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Qué es ISO: Una Exploración Técnica

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Spanish (Español) translation by RRGG (you can also view the original English article)

Muchas personas entienden el uso práctico del ISO, ¿pero qué es, de dónde viene, y cuál es la diferencia entre ISO en el filme y en digital? Exploraré la historia y fundamentos técnicos del sistema. Si alguna vez te has preguntado lo que significa ISO o cómo funciona, ¡esto es para ti!


La Historia

ISO, en su contexto fotográfico, es el sistema estándar de calificación de la sensibilidad de la luz de un medio fotográfico. Es el acrónimo para la Organización Internacional de Estandarización, un cuerpo global que trabaja para estandarizar todo tipo de productos y procesos para una inoperabilidad máximo y seguridad.

Codificaron las clasificaciones de filme de ISO en 1974, combinando los más recientes avances en los sistemas del DIN Alemán y el ASA Americano (ahora ANS) en un solo estándar universal.

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Estos dos sistemas se estiraron hasta 1930 y los 40, antes donde varios sistemas de clasificación coexistían de diferentes fabricantes e ingenieros, a pesar del filme de 35mm siendo aceptado como el estándar internacional en 1909. Un filme de 120 formato medio también data a esta fecha, pero el filme de gran tamaño incrementó su costo y por lo tanto redujo su popularidad general con amateurs.


Cómo Fue Medido

¿Qué significan los números en sí? Existen cuatro estándares ISO, los cuales gobiernan el filme negativo, el filme negativo blanco y negro, el reverso del color (lámina) del filme y los sensores digitales. Estos están calibrados para que a pesar del tipo de filme o medio, la sensibilidad efectiva es teóricamente el mismo.

Esto es útil para propósitos prácticos matemáticos mientras tomas fotos, aunque los fotógrafos usualmente han encontrado esto para algunos filmes, establecer cámaras a clasificaciones ISO un poco diferentes que la rapidez particular nominal de un filme que da mejores resultados.

Las diferencias en emulsión e interpretaciones de procesos de medidas a través de los fabricantes, empresas e incluso baches, como también la variabilidad inherente de un proceso químico, significa que incluso con la estandarización, los resultados pueden variar.

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En tiempos recientes, la rapidez del filme ha sido medida desde una "curva característica", la cual describe el desempeño general tonal de un filme. Esta curva es creada usando una "tableta sensitométrica", un tipo de filtro ND graduado que consiste en precisamente una formación calibrada de 21 sombras de gris igualmente espaciadas (de blancas a negras).

Están expuestos en el filme en un sensitómetro - un disparados de luz, un sostenedor de filtro y un sostenedor de filme. Después del procesamiento, esto resulta en una graduación a paso en la densidad óptica (ejemplo. oscuridad y/o opacidad) de la emulsión de la sección expuesta del filme.

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Los 21 pasos entonces son medidos usando un instrumento altamente exacto llamado un densimómetro, el cual alumbra una luz a través del filme de un foto detector y le da a la lectura en una escala de cero a tres. Una vez que los 21 pasos hayan sido medidos, se pondrán en una gráfica de segundos mililux.

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Esta gráfica tiene varias partes las cuales explican varios aspectos del filme tal como la nebulización, el gamma, contraste, etc. La parte en la que estamos interesados es la rapidez del ISO de la clasificación del filme que es 0.1 de unidades de densidad sobre la densidad mínima, llamémoslo el punto x. Este valor no es particularmente científico, pero es tradicionalmente aceptado como la diferencia mínima en densidad que el ojo del humano promedio pueda diferenciar.

La ecuación para la rapidez del filme (sí, hay una) es $$rapidez = {800\over{log^{-1} (x)}}$$ Si la exposición se mide en lux segundos en vez de mililux segundos, esto se vuelve $$speed = {0.8\over{log^{-1} (x)}}$$ Nota que escribo log por base -10, no En por log natural (base-e) Mientras la rapidez dobla o se acorta, también lo hace la sensibilidad a la luz.

Cómo Cambia la Sensibilidad

El filme es hecho de una suspensión de cristales de haluro de plata en un aglutinante de gelatina. Esta emulsión se le pone capas finamente muchas veces a lo largo con cualquier decoloración para color o procesar agentes en una base celuloide, protegida en la parte de atrás con recubrimientos físicos de manejo. Los cristales de haluro de plata son el actual medio foto reactivo.

