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Heliogravure VIII – More About Etching

In a previous post have been exposed a general method to reduce the number of etching baths and rationalize the relationship between the total etching time and the partial etching times in the respective baths. Here we will analyse a sequential fine tuning of a couple of ferric chloride baths having previously determined a total etching time. This total time its been derived from a deep black just before the open bite. In this case of study, the total etching time employed is of 24min at 20ºC. All figures are only informative. Any change in the method could require quite different values. The method to apply the sensitizer to the carbon tissue, the concentration of the sensitizer, the kind and strength of UV light, the distance and exposure time, the thickness of the glass in the vacuum contact press, the aquatint or screen used, etc., are decisive affecting the final couple of ferric chloride baths needed.

The procedure used to check the better etching time concentration given an exposure time, a positive density range and a type of screen or aquatint is as follows:

  • A suitable test target with eleven steps from pure black to pure white (Fig., 1) is printed with the same printer and settings employed to print the positive transparencies on Pictorico OHP film. The necessary time is allowed to completely dry the printed ink. In my case, a minimum of 12h at ambient temperature. This is an important step in order to ensure a consistent density range.
Figure 1. Suitable test target with eleven steps from full black to clean white. Observe the upper legend indicating the correction curve applied in Adobe Photoshop CC; this helps to record the given conditions both in the plate and in the final print. Dashed lines are indicative of the copperplate size, while the black frame ensures the correct adherence of the gelatin in the margin area when it is transferred to the copperplate surface (click on the image for an enlarged version).
  • The printed test target density range is measured with the aid of a transmission densitometer.
  • A total etching time of 24min at 20ºC has been determined as is explained in Heliogravure V – About Etching.
  • An ideal exposure time has been determined through an exposure of the Stouffer T4110 test target. The time is adjusted to achieve a correct exposure revealing a number of steps equalling the optical density range of the previously described test target.
  • A piece of carbon tissue is exposed both to a screen and to the test target, adhered on a copperplate, washed out, dried and etched as usual. In this case, the respective etching time in each ferric chloride bath is determined as is explained in Heliogravure V – About Etching. The actual beginning of the etching time is monitored by an accurate observation through a magnifying glass over the black step. Time begins to count on when the first signs of etching appear on this step. Depending on both ambience temperature and relative humidity, this occurs between three or four minutes after the plate is submerged in the ferric chloride bath.
  • After etching is finished, the plate is inked, wiped and printed on paper.
  • The dry print is then scanned on applying a linear transference curve.
  • The resulting digital file is measured. The measure is performed with the rectangular selection tool of the digital image processing software ImageJ on each test target step. The averaged pixel value is then transferred to a spreadsheet. Affordable and free software to perform this kind of measures is the mentioned ImageJ and the Open Office spreadsheet.
  • A graph is generated comparing the actual printed test target steps values (blue) with an ideal progression of values (red).
  • Accordingly with the results, the complete assay is repeated changing the concentration of the ferric chloride bath and sometimes, the exposure time.

The sequence of exposures, etchings and reasoned decisions for the example is shown in the Fig., 2.

Figure 2. Series of graphs generated from corresponding modifications on the exposure time and/or the ferric chloride concentration. See complete explanations in the text body (click on the image for an enlarged version).
  • Upper left. With the first couple of baths, 44ºBé and 43ºBé, the plots shows as after 24min of etching, the 43ºBé bath has been unable to penetrate the last four steps at the highlights extreme of the test target.
  • Upper centre. Diluting the second bath to 42.5ºBé, the plot shows now as the ferric chloride has penetrated all the test target steps. Nevertheless, the linearity is still far away from the ideal red straight line.
  • Upper right. Two minor changes have been applied here. The exposure time for the positive transparency has been slightly extended by reference to the screen exposure time, while the second bath concentration is lowered to 42ºBé. The plot shows a slightly better distribution of the shadows steps. Extended exposure time prevents the quick etching of shadows because of the more diluted second bath.
  • Bottom left. Maintaining the previous exposure times, the second bath concentration is now lowered to 41.5ºBé. While the blacks are still too lower, the medium and highlights steps are almost linear from 0 to 60% of ink coverage. Here we could take two ways. A first approximation may be change the concentration of both baths. A possibility would be 44,5ºBé for the first and come back to the 42ºBé for the second. Another option is to take advantage of the mentioned linearity correcting only what is away from the red line, but with the same couple of ferric chloride baths. This can be achieved applying a correction curve to the test target and printing it again.
  • Bottom centre. Correction curve applied to the test target in Adobe Photoshop CC. The curve has the shape inverse of the observed in the previous spread sheet plot at bottom left.
  • Bottom right. With this correction, now the plot is almost linear all over the steps range. Minor fine tuning can be still applied, but in terms of visual perception, we can assure that there will not be a noticeably departure from the original tone in the printed picture.

