Наука фотографии

Наука фотографии – это использование химии и физики во всех аспектах фотографии . Это относится к камере, ее объективам, физическому функционированию камеры, внутренним компонентам электронной камеры и процессу проявления пленки для правильной съемки и проявления изображений.

Оптика

Камера-обскура

Основная статья: Камера-обскура

Свет проникает в темный ящик через небольшое отверстие и создает перевернутое изображение на стене напротив отверстия.

Фундаментальной технологией большинства фотографий, цифровых или аналоговых, является эффект камеры-обскуры и ее способность преобразовывать трехмерную сцену в двухмерное изображение. По своей сути камера-обскура представляет собой затемненный ящик с очень маленьким отверстием на одной стороне, через которое проецируется изображение внешнего мира на противоположную сторону. Эту форму часто называют камерой-обскурой .

При использовании объектива отверстие в камере не обязательно должно быть крошечным, чтобы создать резкое и отчетливое изображение, а время экспозиции можно уменьшить, что позволяет использовать камеру с рук.

Линзы

Основная статья: Фотообъектив

Фотообъектив обычно состоит из нескольких линз , которые объединяются для уменьшения эффектов хроматической аберрации , комы , сферической аберрации и других аберраций . Простым примером является трехэлементный тройной объектив Кука , который все еще используется более века после его первой разработки, но многие современные фотообъективы гораздо сложнее.

Использование меньшей диафрагмы может уменьшить большинство, но не все аберрации. Их также можно значительно уменьшить, используя асферический элемент , но его сложнее шлифовать, чем сферические или цилиндрические линзы. Однако благодаря современным технологиям производства дополнительные затраты на производство асферических линз снижаются, и теперь небольшие асферические линзы можно изготавливать методом литья, что позволяет использовать их в недорогих потребительских камерах. Линзы Френеля не распространены в фотографии и в некоторых случаях используются из-за их очень малого веса. Недавно разработанная моноцентрическая линза с волоконной связью состоит из сфер, состоящих из концентрических полусферических оболочек из различных стекол, связанных с фокальной плоскостью пучками оптических волокон. Моноцентрические линзы также не используются в камерах, поскольку эта технология была впервые представлена ​​в октябре 2013 года на конференции Frontiers in Optics в Орландо, Флорида.

Вся конструкция объектива представляет собой компромисс между многочисленными факторами, не исключая стоимость. Зум-объективы (т. е. объективы с переменным фокусным расстоянием) требуют дополнительных компромиссов и поэтому обычно не соответствуют характеристикам объективов с фиксированным фокусным расстоянием .

Когда объектив камеры фокусируется так, чтобы проецировать объект на некоторое расстояние на пленку или детектор, объекты, находящиеся ближе по расстоянию относительно удаленного объекта, также оказываются примерно в фокусе. Диапазон расстояний, которые находятся почти в фокусе, называется глубиной резкости . Глубина резкости обычно увеличивается с уменьшением диаметра диафрагмы (увеличением числа f). Несфокусированное размытие за пределами глубины резкости иногда используется для художественного эффекта в фотографии. Субъективный вид этого размытия известен как боке .

Если объектив камеры сфокусирован на гиперфокальном расстоянии или за его пределами , то глубина резкости становится большой, охватывая все от половины гиперфокального расстояния до бесконечности . Этот эффект используется для создания камер « без фокуса » или камер с фиксированным фокусом.

Аберрация

Основная статья: Аберрации в оптических системах

Аберрации — это размывающие и искажающие свойства оптической системы . Высококачественный объектив будет производить меньше аберраций.

Сферическая аберрация возникает из-за повышенного преломления световых лучей, возникающего при попадании лучей на линзу, или отражения световых лучей, возникающего при попадании лучей на зеркало вблизи его края, по сравнению с теми, которые падают ближе к центру. Это зависит от фокусного расстояния сферической линзы и расстояния от ее центра. Это компенсируется разработкой многолинзовой системы или использованием асферической линзы .

