1. Distancia focal

Curso Fundamentos Ópticos en Fotografía

Resumen

La distancia focal es el parámetro básico de una lente. Presentamos el modelo de lente convergente delgada.

Se llama foco al punto donde los rayos paralelos convergen y distancia focal a la distancia de la lente al foco.


Lente

Una lente es un dispositivo óptico que desvía los rayos de luz.

El proceso básico de funcionamiento de una lente es el siguiente: cuando un rayo incide sobre la lente cambia de medio. Como el aire y el material del que está hecho la lente tienen índices de refracción diferentes, el rayo cambia de dirección (se desvía) al entrar en la lente. Cuando ese rayo sale de la lente por el otro lado, vuelve a desviarse pues vuelve a cambiar de medio.

En la figura 1 representamos este proceso para una lente biconvexa, es decir, que tiene los dos lados convexos.

Figura 1. Lente biconvexa

El modelo de lente delgada (thin lens) supone el grosor de la lente despreciable, con lo que basta con suponer un único plano de desviación de los rayos. En tal caso, la figura 1 se simplifica a la figura 2:

Figura 2. Lente delgada biconvexa

Como ves, los rayos de entrada y salida son los mismos en las figuras 1 y 2; lo único que cambia es que hemos simplificado lo que ocurre dentro de la lente utilizando para ello un único plano vertical, que es donde se curvan los rayos.

Como te puedes imaginar, los objetivos que se usan en Fotografía no cumplen este modelo tan sencillo, ya que suelen estar formados por grupos de lentes movibles separados espacialmente. La buena noticia es que sí existe un modelo de lente única para un objetivo; es decir, se puede sustituir todo el conjunto de lentes que lleva un objetivo por una única lente; el único problema es que esa lente ya no es delgada, sino gruesa (modelo thick lens), donde ya no basta con suponer un único plano vertical. El modelo de lente gruesa se explica en el tutorial «Óptica avanzada» (en preparación).

La principal ventaja del modelo de lente delgada en Fotografía es su carácter didáctico, pues permite entender fácilmente muchos conceptos ópticos básicos en Fotografía.

La lente biconvexa es una lente convergente, es decir, todos los rayos provenientes de un punto que atraviesan la lente se vuelven a juntar en otro punto detrás de la lente.

Se llama objeto al punto que genera los rayos e imagen al punto donde convergen los rayos detrás de la lente. Lo representamos en la figura 3, donde P es el objeto y P’ la imagen.

Figura 3. Formación de la imagen

La zona donde se encuentra el “mundo real” (por donde entran los rayos a la lente) se llama zona objeto y la zona donde se forman las imágenes (por donde salen los rayos tras atravesar la lente) se llama zona imagen.

Por convención, se suele dibujar a la izquierda la zona objeto y a la derecha la zona imagen.

En la figura 3 hemos representado tres rayos provenientes del punto de luz P.

El rayo verde viene paralelo al eje principal de la lente. El rayo rojo no sufre desviación; se dice que pasa por el centro óptico de la lente. El rayo amarillo es otro rayo cualquiera. Si hubiésemos dibujado más rayos provenientes de P, verías que todos a su salida pasarían por P’. Por tanto, se dice que la lente hace converger (enfocar) los tres rayos en un punto único P’ en la zona imagen. Se dice que P’ es la imagen de P.

Eso significa que si en ese punto P’ colocamos el sensor, habremos obtenido una imagen nítida (invertida) del punto u objeto P. Si el sensor se coloca a otra distancia saldrá desenfocado (ver el concepto de profundidad de campo).

Distancia focal de una lente

Volvamos al caso del rayo verde de la figura 3, el que venía paralelo al eje de la lente. Resulta que TODOS los rayos que inciden paralelos al eje principal de la lente convergen en un mismo punto: a ese punto se le llama foco principal de la lente, representado con una F.

Se llama distancia focal f a la distancia desde la lente hasta el foco principal F (ver figura 4).

Figura 4. Distancia focal

En el caso que enfoquemos a infinito, los únicos rayos que inciden en la lente son los que vienen paralelos al eje de la lente. Así que otra forma de definir la distancia focal es: la distancia a la que se forma la imagen cuando el enfoque es a infinito.

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11 thoughts on “1. Distancia focal

  1. Interesantes tutoriales en los que se puede aprender mucho.
    Pero mi duda es: y como se sabe si esa distancia corresponde a un
    50mm un 60mm un 500mm etc.
    gracias

    1. Moviendo la lente (o la superficie donde se forme la imagen) hasta que la veas nítida en dicha superficie; esa distancia es la focal. Otra forma es midiendo el ángulo de visión.