Note specially as each time the concentration of the etching baths is changed, they are also changed the respective immersion times. The factor governing this necessary weighting to compensate the difference in etching activity is explained in Heliogravure V – About Etching and is derived from graphs published by Herbert Mills Cartwright (1). Note also that the respective etching times are calculated by an spreadsheet and this results in not always practical figures. As an example, the last 12min 57s(44ºBé) + 11min 4s(41.5ºBé) can be rounded to 13min(44ºBé) + 11min(41.5ºBé).

From previous explanations can be derived that in order to follow this two baths etching method it is necessary accurately measure the ferric chloride concentration. This can be only accomplished with the appropriate Hydrometers. The Fig., 3 shows two type of hydrometers both calibrated to measure at a 20ºC temperature. The shown at bottom measures from 0ºBé to 50ºBé with an accuracy of 1ºBé while the shown on top measures from 40ºBé to 50ºBé with an accuracy of 0.1ºBé. This one is the needed for the proposal of previous text.

Figure 3. Two hydrometers calibrated to correctly measure in ºBé at 20ºC (click on the image for an enlarged version).

It should be emphasized that any measurement with this devices is only suited to correctly work at a given temperature. In this case, as the hydrometers are calibrated for 20ºC, this is the temperature maintained in the process to prepare the different concentration ferric chloride baths and also along the complete process of etching. This is not specially difficult in winter with a suitable heating installation. At summer, it is not so easy to regulate the ambiance temperature as low as 20ºC without a powerful, expensive and high energy consuming air conditioning installation.

Nevertheless, if the ferric chloride dilutions have been prepared in the cold season, the only one limitation to be overcome is the refrigeration of the ferric chloride trays just the time necessary for the etching. Reducing the number of baths helps also with these constrains. Specially with plate sizes up to 24x30cm, a simple circulating refrigerator can be obtained from a couple of Peltier’s plates connected to a 12V power source. The Fig., 4 shows an installation with a water bath circulating through the Peltier’s plates and refrigerating the couple of ferric chloride trays. With accurate thermometers immersed in each ferric chloride bath it is quite easy to control the actual bath temperature.

Figure 4. At background, the two etching baths immersed in a circulating water bath. At foreground, Two Peltier’s plates connected to a 12V power source. The water bath is forced to circulate by a fish tank pump through the Peltier’s plates. The more the plates are refrigerated by its respective fan, the lower is the temperature achieved in the inner face of the Peltier’s plate.

This procedure, accurate and simple, allows the user to concentrate its effort in the imaging part of the whole process. In my opinion, as better controlled are the technical steps, better is the freedom for the creative process.

REFERENCES

  1. CARTWRIGHT, H. M. (1961) ILFORD GRAPHIC ARTS MANUAL Volume 1 Photoengraving. Ed. Ilford Limited, Ilford, Essex.
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Imaging Research Photography Photography Technique

Nikon D700, Nikon D800 y Más Cuestiones

SE_MTF2xNyquist
Figura 1. Proceso de cálculo de la MTF de un sistema objetivo-sensor por el método del borde inclinado mediante el plug-in SE_MTF2xNyquist de ImageJ.
(hacer click sobre la imagen para observar una versión ampliada)

