Лабораторная работа №2 основы фотографии

1. Цель работы

Изучить основы теории света, спектральный состав света, основные световые величины и законы освещенности. Получить представление о зрительном анализаторе человека, механизме восприятия цвета, особенностях и дефектах зрения. Изучить основы фотографии и уяснить основные понятия. Получить практические навыки эксплуатации изучаемых приборов.

2. Теоретическая справка

Фотография– (от др. греч. φοτος – «свет» + γραφω – «пишу») – вид деятельности и комплекс технологий, связанный с получением плоских изображений реальных объектов на светочувствительных фотографических материалах: фотопленке (аналоговая технология), светочувствительной матрице цифрового фотоаппарата (цифровая технология), при помощи фотоаппарата с целью их дальнейшего воспроизведения. Также фотографией называют конечное изображение на фотобумаге, полученное в результате фотографического процесса и рассматриваемое человеком непосредственно. Различают черно-белую, цветную, художественную, документальную и научно-техническую (аэрофотографию, микрофотографию, рентгеновскую, инфракрасную, ультрафиолетовую и др.) фотографию.

В зависимости от преобразований, происходящих в светочувствительном материале фотографию, принято делить на:

Плёночную (аналоговую)– основанную на галогеносеребряных фотоматериалах, в которых происходят фотохимические процессы, и требуется последующая химическая обработка для получения видимого изображения.

Цифровую– основанную на свойстве полупроводниковых материалов регистрировать свет и преобразовывать его в пропорциональный яркости электрический заряд (матрица цифрового фотоаппарата). Полученная в результате этого процесса аналоговая информация преобразуется при помощи аналого-цифрового преобразования (АЦП) в цифровой код. Цифровая информация об изображении обрабатывается цифровым блоком обработки и хранения данных и сохраняется в файл, для дальнейшего экранного использования, фотопечати или дополнительной обработки с помощью компьютера.

Основы теории света

Чтобы понять механизм восприятия человеком видеоинформации, мы должны определить компоненты видимого света, создающие зрительное ощущение у человека.

В настоящее время существует две теории света: волноваяикорпускулярная.

Волновая теория. Природу электромагнитных излучений рассмотрим на модели атома, как планетарной системы. Множество электронов, вращаются по орбитам вокруг центра – ядра. Это состояние достаточно устойчиво, но если применить внешнее воздействие, например, нагреть тело или бомбардировать его электронами, электроны внутренних орбит будут стремиться перейти на орбиты более высокого уровня, запасая потенциальную энергию. Когда электроны возвращаются на предыдущие, более низкие орбиты, они излучают полученную ранее энергию. Переход электрона с одной, более высокой орбиты на другую, с более низкой энергией, ведет к испусканию излучения в виде электромагнитного излучения (рис. 1). Колеблющийся электрон, переходящий попеременно с одной орбиты на другую, порождает электромагнитную волну. Длина волны зависит от частоты колебания. Энергия пропорциональна частоте, увеличение энергии происходит при сокращении длины волны.

Рис. 1. Планетарная модель атома – схема образования электромагнитного излучения

Спектр электромагнитных волн (табл. 1) простирается от очень коротких волн – гамма-лучей, к длинным – радиоволнам. Человеческий глаз регистрирует лишь узкий диапазон этого спектра. Эта часть электромагнитных колебаний вызывает у нас зрительные ощущения – видимый свет. Международная комиссия по освещению – CIE (от фр. CommissionInternationaledel'Eclairage) определяет «видимый свет» как излучение с длиной волны от 380 нм – фиолетовый до 780 нм – красный (1 нм = 10^-9м) в интервале частот 3,810⁸–7,810⁸МГц.

Таблица 1

Спектр электромагнитных волн

Виды волн	Длина волны
Низкочастотные электрические колебания	> 100 км
Радиоволны:	100 км – 1 мм
- мириаметровые	100 км – 10 км
- километровые (низкие частоты)	10 км – 1 км
- гексаметровые (средние частоты)	1 км – 100 м
- декаметровые (высокие частоты)	100 м – 10 м
- метровые	10 м – 1 м
- дециметровые	1 м – 10 см
- сантиметровые	10 см – 1 см
- миллиметровые	1 см – 1 мм
- децимиллиметровые	1 мм – 0,1 мм
Инфракрасное излучение	2 мм – 780 нм
Видимое излучение (свет)	780 нм – 380 нм
Ультрафиолетовое излучение	380 нм – 10 нм
Рентгеновское излучение	10 нм – 10 пм
Гамма-излучение	< 10 пм

Поскольку свет является одним из видов электромагнитных колебаний, его можно рассматривать как разновидность волн – «световые волны». Световая волна представляет собой электромагнитную волну, в которой наблюдаются колебания электрического и магнитного полей под прямым углом друг к другу в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Человеческий глаз может непосредственно различать два параметра световой волны – длину волны и амплитуду. Различие длин волн воспринимается нами как – цвет, а различие амплитуд – как изменение яркости.