Хроматическая аберрация вызвана линзой, имеющей разный преломления для разных длин волн света показатель и зависимостью оптических свойств от цвета . Синий свет обычно преломляется сильнее, чем красный. Существуют хроматические аберрации более высокого порядка, например зависимость увеличения от цвета. Хроматическая аберрация компенсируется использованием линз, изготовленных из материалов, специально разработанных для компенсации хроматических аберраций.

Искривленная фокальная поверхность – это зависимость фокуса первого порядка от положения на пленке или ПЗС-матрице. Это можно компенсировать с помощью оптической конструкции с несколькими линзами, но также используется изгиб пленки.

Фокус

Этот объект находится в резком фокусе, а дальний фон не в фокусе.

См. Также: Круг замешательства

Фокус — это тенденция лучей света достигать одного и того же места на матрице или пленке независимо от того, где они проходят через объектив. Для получения четких снимков фокус регулируется по расстоянию, поскольку на разном расстоянии до объекта лучи достигают разных частей объектива под разными углами. В современной фотографии фокусировка часто осуществляется автоматически.

Система автофокусировки в современных зеркальных фотокамерах использует датчик в зеркальном корпусе для измерения контраста. Сигнал датчика анализируется специализированной интегральной схемой (ASIC), и ASIC пытается максимизировать контрастность путем перемещения элементов линзы. ASIC в современных камерах также имеют специальные алгоритмы прогнозирования движения и другие расширенные функции.

Дифракционный предел

Поскольку свет распространяется как волны, узоры, которые он создает на пленке, подвержены волновому явлению, известному как дифракция , которое ограничивает разрешение изображения деталями, порядка нескольких длин волн света. Дифракция является основным эффектом, ограничивающим резкость оптических изображений от объективов, закрытых до малых диафрагм (больших чисел f), тогда как аберрации являются ограничивающим эффектом при больших диафрагмах (малых числах f). Поскольку дифракцию устранить невозможно, наилучший объектив для данного рабочего режима (настройки диафрагмы) — это тот, который создает изображение, качество которого ограничивается только дифракцией. О такой линзе говорят, что она ограничена дифракцией .

Размер оптического пятна на ПЗС-матрице или пленке, ограниченный дифракцией, пропорционален f-числу (примерно равен f-числу, умноженному на длину волны света, что составляет около 0,0005 мм), что делает общую детализацию фотографии пропорциональной диафрагмальному числу. размер пленки или ПЗС-матрица, деленная на число f. Для 35-мм камеры с f /11 этот предел соответствует примерно 6000 элементам разрешения по ширине пленки (36 мм/(11 * 0,0005 мм) = 6500.

Конечный размер пятна, вызванный дифракцией, также может быть выражен как критерий различения удаленных объектов: два удаленных точечных источника могут создавать отдельные изображения на пленке или датчике только в том случае, если их угловое расстояние превышает длину волны света, деленную на ширину открытой апертуры. объектива камеры.

Химические процессы

Основная статья: Аналоговая фотография

Желатин серебро

Основная статья: Желатин-серебряный процесс

Желатин-серебряный процесс — наиболее часто используемый химический процесс в черно-белой фотографии и фундаментальный химический процесс в современной аналоговой цветной фотографии. Таким образом, пленки и бумага для печати, доступные для аналоговой фотографии, редко используют какой-либо другой химический процесс для записи изображения.

Дагерротипы

Основная статья: Дагерротипия

Дагерротип ( / d ə ˈ ɡ ɛər ( ​​i . ) ə ˌ t aɪ p , -( i . ) oʊ -/ ; французский : дагерротип ) был первым общедоступным фотографическим процессом; он широко использовался в 1840-х и 1850-х годах. «Дагерротипия» также относится к изображению, созданному в результате этого процесса.