  2. Muchas gracias por tu aportación a la fotografía, con estos tutoriales de los que aprendo mucho y también de los que surgen muchas mas dudas ya que soy un simple aficionado a la fotografía y mis conocimientos en física y matemáticas son pocos.
    Dices que la luz que incide solo es la paralela, cuando enfocas a infinito.¿qué pasa con los otros rayos de luz? y espero explicarme bien en la pregunta ¿donde se supone que estaría el limite al que una cámara puede hacer foco?

    1. Los rayos llegan paralelos porque la fuente de luz está muy lejana. Esta suposición es más que nada para poder hacer el estudio teórico más sencillos (las matemáticas se simplifican). Pero eso no significa que sólo te lleguen los rayos paralelos al eje (perpendicular al objetivo). Te llegan rayos de otras direcciones (los que capte el objetivo según las focal que tenga; más angular, menor focal); pero lo importante es entender que los rayos que llegan formando 30 grados, por ejemplo, llegan de forma paralela (todos los que vienen de esa dirección forman 30 grados con el eje de la lente). En macro todo esto se complica porque los rayos no llegan paralelos porque el enfoque es cercano.

      1. Muchas gracias
        Entiendo que es todo mas complicado que hacer una simple foto, y yo no llego a esos niveles.
        Pero me encantan tus explicaciones y sobre todo tus vídeos que son muy didácticos y fáciles de entender.
        Un saludo.

  3. Excelente tu explicacion. Entiendo que cuando se define ¨distancia focal¨ coma la distancia entre el plano focal y el centro optico, ¨siempre¨ deberia decirse ¨cuando esta enfocado a infinito¨.
    Gracias !

    1. Correcto. Recuerda que este tutorial usa el modelo de lente delgada. Los objetivos reales son más sofisticados (modelo de lente gruesa) y en algunos de ellos la relación no es tan sencilla (macros, etc), convirtiendo la «distancia focal» en algo realmente difícil de calcular, pudiendo variar ligeramente respecto al valor nominal del objetivo según las condiciones de uso (distancia de enfoque, etc)

    1. Porque están tan lejos que el ángulo que forman (desde el punto de vista del que recibe la luz) es cero (o sea, llegan paralelos). Haz la prueba; dibuja en un papel un punto y traza rayos en todas las direcciones (360 grados). Ahora aléjate mucho y verás que de todos esos rayos te llega solo una fracción muy pequeña y todos ellos tienen el mismo ángulo (solo es cierto para distancia infinita; otras distancias es una aproximación, cuanto más lejos mejor).

  4. ¿Qué es lo que se mueve cuando enfocamos, las lentes o el sensor? ¿O depende de la cámara?
    No entiendo la última frase. Comprendo que los rayos que provienen del infinito son paralelos al eje y convergen en el foco. ¿Quiere decir esto que el plano del sensor debe coincidir con el foco? Si esto es así, entonces la imagen enfocada debería ser un único punto, de todo lo que está en el infinito. Las imágenes de todos los demás puntos a otras distancias deberían quedar definidas fuera de ese plano focal. Supongo que el diafragma corregirá esto de algún modo, pero no se cómo, aunque aun me queda leer mucho de esta página web ¿Voy muy despistado?

    1. ¿Qué es lo que se mueve cuando enfocamos, las lentes o el sensor? ¿O depende de la cámara?. Las lentes (el sensor está fijo en el cuerpo de la cámara; verás un símbolo con forma de letra phi en el cuerpo que marca el plano del sensor. Hay muchas formas de cambiar la distancia de enfoque. Si quieres saber más mira el libro de Óptica Avanzada donde explico todo esto y mucho más.
      ¿Quiere decir esto que el plano del sensor debe coincidir con el foco? Correcto
      Si esto es así, entonces la imagen enfocada debería ser un único punto, de todo lo que está en el infinito. Te falta ver una cosa: un punto en el infinito SOBRE EL EJE se convierte en ese punto en el centro del sensor. Pero el objetivo también enfoca puntos en el infinito con una cierta altura (que no estén en el eje; también llegan paralelos porque el punto objeto está en el infinito, pero llegan formando un ángulo, no paralelos al eje). Se llama ángulo de visión a ese ángulo de la realidad que capta el objetivo/sensor (de nuevo, en el libro que te he dicho está todo esto más detallado con casos de objetivos reales).
      Supongo que el diafragma corregirá esto de algún modo. El diafragma se encarga de bloquear los rayos más externos cuando lo cierras.
      ¿Voy muy despistado? Al revés, tus preguntas son las lógicas de alguien que tiene curiosidad por saber cómo funcionan las cosas de verdad.

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