En el anterior post Nikon D4 y Otras Cuestiones se planteaba el porque de la coexistencia de modelos de cámara con resoluciones muy dispares en el segmento de cámaras SLR de gama alta. Para desarrollar los razonamientos expuestos se tomaron como ejemplo todos los modelos full frame desarrollados por Nikon. En uno de los comentarios se aventuraba la posibilidad de comparar una cámara de dicha gama con menor resolución con la que actualmente ostenta el mayor número de foto-receptores en un sensor de 24x36mm, la Nikon D800. El seguidor del blog y buen amigo Joan Serra, me envió hace unos días unos archivos raw tomados con su Nikon D800 del test para la determinación de la Función de Transferencia de la Modulación (MTF) del sistema objetivo/sensor por el método del borde inclinado (Slanted Edge Method), para cada una de las aperturas de diafragma disponibles en el objetivo Sigma 70-200mm f/2.8 con el que tiene equipada la cámara.

Dado que yo mismo soy usuario de una Nikon D700, pensé que aunque con diferentes ópticas, se podría intentar hacer algún tipo de comparación entre ambas cámaras. Para ello, equipé la D700 con un objetivo Nikkor 35mm f/2.8 y tomé también imágenes del mismo test en el centro del campo imagen para toda la gama de aperturas de diafragma. Todos los archivos, los de Joan y los míos, se han procesado en Adobe Camera Raw 8.2 (ACR) con unos ajustes de exposición, brillo y contraste a cero y mapa de transición de luminancias lineal. No se ha aplicado ninguna mejora de visibilidad de bordes ni reducción de ruido. Los archivos se han guardado en formato TIFF sin compresión, Escala de Grises por promedio de canales y a 8bit de profundidad de color.

La medición de la MTF se ha realizado a partir de cada archivo mediante el plug-in SE_MTF_2xNyquist (Figura 1) en el programa de procesado de imagen ImageJ. Los datos de Factor de Modulación hasta la frecuencia de Nyquist así obtenidos se han exportado a una hoja de cálculo Excel de Microsoft Office  para poder trazar en ella los diversos gráficos que se muestran en este texto. Las escalas de frecuencia de los diferentes gráficos de MTF se han ajustado a valores absolutos con la resolución correspondiente a cada cámara, 59lp/mm (pares de líneas por milímetro) para la D700 y 102lp/mm para la D800. Aunque la comparación en sentido estricto no es posible dada la diferencia de ópticas empleadas con cada cámara, sí se pueden sacar algunas conclusiones tanto del comportamiento de cada sistema así como de algunas cuestiones a tener en cuenta respecto de la interpretación de los resultados.

En la Figura 2 se muestran el conjunto de MTF obtenidas de los archivos de la Nikon D700 equipada con el objetivo Nikkor 35mm f/2.8 a cada una de las aperturas de diafragma del mismo.

MTF_D700_Nikkor35mm
Figura 2
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Del conjunto de trazados de MTF de la Figura 2 se pueden derivar las siguientes observaciones:

  • A plena apertura (f/2.8), el resultado es uno de los más discretos. Ello indica, con toda probabilidad, la presencia de aberraciones residuales del objetivo.
  • Cerrando la apertura un punto (f/4) las aberraciones se minimizan y se obtiene el mejor resultado.
  • A partir de f/4 y hasta f/11 el resultado se mantiene muy similar aunque empeora a medida que se cierra el diafragma. Este comportamiento es perfectamente coherente con el aumento de los efectos de la difracción causado por el cierre de la apertura.
  • A f/16 el descenso del gráfico es más evidente que en las aperturas anteriores y a f/22 la calidad desciende incluso por debajo del valor alcanzado a f/2.8. Aquí la difracción afecta más que las aberraciones presentes a plena apertura. Es importante notar que los resultados a estas aperturas, f/16 y f/22, muestran la expectativa de degradación anunciada por los criterios 2p y 3p respectivamente de la Tabla 1 mostrada en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones.
  • A excepción de la MTF medida a f/22, ninguno de los otros resultados muestra menos del 5% de contraste a la frecuencia de Nyquist. En términos prácticos, este 5% sería el límite de imagen utilizable.
  • Sólo el resultado de f/4 está por encima de 10% de contraste a la frecuencia de Nyquist. Ello indica un buen funcionamiento del filtro anti-aliasing o low pass filter (LPF) que equipa la cámara. Hay que tener en cuenta aquí que el procesado del archivo raw con ACR 8.2, con los ajustes de brillo y contraste a cero, genera imágenes con un contraste algo por encima del raw estrictamente lineal. Como ya se ha podido comprobar en otras mediciones de los mismos archivos, con versiones anteriores del plug in ACR ninguna de las curvas estaría por encima del 10% de contraste a la frecuencia límite del sistema.
  • También es interesante constatar que mientras la presencia de aberraciones a plena apertura afecta de manera preferente a las frecuencias medias y altas, los efectos de la difracción afectan al conjunto de la banda de frecuencias detectables por el sistema.