Son sólo reactivos al extremo azul del espectro de luz visible (de ahí la necesidad de filtros UV cuando se dispara una película), están recubiertos o impregnados durante el crecimiento con compuestos orgánicos que los sensibilizan al espectro visible completo.

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Los fotones que golpean el haluro de plata o los sensibilizadores espectrales imparten su energía a la molécula. Esto hace que un electrón sea expulsado de un ion haluro en el cristal de haluro de plata. Esto puede ser atrapado por un ion de plata para formar un átomo de plata eléctricamente neutro.

Esto no es estable, sin embargo. Más fotoelectrones deben estar disponibles en la misma región para formar más átomos de plata para que se forme un grupo estable de al menos tres o cuatro átomos de plata. De lo contrario, pueden descomponerse fácilmente en iones de plata y electrones libres. Más átomos de plata pueden formarse mientras se generen fotoelectrones.

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Un grupo de átomos de plata pura de este tamaño estable catalizará la reacción con el revelador, que luego descompone el cristal entero en un grano de plata metálico, que aparece negro debido a su tamaño ya su superficie sin pulir.

El fijador fija entonces la imagen disolviendo los restantes cristales de sal de haluro de plata que luego se enjuagan. Esta ha sido la base general de la fotografía durante más de un siglo. Entonces, ¿qué tiene que ver esto con la sensibilidad de la película?

La respuesta a eso es muy simple: probabilidad. Cuanto más grandes sean los cristales de haluro de plata, más probable es que los fotones los golpeen y se absorban. Para usar una analogía básica, si usted agita una gran red de mariposas a través de un gran enjambre de mariposas, es probable que capture más de ellos que con la misma onda a través del mismo enjambre con una red pequeña.

Los cristales más grandes tienen una mayor superficie frente a la lente, y lógicamente, la sensibilidad a la luz se correlaciona directamente con la probabilidad de que la luz golpee la superficie.

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Así, las películas lentas como ISO 25, 50 y 100 tienen granos muy finos para reducir la cantidad de luz que los golpea, útil para capturar detalles finos. Por el contrario, las películas muy rápidas como ISO 1600 y 3200 tienen granos relativamente grandes para la máxima posibilidad posible de capturar fotones, de ahí su calidad extremadamente granulada.

Cómo Funciona Para Digital

Las cámaras digitales, que no tienen proceso químico, no pueden medirse usando el mismo método que la película. El sistema de clasificación ISO, sin embargo, está diseñado para ser razonablemente similar a la película en términos de sensibilidad real a la luz. Técnicamente, el término para sensores digitales es "Índice de exposición" en lugar de "ISO", pero debido a que un estándar ISO lo cubre, no veo ningún problema con el más tradicional "ISO".

En lugar de un nivel mínimo de exposición visible, los sensores digitales tienen su sensibilidad determinada por la exposición requerida para producir una salida de señal característica predeterminada. La norma ISO que rige la sensibilidad del sensor, ISO 12232: 2006, relaciona cinco métodos posibles para determinar la velocidad del sensor, aunque sólo dos de ellos se utilizan regularmente.

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El sensor de una cámara se compone de una matriz de millones de fotodiodos microscópicos, generalmente recubiertos con microlentes para obtener luz extra y un filtro de patrones Bayer para capturar el color. Cada uno representa un solo píxel.

Un fotodiodo puede ejecutarse en modo fotovoltaico de polarización cero (sin voltaje aplicado), donde la corriente de salida es restringida y la capacitancia interna es maximizada, dando como resultado una acumulación de fotoelectrones en la salida.

También se puede ejecutar en modo fotoconductor inclinado inverso (marcha atrás), donde los fotones absorbidos en la unión p-n liberan un fotoelectrón que contribuye directamente a la corriente que fluye a través del diodo.

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Los sensores de cámara utilizan este último, ya que el voltaje aplicado al polarización inversa del diodo aumenta la capacidad de recopilar fotones ampliando la región de agotamiento y reduce la probabilidad de recombinación debido al aumento de la intensidad del campo eléctrico tirando de los portadores de carga. ¿Perdido de repente? Repasemos el funcionamiento de los fotodiodos que componen el sensor de la cámara.

Un (Algo) Interludio Básico sobre Fotodiodos

Un fotodiodo es esencialmente un diodo semiconductor normal (un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección) con la unión p-n expuesta a la luz. Esto permite que los fotoelectrones tengan un impacto en el funcionamiento electrónico del dispositivo.