Корпускулярная теория рассматривает свет как частицы энергии, называемыефотонами. Ядро атома состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженногопротона, и незаряженногонейтрона. Отрицательно заряженные частицы – электроны (примерно 1/2000 от массы протона) находятся на достаточно удаленных орбитах вокруг ядра. При некоторых состояниях протон может терять свой заряд и превращаться в нейтрон, это называетсябета-распадом(рис. 2), при этом образуются две легкие частицы:нейтриноипозитрон(положительно заряженный электрон). Если позитрон встречает на своем пути отрицательно заряженный электрон, они нейтрализуют друг друга. Процесс заканчивается образованием двухфотонови носит название аннигиляция (от лат.annihilatio– уничтожение, исчезновение). Когда электромагнитное излучение попадает в поле атомного ядра, то снова может образовать пару «электрон + позитрон».

Рис. 2. Схема образование фотонов

Фотоны– это кванты электромагнитного излучения, обладающие одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Наличие у фотонов одновременно и корпускулярных, и волновых характеристик приводит к тому, что свету оказываются присущи как свойства непрерывных электромагнитных волн, так и свойства отдельных частиц.

Фотон обладает следующими свойствами:

– фотон является электрически нейтральной частицей – его заряд равен нулю;

– скорость фотона равна скорости света в вакууме (300000 км/с);

– энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения;

– масса фотона равна нулю.

В современной физике эти две теории применяются одновременно: корпускулярная теория хорошо объясняет процесс образования квантов, а волновая теория – явления распространения света как волновых колебаний.

Спектральный состав света. Оптическая область спектра электромагнитных излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10–380 нм), видимых световых излучений (длина волн 380–780 нм) и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 780 нм – 2 мм).

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим. Простые излучения не могут быть разложены ни на какие другие цвета.

Спектр – последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания (рис. 3). Длины волн этого спектра связаны с нашими ощущениями о цвете.

Рис. 3. Спектральный состав света и кривые чувствительности к спектру трех типов колбочек человеческого глаза

Человек воспринимает свет полуденного солнца как «белый свет». Белый свет – это сумма электромагнитных колебаний, из множества вплотную примыкающих частот занимающих диапазон от 380 нм до 760 нм. При разложении белого света призмой в непрерывный спектр, цвета в нем постепенно переходят один в другой. Принято считать, что в некоторых границах длин волн (нм) излучения воспринимаются нами как следующие цвета: 380–440 – фиолетовый; 440–480 – синий; 480–510 – голубой; 510–550 – зеленый; 550–575 – желто-зеленый; 575–585 – желтый; 585–620 – оранжевый; 620–780 – красный.

Зрительный анализатор человека обладает наибольшей чувствительностью к желто-зеленому излучению с длиной волны около 555 нм. Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая (длина волн 380–490 нм), зеленая (длина 490–570 нм) и красная (длина 580–780 нм). Эти зоны спектра являются зонами преимущественной спектральной чувствительности человеческого глаза, а также трех слоев цветной фотопленки и трех типов цветных фильтров цифровой матрицы.

Свет, излучаемый обычными источниками, а также свет, отраженный от несветящихся тел, всегда имеет сложный спектральный состав, т.е. – состоит из суммы различных монохроматических излучений. Спектральный состав света – важнейшая характеристика освещения. Он непосредственно влияет на цветопередачу при съемке на цветные фотографические материалы.

Основные световые величины и законы освещенности

Для обоснования и объяснения основных величин в светотехнике используется понятие точечного источника света.

Точечный источник света– это источник света, размер тела свечения которого (d) в десять раз и более, меньше дистанции (R), с которой он освещает данную поверхность (рис. 4). Свет от такого источника распространяется равномерно во всех направлениях, следовательно, лучи, прошедшие одинаковую дистанцию, будут создавать одинаковую освещенность поверхности, на которую они падают. Замкнув множество таких поверхностей, получим сферу, каждая точка которой получает одинаковое количество света от точечного источника.

