Cómo funciona un foco de cine con lente Fresnel

por | Abr 20, 2020 | Didáctico, Iluminación, Lentes y ópticas, Técnico

Cómo funciona un foco de cine con lente Fresnel

por | Abr 20, 2020 | Didáctico, Iluminación, Lentes y ópticas, Técnico | 0 Comentarios

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¿Porqué se usan tanto esos focos tan característicos con lente Fresnel en los rodajes de cine? Una bombilla emite luz en todas direcciones, y si usaramos bombillas desnudas para iluminar en cine (o teatro o televisión) notaríamos que estaríamos perdiendo mucha luz de esa bombilla. No sería una iluminación eficaz (sin tener en cuenta la parte artística o narrativa). Porque solo una pequeña parte de la luz de esa bombilla llegaría al set, el resto iluminaría el “detrás de las cámaras”. Y no es eso lo que queremos, lo que queremos es que toda la luz que emite esa bombilla, caiga en la escena que queremos captar con la cámara. Y por otro lado descrubriríamos que tenemos que acercar mucho esa bombilla a los actores para que fuera eficiente. ¿Os imaginais lo que sería eso?.
 
Lo dicho anteriormente nos obliga a dos cosas; la primera es a crear algún tipo de luminaria (a la que luego llamaremos foco) que recoja toda la luz de la bombilla (a la que luego llamaremos lámpara) y la proyecte en una dirección. Y por otro lado esa luz que saldrá de esa luminaria por una sola dirección, pues habrá que darle forma para que no se desperdicie y que llegue lejos y con cierta potencia. Porque de nada sirve proyectar una luz si nada más salir del foco cae drásticamente su valor lumínico.
 
Aquí es cuando necesitamos un invento llamado foco o proyector. ¿Cómo funciona?.

Así es cómo funciona un foco con lente Fresnel en cine

No voy a entrar en este post el fotometría ni en luminotécnia (aunque lo haré un poco más adelante) pero si diré que no hay que descuidar el tema calor en un proyector de luz. Y esto lo digo porque voy a obviar el diseño del chasis de un foco porque de momento nos da igual, pero adelanto que este depende mucho de tapar fugas de luz y por supuesto de disipar y evacuar el alto calor que se genera en el interior
 
Volviendo a lo puramente lumínico decir que un foco es una luminaria con una lámpara (bombilla) que tiene instalada una parábola reflectora justo detrás que lo que hace es recoger la luz de la parte posterior de la lámara y lanzarla hacia la parte delantera. De esa manera es como casi toda la luz de la lámpara es aprovechada para iluminar luego la escena en el set.
 
En la siguiente imagen se aprecia como funciona una parábola reflectora. Lo que hace es reflejar (proyectar) la luz que en ella recae en una dirección. Así pues, en un foco, lo que sucede es que la luz de detrás y de los lados de la lámpara se suma a la luz frontal y con ello se obtiene mayor rendimiento lumínico.
Parabola luz
Parabola luz
Una vez tenemos la máxima cantidad de luz de la lámpara lanzada hacia el exterior de la luminaria tenemos que darle forma. Porque de lo contrario esa luz por la ley inversa del cuadrado, será una luz muy dura (por un lado), muy amplia (del orden de los 160º de apertura) y no tendrá suficiente potencia (dependiendo de la potencia de la lámpara) para iluminar con ciertas garantías.
 
Es por esto cuando nace la necesidad de optimizar esa luz que sale por la “boca” de la luminaria y darle forma y acabar de poyectarla.

El sistema óptico de un foco

Ahora es cuando podemos irnos a una lente de una cámara, que seguro que eso lo tienes más claro. En una cámara lo que hace la lente es captar la luz de la escena y hacerla converger un un punto, el sensor de la cámara. Para ello usamos, muy generalizado y resumid; una lente convergente. Es algo así:
como funciona Lente fresnel
¿Reconoces facilmente la imagen anterior? Seguro que si. Es fácil de reconocer. Pues si le das la “vuelta” a ese esquema óptico, entenderás como funciona un proyector de luz. El sensor sería la lámpara, la lente lo que hace entonces es crear un haz de luz y proyectarlo.
  
