Por si no se los había dicho, ¡los fotones tampoco existen!
DIVULGACIÓN TÉCNICA SOBRE ÓPTICA FOTO/CINEMATOGRÁFICA
Hace unos años atrás, hablando con un acopiador de granos del noroeste bonaerense, se quejaba porque tenía una enorme cantidad de clientes chicos y pocos muy grandes. Yo le insistía que eso no era para preocuparse dado que de esa forma fraccionaba el riesgo de perder a un cliente grande. Entonces me explicó, que cada entrega chica de granos era una transacción distinta. Que muchas transacciones diferentes implicaban más trabajo de administración y que las calidades y variedades de granos eran muy diferentes de un cliente a otro, y que por lo general en las transacciones chicas la densidad de semillas extrañas, partidas o de malezas, era mucho más común y que le bajaba la calidad general de lo que vendía luego a los molinos o las exportadoras.
Acuérdense de esta anécdota tan simple porque les va a ayudar, y mucho a determinar qué cámara de cine digital deben elegir para tener un resultado de mejor calidad por lo menos en el registro.
En una nota anterior les comentaba que la materia prima de nuestro trabajo es la luz. Por su parte, lo que nosotros llamamos luz es un flujo de fotones que vienen en forma directa o originados en un reflejo. Si van a los libros de física les algunos les dirán que el fotón es una partícula responsable de los efectos cuánticos del fenómeno electromagnético. Eso implica que es el responsable desde los rayos gamma, pasando por los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible al ojo humano, la luz infrarroja, las microondas y terminando en las ondas de radio que pueden tener una frecuencia tan baja como 3Hz por segundo. Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,9×10 a la 27 Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas desconocidas. Todas son responsabilidad de los fotones viajando a la misma velocidad porque están congelados en el tiempo, por lo que el que viaja a 3Hz y el que lo hace a 2,9×10 a la 27 Hz son iguales, no tienen cambios. Si pudiéramos ponernos en una visión subjetiva del fotón el universo sería chato en la dirección a la que viajan. Nosotros al generar calor con nuestro cuerpo estamos emitiendo fotones de luz infrarroja como si fuéramos gigantescas luciérnagas bípedas.
El primero en hablar de fotones fue Einstein que lo concibió como un cuanto de luz. Lewis, fue el que bautizó a estos cuantos como fotones, pero la chingó fiero en su teoría especulativa en la que decía que no se podían crear ni destruir. Desde ya se los adelanto: ¡terrible error! No se puede crear ni destruir lo que no existe ni ha existido, ni existirá…
En algunos exámenes, en una otrora prestigiosa universidad privada, cuando le preguntaba a los alumnos por el funcionamiento del CCD, solían contestarme que, cuando eran bombardeados por “partículas de luz producían la imagen”, así crudo y directo. Era entonces que solía preguntarles cómo era que hablaban de una “partícula de luz” si no tenía masa, y allí se solían terminar los diálogos. Alguno se animaba a ir más allá y decía que era una partícula que tenía una carga eléctrica que modificaba así el equilibrio de la carga de los fotodiodos dentro de los fotositos (por aquel entonces hablábamos de píxeles en realidad).
Pues no, el fotón tiene masa “cero”, es decir no tiene masa, ni un poquito, nada. El otro día leí una tremenda burrada en Business Insider diciendo, como dato curioso, que la tierra recibía de 1 a 2 kgs de luz de sol por minuto… ¡No! ¡Masa cero! Sin masa no puede haber peso. El problema para mi alumno, que no había leído los apuntes, es que el fotón no tiene carga, no se desintegra espontáneamente en el vacío, y lo más importante que tiene que recordar un director de cine, un fotógrafo y un DF, es que el fotón no se dispersa al propagarse. Siempre es un vector recto que solamente puede ser desviado al atravesar elementos más o menos transparentes, pero de distinta densidad: aire, agua, vidrio. Es por eso que ustedes se empeñan tanto en conseguir lentes de cristal lo más transparente posible y que no produzca aberraciones (o desvíos y superposiciones de ese vector recto).
Para que se produzca un fotón, es necesario que alguna partícula, ajena al átomo, choque con uno de sus electrones en movimiento. Ese choque provocará que éste se excite, haciendo que abandone su correspondiente órbita y pase a ocupar, por breves instantes, otra órbita de un nivel superior de energía y más alejada del núcleo del átomo al cual pertenecía originalmente.
La reacción inmediata del núcleo del átomo será atraer el electrón díscolo para reincorporarlo de nuevo a su órbita original. En el preciso instante que el electrón vuelve con la frente marchita a su órbita. La energía extra que adquirió al pasar de un nivel inferior a otro nivel superior de energía u órbita más externa, la debe liberar en forma de un fotón volviendo al equilibrio.
Los fotones tienen una energía característica determinada por la longitud de la onda de la luz (más corta en infrarrojo, más larga en ultravioleta). Si un electrón absorbe la energía de un fotón y tiene mayor energía que la necesaria para salir del material y que su velocidad está bien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material, que es lo que ocurre en un fotosensor. Si la energía del fotón o del flujo de un conjunto de fotones es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material o escapa una cantidad que no es el émulo de los fotones incidentes. Los cambios en la intensidad de la luz no cambian la energía de sus fotones, tan sólo su número y por lo tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente. Si el fotón es absorbido por el metal del fotodiodo, parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre y enviarla por un conductor hasta el codec. Distintos metales necesitan diferentes voltajes para liberar a sus electrones (medidos en Ev o electrón-voltios).