Коллодионный процесс и амбротипия

Основная статья: Коллодионный процесс

Коллодионный процесс – это ранний фотографический процесс. Коллодионный процесс, который в основном является синонимом «процесса с мокрыми пластинами коллодия», требует нанесения покрытия, сенсибилизации, экспонирования и проявления фотоматериала в течение примерно пятнадцати минут, что требует портативной темной комнаты для использования в полевых условиях. Коллодий обычно используется во влажном виде, но его можно использовать и в сухом виде, но это приводит к значительному увеличению времени воздействия. Последнее сделало сухую форму непригодной для обычной портретной работы большинства профессиональных фотографов XIX века. Поэтому использование сухой формы в основном ограничивалось пейзажной фотографией и другими специальными приложениями, где допустимо было выдерживание в несколько минут.

Цианотипы

Основная статья: Цианотипия

Цианотипия — это процесс фотопечати, при котором получается голубо-голубой отпечаток. Инженеры использовали этот процесс еще в 20 веке как простой и недорогой процесс создания копий чертежей, называемых чертежами. В этом процессе используются два химиката: цитрат железа-аммония и феррицианид калия.

Платиновые и палладиевые процессы

Основная статья: Платиновый принт

Платиновые отпечатки, также называемые платинотипами, представляют собой фотографические отпечатки, изготовленные методом монохромной печати с использованием платины.

Бихромат камеди

Основная статья: Бихромат камеди

Бихромат камеди — это процесс фотопечати XIX века, основанный на светочувствительности дихроматов. Он способен воспроизводить живописные изображения с фотографических негативов. Печать на резинке традиционно представляет собой многослойный процесс печати, но удовлетворительные результаты могут быть получены за один проход. Для печати жевательной резинки можно использовать любой цвет, поэтому, используя эту технику в несколько слоев, можно также создавать фотографии в естественных цветах.

C-принты и цветная пленка

Основная статья: Хромогенный отпечаток

Хромогенная печать , также известная как печать С-типа или печать С-типа . отпечаток галогенсеребряный , или печать с помощью красителя , Это фотографический отпечаток, сделанный с цветного негатива , прозрачного или цифрового изображения и проявленный с использованием хромогенного процесса. Они состоят из трех слоев желатина, каждый из которых содержит эмульсию галогенида серебра , который используется в качестве светочувствительного материала, и другого красителя субтрактивного цвета , которые вместе при проявлении образуют полноцветное изображение.

Цифровые датчики

Основные статьи: Датчик изображения и цифровая обработка изображений

Датчик изображения или имидж-сканер — это датчик, который обнаруживает и передает информацию, используемую для создания изображения. Он делает это путем преобразования переменного затухания световых волн (когда они проходят через объекты или отражаются от них) в сигналы, небольшие всплески тока, которые передают информацию. Волны могут быть светом или другим электромагнитным излучением. Датчики изображения используются в электронных устройствах обработки изображений как аналогового, так и цифрового типов, включая цифровые камеры, модули камер, телефоны с камерами, оптические мыши, [1][2][3] медицинское оборудование для обработки изображений, оборудование ночного видения, такое как тепловизоры. устройства, радары, гидролокаторы и другие. По мере изменения технологий электронные и цифровые изображения имеют тенденцию заменять химические и аналоговые изображения.

Практическое применение

Закон взаимности

Основная статья: Взаимность (фотография)

Экспозиция ∝ Площадь диафрагмы × Время экспозиции × Яркость сцены

Закон взаимности описывает, как интенсивность света и продолжительность зависят от экспозиции — он определяет соотношение между выдержкой и диафрагмой для заданной общей экспозиции . Изменения любого из этих элементов часто измеряются в единицах, известных как «остановки»; стоп равен коэффициенту два.

Уменьшения вдвое количества света, экспонирующего пленку, можно добиться следующими способами:

1. Закрытие диафрагмы на один стоп
2. Уменьшение времени затвора (увеличение выдержки) на один стоп
3. Уменьшение освещения сцены вдвое.

Аналогичным образом, удвоение количества света, экспонирующего пленку, может быть достигнуто путем противоположности одной из этих операций.