Свет обладает свойством рассеиваться в пространстве (рис. 4). Два луча, вышедшие под углом из одной точки, при дальнейшем распространении будут расходиться все дальше и дальше друг от друга (при увеличении диаметра рассматриваемой сферы), но в пределах телесного угла (), под которым они вышли из точечного источника.

Телесный угол – пространственный угол w, выходящий из центра сферы, ограниченный конусом с радиусом R и вырезающим на поверхности сферы площадь с одинаковыми свойствами (рис. 4).

Рис. 4. Точечный источник света (слева). Телесный угол (справа)

Если предположить, что точечный источник бесконечно удален, то угол будет стремиться к нулю и такие лучи света будут параллельными (рис. 5). Свойства параллельных лучей, падающих на плоскость, будут одинаковы в силу их происхождения и равенства дистанции, которую они прошли, достигнув плоскости.

Рис. 5. Параллельный световой поток

Если на пути параллельного пучка лучей поставить положительную линзу, то в силу законов геометрической оптики и свойств изменять направление хода лучей на границе раздела двух сред воздух-стекло и стекло-воздух лучи отклонятся от первоначального направления и соберутся в некоторой точке (F), называемой фокусом линзы (рис. 6). Если в фокусе линзы поместить точечный источник света, то на выходе получим поток условно-параллельных лучей.

Рис. 6. Собирательная линза

Рассмотрев варианты распространения луча света от точечного источника, перейдем к рассмотрению количественных величин.

В фотометрии энергию W, переносимую излучением, измеряют за время, большее по сравнению с периодом световых колебаний источника. Если на некотором расстоянии от источника излучения находится поверхность, через которую проходят волны, то средняя энергетическая мощность излучения (F_э), переносимая этими волнами через поверхность в единицу времени, называетсяпотоком излученияи измеряется в ваттах.

гдеW– энергия (Дж), t – время (с).

Нам необходимо учитывать лишь ту часть спектра, которая воздействует на наши органы зрения. Прежде всего, это мощность светового излучения, которая оценивается по вызываемому им световому ощущению.

Световой поток (F)– мощность излучения, оцениваемая по зрительному ощущению. За единицу светового потока принимаем световой поток, излучаемый внутри телесного угла, равного 1 стерадиану (стерадиан (ср) – телесный угол, вырезающий из сферы радиусом 1 м поверхность площадью 1 м²), источником света силой в 1 канделу и измеряется в люменах (лм). Кандела (от латинскогоcandela– свеча) – сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010¹²Гц, интенсивность излучения которого в этом направлении равна 1/683 Вт в телесном угле равном одному стерадиану.

Сила света (I) – величина светового потока, излучаемого в определенном направлении в некотором пространственном (телесном) угле. Отношение светового потока к телесному углу, в котором он распространяется, определяет силу света. Единица измерения – кандела (кд).

,

Освещенность (Е)– количество света достигшее данной поверхности, определяется отношением светового потока к площади освещаемой поверхности. Единица измерения освещенности – люкс (лк) – освещенность поверхности площадью 1 м²при падающем на него световом потоке в 1 лм и равномерно распределенным по этой поверхности (рис. 7).

Рис. 7. Освещенность в 1 люкс

Примерные значения освещенности, даны в таблице 2.

Таблица 2

Примерные значения освещенности

Условия освещения	Освещенность, лк
Солнце на открытом пространстве в полдень	100 000
В пасмурный день на открытом пространстве	1000
Освещенность офиса с люминесцентными лампами	300–500
Рабочее место чертежника, освещенность комнаты при горящих лампах накаливания	100–200
Норма освещенности для чтения	50–100
Освещенность закрытых пространств (коридоры, лестницы), в 20 см от горящей свечи	10–15
Освещенность от Луны в полнолуние	0,1–0,2
От ясного звездного неба (в безлунную ночь)	0,0003

Первый закон освещенности. Освещенность зависит от силы света источника и рассчитывается по формуле«закона обратных квадратов» –освещенность поверхности от точечного источника прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности (рис. 8).

;

где Е– освещенность;I– сила света в данном направлении;L– расстояние от источника света до освещаемой поверхности вм.