En la siguiente imagen se aprecia. La particularidad es que aquí la lente es plana por un lado y convexa por el otro lado. Te presento a la lente Plano Convexa (o también conocida como lente PC). Su particularidad es la de tomar la luz de un punto y distribuirla de manera uniforme.

La lente Plano-Convexa

como funciona lente fresnel
Ahora ya tenemos como tomar la luz de la lámara proyectarla y darle una forma. Pero como sucede con las cámaras, a veces tenemos la necesidad de que esa forma tenga alguna variación. En una cámara podría ser un objetivo “zoom” que varía la distancia entre la lente y el sensor y con ello el tamaño del encuadre. Y aquí es lo mismo solo que varíamos la distancia entre la lámpara y la lente para variar el tamaño del haz de luz.
 
Esto es, si en una cámara tendríamos plános más abiertos y planos más cerrados, en un proyector de luz tenemos que el haz de luz es más abierto o el haz más cerrado. Es lo mismo, la idea es la misma. Los proyectores disponen de un mecanismo que ajustamos manualmente que hace que la lámpara (y no la lente) se acerque o aleje de la lente. De esta manera hacemos que la luz sea más amplia (flood) o más centrada (spot). Mas zoom, menos zoom.
 
Sin olvidar que también dependiendo del diámetro de la lente y la parábola y del tamaño del recorrido de la lámpara, tendremos el rango de ángulos del haz resultante. Es decir, el ángulo de máxima apertura (flood) y el ángulo de la mínima (spot) depende de esos parámetros. En el mercado podemos encontrar diferentes ángulos, aunque suelen estar todos en la misma línea.
Esto ya es perfecto, tenemos un proyector con una lente (plano convexa) que nos proyecta la luz sobre la escena. De esta manera ya no tenemos que tener una bombilla cerca del set, ya que nos podemos alejar, y tampoco tenemos pérdidas de luz ya que nuestra “luminaria” es capaz de tapar fugas y recoger óptimamente la luz. Pero creeme que ahora tenemos otro problema: el peso y el precio de todo eso.

Problemas: el peso y el coste de la lente PC

Esto de la lente PC funciona muy bien, pero hay que reconocer que estamos hablando de un vidrio macizo. Una lente que pesa lo suyo (y eso sin contar la fragilidad por ser vidrio). Y ahora imaginad que necesitamos focos potentes o simplemente más grandes por cuestiones de tipos de luz. Eso supone que el foco sea más grande. Y si el foco es más grande, la lente ha de crecer con él. Y aquí tenemos un gran problema.

Para proyectores más o menos pequeños como focos de 650w, 1Kw o 2Kw como máximo puede estar bien la lente PC. Pero si extrapolamos a proyectores de 4kw, 6Kw o 12Kw la cosa ya cambia. Una lente plano-convexa de esos tamaños pesaría tanto que no habría manera siquiera de llevarnos ese foco a un rodaje. Y además el foco costaría muchísimo dinero más. Y también a su vez sería muy frágil. Así que hay que hacer algo con eso.

El físico francés Augustin-Jean Fresnel fue el que diseñó una lente plano-convexa mucho más económica y menos pesada. ¿Cómo lo hizo? Pues comprimió en forma de anillos la forma general de la lente plano convexa. Observa la siguiente  imágen y podrás etenderlo. Haciendo un resumen un poco basto podríamos decir que una lente fresnel es una lente plano-convexa cortada en anillos y “aplastada”. En principio esta lente fue concebida para los faros, ya que estos necesitaban grandes lentes para proyectar la luz mar adentro para ser vista por los barcos que se aproximaban a la costa (como hoy en día, que sigue siendo igual). Y la solución la aportó Fresnel con este tipo de lente.