En la Figura 3 se muestran las curvas MTF obtenidas de los archivos de la Nikon D800 equipada con el objetivo Sigma 70-200mm f/2.8 a la longitud focal de 70mm para todas las aperturas de diafragma disponibles.

MTF_D800_Sigma70_200_70mm
Figura 3
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Tomando ahora el turno del conjunto de MTF de la cámara D800, las observaciones son las que siguen:

  • En primer lugar, la degradación atribuible al objetivo que equipa la cámara es aquí más evidente. Los mejores resultados se obtienen con las aperturas f/8 y f/11. Teniendo en cuenta las limitaciones de la cámara en relación a la difracción, ello indica sin duda la presencia de aberraciones residuales o poco contraste de imagen en las aperturas anteriores, f/2.8, f/4 y f/5.6. Al igual que en el caso de la D700, las mediciones se han realizado en el centro del campo imagen y por lo tanto las aberraciones presentes son probablemente aberración esférica (SA) y quizá aberración cromática longitudinal (LCA). También entra dentro de la normalidad el hecho de que dichas aberraciones sean más difíciles de eliminar en un objetivo zoom que en el de focal fija empleado en la cámara D700.
  • Aún así, la mayor diferencia respecto del conjunto de MTF de la cámara anterior se puede observar en la región cercana a la frecuencia de Nyquist. En este caso, ninguna apertura proporciona una retención de un mínimo del 5% de contraste a la frecuencia límite. Por el contrario, el contraste desciende prácticamente a cero para todas las aperturas de diafragma a partir de 85lp/mm, mucho antes del límite teórico de 102lp/mm que se deduce de las dimensiones de sus foto-receptores.
  • Este descenso a cero se podría justificar por vías distintas según el valor de la apertura del diafragma:
    • Un objetivo teóricamente perfecto, libre de aberraciones y dependiente sólo de la difracción alcanza unos poderes de resolución de aproximadamente 120lp/mm a f/11, 85lp/mm a f/16 y 60lp/mm a f/22. Las cifras de f/16 y f/22 están claramente por debajo del límite teórico de la D800 (102lp/mm) y por lo tanto, la limitación de calidad es achacable en este caso exclusivamente a la difracción, sea cual sea el objetivo que se monte en la cámara.
    • Los resultados de las MTF  a las aperturas f/2.8, f/4 y f/5.6 ya se ha comentado anteriormente que deben, en principio, atribuirse a la presencia de aberraciones residuales en el objetivo utilizado.
    • Finalmente, los resultados de las aperturas f/8 y f/11 están más allá de los límites expresados en la mencionada Tabla 1 mostrada en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones en relación al diámetro de los discos de Airy y el pitch del sensor.
  • Debe tenerse en cuenta además que la MTF del sistema expresa el nivel de contraste que se retiene en la imagen una vez procesada, por lo que el resultado depende también de las propiedades del sensor y del procesado de los datos que se extraen del mismo. Al margen de los resultados teóricos que un objetivo pueda alcanzar a cada apertura de diafragma, el contraste de la imagen que forma puede ser muy distinto para un mismo poder de resolución según el objetivo que se emplee. Para un mismo sensor, ello acaba influyendo en la MTF del sistema.

En la Figura 4 se comparan, en un mismo gráfico, el conjunto de MTF de cada cámara. En azul, las MTF correspondientes a la Nikon D800 y en rojo las de la Nikon D700.