Второй закон освещенности. Зависимость падения лучей света на плоскость от угла наклона этой плоскости по отношению к упавшему световому потоку носит название второго закона освещенности (рис. 8). Параллельный поток лучей, упавших на плоскость, падает по нормали, то есть перпендикулярно поверхности. Если наклонить эту поверхность на некоторый угол. Из рисунка видно, что поток лучей, сохраняющий первоначальное направление, будет падать на большую площадь и, соответственно, на каждую единицу площади придется меньше световой энергии.

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником прямо пропорциональна силе света источника и косинусу угла падения лучей к нормали и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемойповерхности (рис. 8).

где Е– освещенность;I– сила света в данном направлении;L– расстояние от источника света до освещаемой поверхности вм.

Рис. 8. Закон освещенности: первый (слева), второй(справа)

На практике сложно разделить действие первого и второго закона. Например, при освещении сферы точечным источником (рис. 9) разница длины хода лучей создаст неравномерную освещенность в точке падения, плюс разница углов падения лучей в точке касания луча и поверхности сферы. В результате неравномерности освещения отдельных участков сферы видим ее объем.

Рис. 9. Освещение шара точечным источником света

В случае, когда на одну поверхность падают лучи от нескольких источников, освещенность поверхности равна сумме освещенностей, созданных каждым источником в отдельности.

Яркость– физиологическое ощущение, вызываемое светящейся или отражающей свет поверхностью, единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно, это наиболее значимая величина для определения экспозиции – количество света, отраженное от объекта. Глаз человека не может количественно оценить величину яркости, но может достаточно точно установить равенство (или неравенство) яркостей соседних участков освещаемой поверхности.

Яркость (В)– световая величина, характеризующая излучение источника или отражающей поверхности в данном направлении и численно равная отношению силы света источника, излучаемого в данном направлении,к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению (рис. 10). Единица измерения яркости – яркость такой плоскости, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света 1 кд с площади 1 м²(табл. 3).

= кд/м²

Рис. 10. Оценка яркости

Яркостью в 1 кд обладает диффузное тело с отражением 100% при освещенности 1 лк, то есть яркость можно выразить соотношением

где Е– освещенность поверхности,– коэффициент отражения, отношение отраженного светового потока к падающему на данную плоскость (для диффузных поверхностей).

Эта формула приемлема для получения точных экспонометрических расчетов, так как связывает освещенность поверхности с коэффициентом отражения и позволяет наиболее точно сравнивать относительные яркости объектов или их элементов в кадре.

Таблица 3

Яркости некоторых типичных объектов

Источник света	Яркость, кд/м2
Поверхность Солнца	1500000000
Яркое небо	1500
Нить лампы накаливания 100 Вт	5500000
Белая бумага, освещенная прямым Солнцем	22000
Поверхность Луны в полнолуние	2500
Ясное ночное небо (в безлунную ночь)	0,0001
Наименьшая различимая глазом яркость	0,0000001

Световой поток, упавший на любое физическое тело, может претерпеть следующие изменения – отразиться от него, поглотиться им и, в зависимости от его свойств, пройти сквозь него (рис. 11). Эти изменения в светотехникепринято обозначать следующим образом:

r – коэффициент отражения– отношение отраженного светового потока к падающему, характеризует светлоту поверхности;

t – коэффициент пропускания– отношение прошедшего сквозь тело светового потока к падающему, характеризует прозрачность тела;

a – коэффициент поглощения– отношение поглощенного светового потока к падающему, характеризует плотность тела, его способность ослаблять свет.

Рис. 11. Схема прохождения луча сквозь прозрачный материал

С физической точки зрения световой поток, упавший на тело, может расщепиться на несколько потоков, но их сумма должна составить 100% упавшего светового потока:

r + t + a =100%

Именно световой поток, отразившись от тела или пройдя сквозь него, несет информацию о предмете: светлый он или темный, матовый или глянцевый, прозрачный или непрозрачный.

Отражение. Явление отражения заключается в том, что часть света, падающего на поверхность, не проникает в неё, а распространяется в новом направлении. Направление распространения не зависит от длины волны.

Существуют четыре вида отражения: направленное (зеркальное), направленно-рассеянное, диффузное и смешанное (рис. 12).