Una unión p-n es una pieza de semiconductor dopado positivamente fusionada con una pieza de semiconductor dopado negativamente. El dopaje está infundiendo impurezas que donan o aceptan electrones para alterar la disponibilidad y polaridad de carga en una pieza de semiconductor. Esta manipulación selectiva de la carga es la base de toda la electrónica.

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Cerca del punto de unión en el semiconductor, los electrones en el lado dopado negativo son atraídos y tienden a difundirse en el lado positivo dopado. Hay agujeros sin electrones dentro de la red de semiconductores, dando como resultado una carga positiva neta. Los agujeros se tratan como partículas cargadas positivamente para propósitos generales. Estos también tienen una tendencia a difundir en el lado dopado negativo.

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Sin embargo, una vez que se han acumulado suficientes portadores de carga móviles (los electrones y agujeros) en cada lado, hay suficiente carga para generar un campo eléctrico que tiende a repeler a más portadores de carga de difusión. Se alcanza un equilibrio de carga. Los portadores difusores son iguales a los portadores repelidos en cada dirección.

Este área equilibrada cerca de la unión es lo que se llama una región de agotamiento, donde hay una nube de electrones en el lado dopado positivo de la unión, y una nube de agujeros en el lado dopado negativo. Los portadores se han agotado de sus posiciones originales, y han creado una diferencia de carga, dando por resultado un campo eléctrico, es decir. potencial de voltaje incorporado. Esta es la base para un diodo. Un fotodiodo es esencialmente la misma cosa, pero con una ventana transparente para permitir que los fotones golpeen la región de agotamiento.

La polarización inversa del diodo amplía la región de agotamiento superando el equilibrio de carga natural de la región de agotamiento y estableciendo una nueva, donde el campo eléctrico innato debe ahora ser lo suficientemente fuerte como para oponerse tanto a la difusión de atracción como al campo eléctrico aplicado. Esto, por supuesto, requiere una mayor región de agotamiento que contiene más carga para generar un campo más fuerte.

Cuando un fotón de suficiente energía golpea y es absorbido por la red de semiconductores, genera un par de electrones-agujeros. Un electrón gana suficiente energía para escapar de la unión atómica de la red y deja atrás un agujero. La recombinación puede ocurrir inmediatamente, pero en gran parte lo que sucede es que el electrón se tira en la dirección de la región dopada-negativa y el agujero hacia la región dopada-positiva.

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A menudo se pueden recombinar con otros portadores de carga en el semiconductor, pero idealmente, con una distancia de tránsito optimizada desde la fotosita al colector de electrodos (lo suficientemente corto para evitar la recombinación, pero lo suficientemente largo para maximizar la absorción de fotones) los portadores alcanzarán el electrodo y contribuirán a la fotocorriente al circuito de lectura.

Cuanto más fotones son absorbidos, más portadores de carga lo hacen a los electrodos, y mayor es la lectura de corriente enviada al convertidor A-D. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será la exposición recibida y más brillante será el píxel.


Como Esto Afecta ISO

Como mencioné anteriormente, ISO se mide a menudo utilizando la exposición necesaria para saturar las fotositas. Acabo de explicar lo que son las fotosites; la región de agotamiento dentro de los fotodiodos. Entonces, ¿cómo se saturan? Bueno, el número de electrones disponibles para los fotones para excitar no es ilimitado. Después de que se absorbe una cierta cantidad de energía luminosa, el semiconductor ha liberado tanta carga a los electrodos como puede y ya no responde a una exposición adicional.

Fotográficamente, se trata de la capacidad de todo el pozo, o punto de recorte de resaltado. Por lo general, los fabricantes deliberadamente mal la tasa de sus sensores con el fin de mantener el espacio libre en los aspectos más destacados, lo que permite la recuperación de resaltar en RAW.

Según la ISO 12232, la ecuación para definir la velocidad basada en la saturación es $$ S_ {sat} = {78 \ over {H_ {sat}}} $$ donde $$ H_ {sat} = L_ {sat} t $$ [ latex] L_ {sat} [/ latex] es la iluminancia necesaria para que un determinado tiempo de exposición alcance la saturación del sensor. El 78 se elige de tal manera que una superficie gris del 18% aparecerá exactamente 12,7% de blanco.

Esto permite destacar el espacio libre en la calificación final para que los reflejos especulares rueden naturalmente y no como puntos en bloque. Esta clasificación es más útil para fotografía de estudio donde se controla la iluminación y se requiere la máxima información.