Яркость сцены, измеренная с помощью измерителя отраженного света , также пропорционально влияет на экспозицию. Количество света, необходимое для правильной экспозиции, зависит от светочувствительности пленки ; которые могут варьироваться с шагом или долей остановки. При любом из этих изменений диафрагму или выдержку можно отрегулировать на равное количество ступеней, чтобы получить подходящую экспозицию.

Светом легче всего управлять с помощью диафрагмы камеры (измеряется в диафрагмах ), но его также можно регулировать, регулируя выдержку . Использование более быстрой или более медленной пленки обычно не может быть выполнено быстро, по крайней мере, при использовании рулонной пленки. В камерах большого формата используются отдельные листы пленки , и каждый лист может иметь разную скорость. Кроме того, если вы используете камеру большего формата с поляроидным задником, вы можете переключаться между задними панелями, содержащими поляроиды с разной скоростью. Цифровые камеры могут легко регулировать светосилу пленки, которую они имитируют, регулируя индекс экспозиции , и многие цифровые камеры могут делать это автоматически в ответ на измерения экспозиции.

Например, начиная с экспозиции 1/60 при f /16 глубину резкости можно уменьшить, открыв диафрагму до f /4 , увеличение экспозиции на 4 стопа. Чтобы компенсировать это, выдержку придется увеличить еще и на 4 ступени, то есть уменьшить выдержку до 1/1000. Закрытие апертуры ограничивает разрешение из-за дифракционного предела .

Закон взаимности определяет общую экспозицию, но реакция фотоматериала на постоянную общую экспозицию может не оставаться постоянной при очень длительных выдержках при очень слабом освещении, например при фотографировании звездного неба, или при очень коротких выдержках при очень ярком освещении, например как фотографирование солнца. Это известно как нарушение взаимности материала (пленки, бумаги или датчика).

Размытие в движении

Размытие в движении возникает, когда камера или объект перемещаются во время экспозиции. Это приводит к появлению характерных полос на движущемся объекте или на всем изображении (в случае дрожания камеры).

Размытие фона при слежении за объектом

Размытие в движении можно использовать художественно, чтобы создать ощущение скорости или движения, как в случае с текущей водой. Примером этого является техника « панорамирования », при которой камера перемещается так, чтобы следовать за объектом, который обычно быстро движется, например, за автомобилем. Если все сделано правильно, это даст изображение четкого объекта, но фон будет размытым, создавая ощущение движения. Это одна из самых сложных фотографических техник, поскольку движение должно быть плавным и с правильной скоростью. Объект, который приближается или удаляется от камеры, может еще больше вызвать трудности с фокусировкой.

Легкие тропы

Световые следы — еще один фотографический эффект, в котором используется размытие изображения. Фотографии линий света, видимых на фотографиях дорог в ночное время с длинной выдержкой, являются одним из примеров эффекта. Это вызвано движением автомобилей по дороге во время экспозиции. Тот же принцип используется для создания фотографий звездных следов.

Как правило, следует избегать размытия в движении, и это можно сделать несколькими различными способами. Самый простой способ — ограничить время затвора так, чтобы в то время, когда затвор открыт, изображение почти не двигалось. При больших фокусных расстояниях одно и то же движение корпуса камеры вызовет большее движение изображения, поэтому требуется более короткое время затвора. Обычно цитируемое эмпирическое правило заключается в том, что выдержка в секундах должна быть примерно обратна эквивалентному 35 мм фокусному расстоянию объектива в миллиметрах. Например, объектив 50 мм следует использовать с минимальной выдержкой 1/50 секунды, а объектив 300 мм — с выдержкой 1/300 секунды. Это может вызвать трудности при использовании в условиях низкой освещенности, поскольку экспозиция также уменьшается с увеличением времени затвора.

При высокоскоростной фотосъемке используются очень короткие выдержки, чтобы предотвратить размытие быстродвижущихся объектов.