Рис. 12. Виды отражения света

Направленное (зеркальное) отражениехарактерно для гладких и полированных поверхностей с микроскопическими неровностями поверхности предмета, размер которых мал по отношению к длине волны падающего света. Лучи света, отраженные такими поверхностями, меняют свое направление в пространстве в полном соответствии с законами геометрической оптики:

– угол падения луча равен углу отражения и лежит в одной плоскости с нормалью (перпендикуляром, восстановленным из плоскости в точке падения);

– угол падения и угол отражения равны по отношению к нормали;

Количество света, отраженное такими поверхностями, соизмеримо с упавшим световым потоком, но несколько меньше его, так как часть светового потока неизбежно поглотится самим телом.

Направленно-рассеянное отражения характерно для тел, поверхность которых имеет большие микронеровности по отношению к длине волны падающего света, в результате чего свет частично отражается по законам направленно-зеркального отражения, а частично – рассеивается в некотором телесном угле.Общее количество отраженных лучей равно сумме рассеянной и зеркальной частей светового потока, но меньше 100%, так как небольшая часть света поглощается отражающей поверхностью. Типичными поверхностями, обладающими направленно-рассеянным отражением, являются матированные поверхности металлов, глянцевая бумага и многие виды окрашенных поверхностей и изделий из пластмасс.

Диффузное (равнояркое) отражение характерно для матовых и шероховатых тел, поверхность которых имеет беспорядочно расположенные микронеровности, по размеру совпадающие или превышающие длину волны падающего на поверхность луча света (например: белая бумага, или молочное стекло). Основной характеристикой диффузного отражения является равномерное отражение света от поверхности, независимо от направления падающего на поверхность светового потока.

Яркость такой поверхности постоянна для любого угла рассматривания. Кривая распределения силы света такой поверхности имеет форму окружности. Сила света, отраженного от каждой точки поверхности будет подчиняться закону косинуса углов: максимальное количество света будет отражаться поверхностью по направлению к нормали (перпендикулярно поверхности), и чем больше угол θ между нормалью и другим рассматриваемым направлением отраженных лучей, тем меньше такая поверхность будет отражать свет в данном направлении, т.к. уменьшится площадь излучения света.

Смешанное отражение характерно для поверхностей обладающих смешанным видом отражения, характеризующимся направленным и диффузным отражением одновременно – микронеровности таких поверхностей имеют разные размеры по отношению к длине волны падающего света. Все определяется их соотношением – если больше одних, то поверхность больше обладает диффузными свойствами отражения, если других – то направленным отражением. Еще одно свойство таких поверхностей, вытекающее из структуры микронеровностей, – отражать свет с разными характеристиками, в зависимости от того, в каком направлении происходит отражение. Большинство окружающих нас тел обладают именно таким отражением. Такое распределение света на объекте съемки позволяет максимально выявить его объем и фактуру, т.к. фотография лишь имитирует объем предмета при помощи света и тени.

Пропускание светового потока любой поверхностью также можно условно разделить на четыре вида:направленное, направленно-рассеянное, диффузное и смешанное (рис. 13).

Рис. 13. Виды пропускания света

Направленное пропускание характерно для тел, прозрачных по природе материала, из которого они изготовлены (стекло, прозрачные пластмассы, лед, прозрачные минералы). Основной характеристикой такого пропускания является совпадение по направлению упавшего и пропущенного луча света. Рассеяние света в прозрачной среде пренебрежимо мало. Световой поток слегка отклоняется от первоначального направления хода луча, сохраняя параллельность следования, из-за того, что луч дважды преломляется на границах раздела сред воздух-материал и материал-воздух. Но помимо прошедшего светового потока есть еще два, которые малы в процентном отношении, но неизбежно приводят к потерям прошедшего света – это отраженные и поглощенные телом лучи.

Направленно-рассеянное пропусканиехарактеризуетсядостаточно большим телесным углом рассеяния прошедшего светового потока – лучи света по пути следования через поверхность наталкиваются на микрочастицы, входящие в состав вещества, и отклоняются от первоначальной траектории. Доля таких частиц в общем объеме вещества невелика, и большая часть лучей лишь слегка отклоняется от первоначальной траектории.Такое прохождение лучей характерно для замутненных сред (различные виды пластмассы). Другой причиной отклонения лучей от первоначального направления могут служить поверхностные микронеровности, специально нанесенные на изначально прозрачную поверхность (матированное стекло).

Диффузное пропускание характеризуется очень большим углом отклонения лучей света от первоначального направления внутри самого вещества (многократное переотражение от микрочастиц, входящих в состав вещества). В результате такого перераспределения света можно сказать, что световой поток равномерно рассеивается веществом – светиться начинает сама поверхность, испуская лучи во всех направлениях. Первоначальный источник света за такими поверхностями не виден. К таким поверхностям можно отнести изделия, изготовленные из молочных, опаловых стекол, различные виды молочных пластмасс.