MTF_D700_D800_comparative
Figura 4
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De la comparación conjunta de las MTF de ambas cámaras se pueden extraer también algunas conclusiones interesantes:

  • Hasta el límite de resolución de la Nikon D700 (59lp/mm), la Nikon D800 proporciona mejores resultados a f/18, f/11 y f/16. Al resto de aperturas, el resultado es muy poco superior al obtenido por la D700, aunque aquí cabe preguntarse qué ocurriría con un objetivo que no acarrease las aberraciones que presumiblemente aporta el Sigma 70-200mm f/2.8 utilizado.
  • Si se analiza el resultado más allá de dicha resolución, lo que confiere sentido al uso de esta cámara, se observa que si se mantiene el criterio de un mínimo de 5% de retención de contraste para considerar la imagen como utilizable, los límites alcanzados son:
    • 72lp/mm para f/2.8, f/4 y f/5.6, probablemente a causa de las aberraciones del objetivo.
    • 79lp/mm para f/8 y f/11.
    • 76lp/mm para f/16.
    • 69lp/mm para f/22.
  • Resulta evidente que cualquiera de estos límites está bastante lejos de la resolución teórica de la cámara (102lp/mm). Esta limitación, no obstante, está básicamente causada por la difracción y el tamaño de los foto-receptores y por lo tanto, era perfectamente previsible a partir de los postulados de la Óptica.

En la Figura 5 se comparan los valores de MTF50 de ambas cámaras para toda la gama de aperturas de diafragma. El estándar MTF50 se define como aquella frecuencia para la que el sistema retiene en la imagen un 50% del contraste del objeto. Esta retención en la imagen del 50% del contraste del objeto se considera óptima para poder recuperar la pérdida mediante el procesado de imagen. Dado el trazado típico de las MTF de un sistema objetivo-sensor de calidad, la MTF50 suele coincidir con una zona de frecuencia o detalle medio dentro de la banda detectable. Los cambios o diferencias en esta franja de frecuencias son pues una buena orientación sobre la expectativa de calidad del instrumento. Por el contrario, el uso de este dato en la comparación entre instrumentos debe ser cautelosa si sus límites de resolución son distintos como es el caso que nos ocupa.

MTF50_D700_D800
Figura 5
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De esta comparación, que sólo toma en cuenta cuál es la frecuencia espacial para la que cada cámara retiene un 50% de contraste en la imagen y para cada apertura de diafragma, se puede deducir que las partes de una misma escena que se reproducirán con un mismo nivel de calidad en las imágenes tomadas por ambas cámaras, serán prácticamente las mismas, la banda de frecuencias o detalles entre 20 y 30lp/mm. Para este tipo de detalles, no hay pues ninguna diferencia en utilizar una u otra cámara.

En términos relativos, la Nikon D700 mantiene un 50% de retención de contraste para una banda de frecuencias justo por debajo de la mitad de su límite de resolución. Por el contrario, la D800 sólo es capaz de retener el 50% de contraste para una banda de frecuencias que se sitúa aproximadamente a un cuarto de su límite teórico.

La Figura 6 muestra, tomando como ejemplo la MTF del sistema D700+Nikkor 35mm f/2.8 a f/4,  las tres regiones en las que se ha dividido el trazado de las diferentes MTF para analizar por separado, de izquierda a derecha, la respuesta del sistema a las frecuencias bajas, medias y altas, respectivamente. Frecuencia baja, media y alta se corresponde con detalle respectivamente bajo, medio y alto en la imagen. El resultado de calcular las respectivas áreas bajo la MTF para cada cámara se muestra en la Figura 7. Las tres bandas de frecuencia analizadas se corresponden con tercios de la banda máxima de frecuencia detectable por cada cámara:

  • Entre 0 y 20lp/mm, banda de frecuencia baja para la Nikon D700.
  • Entre 20 y 40lp/mm, banda de frecuencia media para la Nikon D700.
  • Entre 40 y 59lp/mm, banda de frecuencia alta para la Nikon D700.
  • Entre 0 y 34lp/mm, banda de frecuencia baja para la Nikon D800.
  • Entre 34 y 68lp/mm, banda de frecuencia media para la Nikon D800.
  • Entre 68 y 102lp/mm, banda de frecuencia alta para la Nikon D800.
    Figura 5     (hacer click en al imagen para observar una versión ampliada)
Figura 6
(hacer click en al imagen para observar una versión ampliada)

El gráfico de la Figura 7 permite comparar los resultados de medir el área bajo la MTF para las tres bandas de frecuencia mencionadas anteriormente y las dos cámaras probadas. Dichas áreas se expresan como porcentaje del valor teórico de un sistema perfecto.

