña o los rayos solares. Una gran hoja de papel blanco mate colocada de modo que refleje esta violenta iluminación direccional, la dispersa sobre las zonas oscuras del sujeto, sin que llegue producir sombras complementarias propias.

La reflexión especular y difusa procedente de distintas superficies de papel para el positivado fotográfico tiene una influencia importante sobre la calidad de la copia positiva final.

LA REFLEXIÓN Y LA LONGITUD DE ONDA

Muchas superficies tienen la propiedad de reflejar únicamente ciertas longitudes de onda, y absorber las restantes. De ahí que aparezcan coloreadas.

Por ejemplo, una tela de un color rojo intenso absorbe los colores violeta, azul, verde y amarillo de la luz blanca, y refleja las longitudes de onda restantes. Es un reflector «selectivo». El aspecto de dicha tela variará según la longitud de onda de la luz incidente: si dicha tela es iluminada tan sólo por longitudes de onda azules, no puede reflejar ninguna radiación, por lo tanto, parece negra.

Avenida especular

PROPIEDADES DE LA LUZ: Cambios cuando la luz incide en una superficie

¿Qué ocurre cuando la energía luminosa llega finalmente a la superficie de una materia? Cuando esto ocurre, la luz puede ser:

Absorción, reflexión y refracción de la luz al mismo tiempo

PROPIEDADES BÁSICAS DE LA LUZ

a) Absorbida

b) Reflejada (especular o difusa)

c) Transmitida (directa o difusa)

d) Refractada

e) Dispersada.

 

ABSORCIÓN: 

Puesto que la energía no puede ser destruida, la aparente «captura» o absorción de la luz por una materia opaca, tal como un paño negro, es en realidad una conversión de la longitud de onda. 

La luz absorbida suele convertirse en calor. Así, un coche negro se calienta más rápidamente al ser expuesto a los rayos del sol que un coche blanco; en un proyector, las transparencias oscuras se calientan más que las claras. 

La energía luminosa absorbida puede provocar también cambios químicos. Nuestros materiales fotográficos experimentan una transformación química; los colorantes cambian de color, o lo pierden.

Los exposímetros de célula «fotoeléctrica» producen electricidad, lo mismo que los sensores CCD o CMOS en las cámaras fotográficas digitales, que convierten la luz que reciben en señales eléctricas y las envían al procesador de la cámara.

Sensor CCD-CMOS de cámara fotográfica

DISTRIBUCIÓN DE LA LUZ: LEY DEL CUADRADO INVERSO

No os asustéis por lo que parece... no es tan árido el asunto. Ya nos vamos acercando a cuestiones más prácticas, aunque la siguiente es muy importante para entender y poder prever el comportamiento de la luz frente a nuestras cámaras, sobre todo cuando empezamos a iluminar nosotros mismos...

Dado que la luz se desplaza en línea recta, los rayos procedentes de un manantial puntiforme (con forma de punto) se difunden cada vez más separados entre sí, a medida que aumenta la distancia respecto al manantial luminoso. Dicho con otras palabras, divergen (se separan). Debido a esta constante divergencia, una pequeña superficie sostenida cerca del manantial de luz recibirá la misma cantidad de energía luminosa que otra superficie mayor, sostenida a mayor distancia.

Cuanto más cerca está la superficie pequeña del manantial luminoso, más rayos intercepta. 

Hágase un sencillo experimento. Sosténgase una cartulina blanca de 15 x 15 cm a 25 cm de distancia de un manantial de luz intenso, pero de reducidas proporciones (tal como una bombilla blanca de 100 vatios).

Tómese una lectura con el exposímetro de la luz que refleja esta cartulina. Ahora desplácese la misma hasta situarla a 50 cm de la lámpara, y tómese otra lectura con el exposímetro. Esta segunda lectura será la cuarta parte la primera.

El motivo de esta debilitación está en que la luz que fue capturada por la cartulina de 15 x 15 cm a 25 cm de distancia ha divergido hasta difundirse por una superficie de 30 x 30 cm en el momento en que se encuentra a 50 cm de distancia de la lámpara. Nuestra cartulina no ha cambiado de tamaño y ocupa tan sólo una cuarta parte de la superficie total que está ahora iluminada: por lo tanto, recibe tan sólo una cuarta parte de la luz original.

Ley del cuadrado inverso

Esta proporción en que se reduce la intensidad de la luz a medida que aumenta la distancia tiene importantes aplicaciones prácticas. Nos permite calcular cambios de exposición cuando desplazamos las luces del estudio o preparamos nuestro flash. Ello significa que (considerando al objetivo como un foco de luz puntiforme dentro de la cámara) debemos dar exposición extra cuando fotografiamos objetos cercanos, por cuanto el objetivo se ha apartado más de lo corriente de la película. 

Ya trataremos de estas y otras aplicaciones más adelante. Por el momento será suficiente recordar el coeficiente y causa de esta reducción de la luz. 

Su efecto general se resume en la ley del cuadrado inverso, que dice: «Cuando una superficie está iluminada por un manantial puntiforme de luz, la intensidad de la iluminación de la superficie es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia respecto al foco luminoso».

Sería absurdo aprenderse esta ley física simplemente cde memoria, sin comprender lo que quiere decir. Al efecto, vamos a analizarla punto por punto:

“Cuando una superficie está iluminada por un manantial de luz puntiforme…”

 La ley se aplica a manantiales pequeños a partir de los cuales divergen rápidamente los rayos luminosos como si procedieran de un punto. No tiene estrictamente aplicación a las lámparas situadas en reflectores. El Sol es un caso de manantial luminoso situado a una distancia tan grande que la diferencia que puede haber entre dos superficies terrestres cualesquiera iluminadas por él no tiene importancia en comparación con la distancia que las separa del Sol.

“…la intensidad de la iluminación es inversamente proporcional…”

Cuanto mayor es la distancia, menor es la iluminación que recibe una superficie de un mismo tamaño.

…al cuadrado de su distancia respecto al foco de luz…”

Si se dobla la distancia, la iluminación original se reducirá no a la mitad, sino a 1/2² (o sea a una cuarta parte).