Así es cómo funciona una lente fresnel

En cuanto a rendimiento óptico ambas lentes (1) y (2) son iguales, pero  la lente resultante ocupa menos espacio y la cantidad de vidrio necesario es muchísimo menos y por lo tanto pesa menos y es más econímica. En la figura se aprecia el perfil de ambas lentes.
como funciona lente fresnel
La lente PC (2) y la resultante Fresnel (1). Si te fijas, los anillos resultantes siguen teniendo en cuenta en su forma la parte convexa, por lo que sigue teniendo un lado plano y otro convexo, eso sí, comprimido.
 
Y así es como durante muchos años este tipo de proyector ha sido -y es- el más usado en televisión y en cine. Es un proyector eficiente, versatil, dinámico y muy maleable. En teatro por ejemplo, al no necesitar de grandes potencias ni tamaños de proyectores importantes, se usan mucho más los proyectores con lente PC. Aunque también los hay con lente intercambiable PC/fresnel del orden de 650w y 1Kw.
lente fresnel

Lámparas de tungsteno y HMI, MSR, HTI…

Un aspecto importante que no he tratado es el tipo de lámpara que se use. Ya que hay diferentes tipos. Las que son de tungsteno -para este tipo de proyector- siempre son verticales. Pero en lámparas HMI puedes encontrar lámapras verticales y horizontales. Así que cabe tener en cuenta ese detalle a la hora de interpretar todo aquelo relacionado con la posición lámpara/parábola. Aunque en esencia es lo mismo, es recoger la mayor cantidad de luz de la lámpara y proyectarla en la dirección de salida.
 
Las dos siguientes imágenes son dos ejemplos de lámapras, en este caso HMI ambas. La primera es vertical y la segunda horizontal. Obviamente se pueden ambas instalar tanto horizontalmente como en vertical, pero el rendimiento de la segunda no será óptimo si se instala en vertical. Sin embargo la primera rinde mejor en horizontal aunque no sea su mejor posición para trabajar.
 
Aunque encuentres lámapras MSR, HMI, HTI, etc en el fondo son similares; son lámparas de descarga de vapor de mercurio a alta presión con mezcla de halogenuros metálicos. Puede haber diferencias entre ellas en cuanto a la temperatura de color, el rendimiento, etc. Pero sobre todo indican la referencia fabricante.
Lampara HMI
Lampara HMI

Proyectores sin lente

Cierto es que se le ha dado una vuelta más, y eso ha llevado años después a la serie de proyectoresM” de Arri. Estos proyectores ya ni siquiera usan lente porque -de alguna manera- han implementado la función de la lente Fresnel en la parábola. La parábola ahora es más grande, más intrusiva claro, y tiene el tamaño (diámetro) que tendría la lente. Por supuesto que dispone de un cristal delantero para proteger y que nadie pueda tocar directamente la lámpara, pero es un cristal anticalórico de protección, no tiene propiedades ópticas que modifiquen la luz más allá de filtrar radicaciones IR y UV. De esta manera el proyector puede ser más económico, es menos pesado y además no corre riesgo de que se pueda desquebrajar la lente con lo que ello supone.
 
Pero eso si, en estos proyectores la lámpara ha de cambiar necesariamente de posición, porque al no haber lente como tal, su cometido cambia. En un proyector convencional HMI o tungsteno la lámpara estaría en vertical. Pero en estos proyectores la lámpara está en horizontal (lámapras HMI). Digamos que un proyector M, tiene la misma filosofía que desde siempre han tenido los proyectores “search-light” con lámparas Xenon. Solo que los “M” pueden proyectar en horizontal (cosa que no se puede hacer con Xenon debido a la inestabilidad de arco voltáico) y pueden hacer que el haz sea más amplio (flood) o más cerrado (spot) de lo que se puede hacer con un trazador (search-light). Este tipo de proyector “M” lo trataré en otro futuro post. Si queréis saber más sobre ellos, haced click aquí
Arri M40
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