AreaUnderMTF_D700_D800
Figura 7
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De esta comparativa y teniendo en cuenta que los datos que la configuran están extraídos de las mismas curvas MTF anteriores, se derivan observaciones parecidas a las ya comentadas. En términos relativos, los niveles de calidad de imagen de la Nikon D700 están siempre por encima de los obtenidos con la D800 para cualquiera de las bandas de frecuencia espacial consideradas. En términos absolutos, se alcanzan los mismas o ligeramente mejores resultados con la D800 aunque siempre por debajo de la expectativa de su poder de resolución teórico.

A modo de conclusiones:

  • Respecto de los resultados obtenidos y las supuestas ventajas de utilizar una cámara de mayor resolución teórica:
    • Para una misma escena, se obtiene una imagen mucho mayor en los dispositivos de salida.
    • El nivel de detalle útil captado por la cámara es, en este caso, bastante menor del esperado pero siempre mayor que el captado con la cámara de menor resolución, sea cual sea la apertura de diafragma utilizada. Cabría aquí hacer la misma comparación con una cámara de resolución intermedia como por ejemplo la D3X o la D4.
    • La conclusión desde un punto de vista práctico es que si existe la posibilidad de necesitar en algún momento el tamaño de imagen proporcionado por la cámara de mayor resolución, no hay ningún inconveniente insalvable para decidirse por la D800. En este aspecto debe tenerse en cuenta que todo lo aquí mostrado se ha medido a partir de archivos raw lineales sin procesado ni mejores de visibilidad de bordes. Un buen procesado de imagen mejoraría sin duda el contenido inicial aunque en ningún caso aportaría lo que la cámara no captó.
    • Como ya se podía prever para las aperturas de diafragma más pequeñas, las limitaciones impuestas por la difracción son insalvables, al menos para el estadio actual de la tecnología óptica. Ello implica, al margen del detalle que no se puede captar, una mayor necesidad de prestar atención al procesado de la imagen para obtener un nivel de calidad equiparable al de instrumentos con menos limitaciones en este sentido.
  • Respecto de las mediciones:
    • En mi opinión, queda claro que formarse un juicio objetivo de las prestaciones de este tipo de instrumentos no resulta fácil dada la cantidad de variables que contribuyen a la calidad de imagen.
    • Por otra parte, sólo este tipo de mediciones pueden dar algunas pistas fiables sobre la expectativa de calidad que podemos depositar en cada instrumento.
    • Finalmente, unas pruebas y explicaciones necesariamente largas y quizá tediosas parecen justificar el deseo compartido por muchos fotógrafos de poder fiar estas expectativas en procedimientos más sencillos o reduccionistas. No será ninguna novedad que no comparta esta voluntad simplificadora. Personalmente prefiero la duda que unas conclusiones apresuradas y/o basadas en criterios poco objetivos.
    • También en este sentido me parece importante resaltar que como se explicó en el post Nikon D4 y Otras Cuestiones, antes de realizar estas pruebas ya teníamos datos que permitían aventurar una tendencia de comportamiento. Estos datos, por otra parte, no eran ninguna novedad pues forman parte del conocimiento general existente sobre Óptica y sistemas de captación de imagen por medios electrónicos. Tenemos ahora, después de un poco más de trabajo y esfuerzo, unos datos más precisos sobre la expectativa de calidad de una cámara en particular.

Para terminar, agradecer la paciencia para los que hayáis llegado hasta aquí y una sonrisa de solidaridad para los que no. La vida y la Fotografía están llenas de oportunidades más allá de las decisiones de compra de instrumentos.