Размытие изображения из-за движения объекта обычно можно предотвратить, используя более короткую выдержку. Точная выдержка будет зависеть от скорости движения объекта. Например, очень короткая выдержка понадобится, чтобы «заморозить» винты вертолета, тогда как более длинная выдержка будет достаточна, чтобы заморозить бегуна.

камеры . Можно использовать штатив, чтобы избежать размытия изображения при движении из-за дрожания Это стабилизирует камеру во время экспозиции. Штатив рекомендуется использовать для выдержки более 1/15 секунды. Существуют дополнительные методы, которые в сочетании с использованием штатива гарантируют, что камера останется неподвижной. В них может использоваться дистанционный привод, такой как тросовый спусковой механизм или инфракрасный дистанционный переключатель для активации затвора, чтобы избежать движения, обычно вызываемого при прямом нажатии кнопки спуска затвора. Использование «автоспуска» (механизма спуска по времени, который автоматически запускает спуск затвора через определенный промежуток времени) может служить той же цели. Большинство современных однообъективных зеркальных камер (SLR) имеют функцию блокировки зеркала , которая устраняет небольшое дрожание, возникающее при подъеме зеркала.

Разрешение зернистости пленки

Сильная зернистость на негативной пленке ISO400, увеличенной до ISO1600.

Черно-белый фильм имеет «блестящую» и «тусклую» стороны. Тусклая сторона — это эмульсия , желатин, в котором суспендируется массив кристаллов галогенида серебра . Эти кристаллы содержат зерна серебра, которые определяют, насколько чувствительна пленка к воздействию света и насколько мелким или зернистым будет выглядеть негатив на отпечатке. Более крупные зерна означают более быстрое воздействие, но более зернистый вид; более мелкие зерна выглядят мельче, но для активации требуется больше времени. Зернистость пленки определяется ее коэффициентом ISO ; обычно кратно 10 или 100. Меньшие числа дают более мелкое зерно, но более медленную пленку, и наоборот.

Вклад в шум (зерно)

Квантовая эффективность

Свет приходит в виде частиц, а энергия световой частицы (фотона ) равна частоте света, умноженной на постоянную Планка . Фундаментальным свойством любого фотографического метода является то, как он собирает свет на фотопластинке или электронном детекторе.

ПЗС-матрицы и другие фотодиоды

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды с обратным смещением, в которых внутренний слой с очень небольшим количеством носителей заряда предотвращает протекание электрического тока. В зависимости от материала у фотонов достаточно энергии, чтобы поднять один электрон из верхней полной зоны в нижнюю пустую зону. Электрон и «дырка» или пустое пространство, где она находилась, смогут свободно перемещаться в электрическом поле и переносить ток, который можно измерить. Доля падающих фотонов, создающих пары носителей, во многом зависит от материала полупроводника.

Фотоумножители

Фотоумножители — это вакуумные фототрубки , которые усиливают свет за счет ускорения фотоэлектронов, чтобы выбить больше электронов из ряда электродов. Они являются одними из самых чувствительных детекторов света, но плохо подходят для фотографии.

Псевдонимы

Сглаживание может возникать при оптической и химической обработке, но оно более распространено и его легче понять при цифровой обработке. Это происходит всякий раз, когда оптическое или цифровое изображение дискретизируется или повторно дискретизируется со скоростью, слишком низкой для его разрешения. Некоторые цифровые камеры и сканеры имеют фильтры сглаживания, позволяющие уменьшить сглаживание за счет намеренного размытия изображения в соответствии с частотой дискретизации. Обычно оборудование для проявки пленки, используемое для изготовления отпечатков разных размеров, увеличивает зернистость отпечатков меньшего размера за счет сглаживания.

Обычно желательно подавить как шумы, такие как зернистость, так и детали реального объекта, которые слишком малы для представления с частотой дискретизации.

См. также

• Астрофотография
• Подводная фотография
• Инфракрасная фотография
• Ультрафиолетовая фотография
• Бромид серебра
• Обработка фотографий
• Редактирование изображений
• Выделите высоту над головой