En principio, todos los electrones de todos los elementos son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En realidad los que más electrones liberan son los que necesitan la menor cantidad de energía para salir y, de ellos, los más numerosos. Cuanto mayor es el flujo recibido (más cantidad de transacciones), mayor será la cantidad de electrones liberados.
La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo desde el nivel de Fermi (interior) hasta el exterior del material se llama función de trabajo (y que para nosotros será la sensibilidad medida en valores ISO). El valor de esa energía es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo de las últimas capas atómicas que recubren la superficie del material. Es necesario que las superficies estén limpias a nivel atómico, lo que no es tan común en los CCDs y CMOS de menor precio. Una de la más grandes dificultades es que el metal de la superficie del fotosensor hay que fabricarlo en el vacío y por eso son tan pocos los fabricantes que lo logran.
El fotón no existe, es una transacción.
¿Por qué hablamos de transacción? Porque en realidad el fotón no es una cosa, sino una mera transacción de cargas prácticamente instantánea entre partículas con masa. ¿Cuando yo compro y el otro vende, existe la transacción más allá del apretón de manos? No. Yo le pasé la carga de mi dinero, el que lo recibió, que ahora tiene más carga, que a su vez se la pasará a otro, y este a un cuarto y así sucesivamente. Esas transacciones no son cosas sino acuerdos entre dos partes. El fotón no es una cosa, sino esa transacción que ocurre entre dos átomos. ¿Qué queda después del apretón de manos por el acuerdo? Nada. ¿Qué había antes del apretón de manos? Lo mismo: nada. Pero además la transacción fotónica es infinitamente más breve que acercar dos manos y estrecharlas.
¿Qué importa esto para un fotosensor? Nosotros tenemos que producir una imagen proyectada en un display, digamos de 1920 x 1080 píxeles que son un total de 2,073,600, que serán representados — en el caso de los displays y proyectores — por una tríada diapositiva de rojo, verde y azul. Si tengo un fotocaptor con 40 millones de pequeños fotositos, tendré que sensar y combinar 40 millones de transacciones multiplicadas por el número de fotones que entre en cada fotosito que van a ser pocos por cada fosa (fotosito es una fosa con electrónica en el fondo), con más riesgo de ruido cuando el flujo es poco.
Volvamos por un momento a la anécdota del acopiador de cereales. Se las tiene que ver con muchos productores distintos que le van a entregar distintas calidades de granos y, si en una de esas, en un grupo de fotositos, no entró el suficiente flujo de fotones por el diminuto tamaño de la fosa, se producirá ruido como cuando le entregan semillas chuzas o de malezas extrañas al trigo. Estas semillas malas son el equivalente al ruido de imagen en un CCD o CMOS.
Si los fotositos son menos, pero más grandes, en un sensor más también más grande, tenemos una mayor seguridad que si un flujo de fotones que vienen en vectores de linea recta no son suficientes, lo que lo rodea compensará esa falla para que no se convierta en ruido. Muchos granos de trigo de buena calidad compensan, en la cantidad, a los chuzos. Las transacciones son menos, por lo que los algoritmos pueden ser más robustos y seguros, también para rechazar y reemplazar al ruido. Esto es lo que no comprenden los analistas de cámaras de teléfonos celulares, de cómo es posible que el smartphone HTC chino tenga “apenas” 5 millones de fotositos efectivos y produzca fotos tan buenas como un Nokia con 40 millones de fotositos.
Unos conocidos profesionales querían experimentar quitando el filtro Bayer del sensor para que no rechace 2/3 de los fotones en cada fotosito. Suponiendo que eso fuera posible sin arruinar la superficie del sensor, tuvieron en cuenta que entraría el triple de flujo de fotones a las fosas, lo que convertiría a un sensor digamos de 400 ISO en uno de 1600 ISO, es decir más rápido y sensible, pero no con mayor definición porque lo que no tuvieron en cuenta es el desmosaicamiento del filtro Bayer que está en el firmware del codec y es parte integrante del proceso del paso de analógico (cargas) a digital (bits).
Lo que llamamos realidad tangible es continua no pixelada, pero podemos verla y registrarla porque los fotones que se originan en el sol o las fuentes de iluminación artificial excitan a los átomos de la superficie de los objetos/personas que queremos registrar. Esta excitación producirá un nuevo fotón (posiblemente en una nueva frecuencia) que terminará pasando por la lente de nuestra cámara y se terminarán concentrando en el fotosensor de modo similar a como lo hacen en nuestra retina. La cantidad de fotones reflejados por una escena dada o por un objeto iluminado es la misma cantidad para la cámara de 2k, 4k, 8k, 12,5k o la de 25k. Van a depender de la iluminación natural o artificial, de la apertura del iris y de la luminosidad y calidad de la lente, pero es independiente de la resolución de salida. También la cantidad de fotones será la misma para un sensor (cualquiera sea la resolución de registro de salida del CODEC) de 2,073,600 fotositos, 4 millones de fotositos o 40 millones de fotositos si estos sensores tienen el mismo tamaño. En cambio, si el sensor de 2,073,600 fotositos, 4 millones de fotositos o 40 millones de fotositos es más grande, cada fosa recibirá un mayor flujos fotones, teniendo un mejor y más limpio promedio de lo que representa esa transacción entre la superficie reflectante y el fotosensor.
(c) Jorge A. Ricaldoni para Divicom Rental, 2015