Define otra prueba de calificación que es menos utilizada, pero es más útil para los escenarios del mundo real, que es la prueba de velocidad basada en el ruido. Esta es una prueba bastante subjetiva, ya que la calidad de la imagen y los criterios de prueba son algo arbitrarios; las relaciones señal / ruido (S / N) usadas son 40: 1 para IQ "excelente" y 10: 1 para IQ "aceptable", basado en la visualización de una impresión de 180 dpi a 25 cm de distancia. La relación S / N se define como la desviación estándar de una media ponderada de los valores de luminancia y crominancia de múltiples píxeles individuales en la trama.

La desviación estándar es una manera de derivar matemáticamente la variación en los valores en los datos recogidos del valor medio o esperado. Es la suma de todas las diferencias al cuadrado, dividido por el número de puntos de datos en el conjunto, raíz cuadrada. Esencialmente, un promedio de las desviaciones.

Fotográficamente, esto significa que los píxeles de prueba se promedian para encontrar el valor "esperado" de la señal luminosa. A continuación, la desviación estándar define la distancia de los píxeles de prueba individuales tienden a ser de este promedio. Suponiendo que los píxeles tienen un valor relativamente uniforme, esta desviación de la media es ruido, ya sea del sensor o de la electrónica de procesamiento.

La relación entre el valor medio (señal) y la desviación estándar (ruido) es la relación S / N. Cuanto mayor sea esta relación, menos ruido hay en la señal. Por ejemplo, para el estándar de calidad de imagen "excelente" de 40: 1, esto significa que en promedio, por cada 40 bits de señal de imagen, sólo hay un ruido. La enorme diferencia entre la imagen y el ruido es lo que crea la imagen limpia.

El ruido puede introducirse de varias maneras: saturación / oscuridad a través de los fotodiodos, electrones aleatorios liberados térmicamente en los fotodiodos o electrónica de procesamiento (ruido térmico), movimiento del portador de carga a través de la región de agotamiento de los fotodiodos (ruido de disparo) e imperfecciones en estructura cristalina o contaminantes que dan como resultado capturas y liberaciones aleatorias de electrones (parpadeo).

El aumento del ruido debido al aumento del ajuste ISO en la cámara es el resultado de aumentar la ganancia de los preamplificadores entre el sensor y el convertidor A / D. La relación S / N se reduce necesariamente, ya que para producir una exposición "correcta" con alta amplificación, debe haber menos exposición. Menos exposición significa menos señal, por lo tanto relativamente mayor ruido como una fracción de ese nivel reducido.

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Un simple ejemplo matemático; por ejemplo a ISO 100, se logra una exposición correcta rellenando un píxel en particular a una capacidad del pozo del 80%, y su relación S / N es de 40: 1, por lo que +/- 2% de la lectura de corriente es inducida por ruido. Aumentar la ISO a 800 significa que los amplificadores están aumentando la señal en 8x, y por lo tanto, la exposición correcta se alcanza a sólo 10% de la capacidad del pozo. Sin embargo, el nivel de ruido de +/- 2% sigue siendo el mismo y se amplifica junto con el nivel de señal. Ahora que la proporción S / N 40: 1 se ha convertido en una proporción de 5: 1, y la imagen es inútil.


Conclusión

Se puede ver por qué es importante disparar con tanta exposición y tan poca amplificación como sea posible. La tecnología de circuitos y sensores, así como los algoritmos de eliminación de denoising, están mejorando constantemente, solo piensa en la diferencia entre un disparo ISO 800 desde 2008 vs un disparo ISO 800 desde hoy. La mayoría de las imágenes también se ven ahora en tamaños relativamente pequeños en línea, y el cambio de tamaño también reduce el ruido.

Para fines de impresión de gran formato, sin embargo, se puede ver por qué es vital para disparar con mucha luz y en la base ISO. Por lo tanto también la máxima "exponer a la derecha", lo que significa obtener la imagen tan brillante como sea posible en el histograma sin recortar resaltados. No sólo maximiza la cantidad de señal luminosa en comparación con el nivel de ruido razonablemente fijo de la electrónica de imagen, sino que la forma en que se digitalizan los datos significa que se puede almacenar más información en los puntos de luz que en las sombras.

Eso es todo, creo. Espero que este artículo fuera de interés, posiblemente incluso el uso, a algunos de ustedes, y que no se perdió demasiado en los aspectos técnicos de la física de estado sólido!

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