Смешанное пропусканиехарактерно для поверхностей, имеющих свойство одновременно пропускать и направленные, и рассеянные лучи светового потока. Это свойство может принадлежать самому материалу, из которого они изготовлены (рассеивающие микрочастицы внедрены в материал), или быть результатом какой-либо механической или химической обработки поверхности прозрачного материала (рассеивающие свойства имеет одна или обе поверхности вещества).

Поглощение света– это неизбежные потери светового потока, являющиеся неотъемлемой характеристикой вещества. Чем больше толщина среды, через которую проходит свет, тем больше потери. Поэтому поверхности, по-разному пропуская и рассеивая свет, должны иметь минимально возможную толщину при необходимом качестве рассеянного света.

Зрительный анализатор человека

Люди воспринимают свет с помощью глаз. Свет – это физическое явление способное создавать зрительные образы посредством возбуждения зрительных нервов. Световые волны попадают в глаз человека (рис. 14). Его стенка состоит из 3 оболочек. Наружная оболочка образует каркас глазного яблока. Ее задняя часть – склера – белого цвета хорошо видна между веками по обе стороны роговицы. Роговица тонкая и прозрачная, она лишена сосудов, поэтому наилучшим образом пропускает свет.

Далее свет проходит через зрачок, который ограничен радужной оболочкой. Радужная оболочка является наростом, выстилающим глазное яблоко сосудистой оболочкой и обеспечивает кровообращение внутри глаза. Цвет радужки определяет цвет глаз человека, он зависит от количества пигмента меланина (от греч. melas – «черный»). В центре радужной оболочки находится зрачок – отверстие, которое пропускает световые лучи внутрь глаза. Пройдя через зрачок, свет попадает в хрусталик (маленькую двояковыпуклую линзу). Его роль состоит в том, чтобы преломлять световые лучи и фокусировать их на сетчатке глаза. За хрусталиком находится прозрачное стекловидное тело, которое заполняет внутреннюю часть глазного яблока. Роговица, хрусталик, стекловидное тело преломляют ход световых лучей, которые попадают в глаз, и на сетчатке глаза возникает уменьшенное перевернутое изображение рассматриваемого объекта. Сетчатка чувствительна к электромагнитным волнам в видимом диапазоне спектра и способна преобразовывать электромагнитную энергию в электрические сигналы, которые передается в мозг по многочисленным нервным волокнам. Сетчатка позвоночных, к которым относится человек, имеет сложное строение. Она состоит из нервной ткани и является частью мозга, выдвинутого на периферию. Сетчатка состоит из большого количества светочувствительных элементов – рецепторов: палочек и колбочек. Палочки обладают чувствительностью только к яркости и отвечают за зрение при недостатке света, а колбочки, обеспечивают цветовосприятие. Число палочек в 20 раз больше числа колбочек и они в 10000 раз чувствительнее их, поэтому глаз реагирует на яркость изображения намного интенсивнее, чем на его цвет.

Рис. 14. Зрительный анализатор человека

Восприятие цвета. Цветное зрение обеспечивается за счет свойства, известного как трехкомпонентность цветовосприятия. Согласно теории цветового зрения, высказанной впервые в 1736 г. М.В. Ломоносовым, экспериментально установлено, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех цветов: красного, зеленого и синего с высокой насыщенностью (рис. 15), называемых основными или первичными.

Рис. 15. Сложение (смешивание) основных цветов: красного, зеленого и синего

М.В. Ломоносов пришел к выводу, что цветоощущающий (колбочковый) аппарат глаза человека содержит рецепторы (нервные окончания) трех видов. Причем излучения различных волн возбуждают эти рецепторы неодинаково. Так, первый вид колбочек наиболее чувствителен к длинноволновой части видимого спектра (красно-оранжевой), второй – к средневолновой части спектра (зелено-желтой) и третий – к коротковолновой (сине-фиолетовой). На рисунке 3 показаны кривые спектральной чувствительности рецепторов глаза, которые называются кривыми основных возбуждений. Зрительный аппарат анализирует воздействующий на него свет, определяя в нем относительное содержание различных излучений, а затем в мозге человека происходит синтез трех возбуждений в единый цвет. Например, ощущение желтого цвета получается одновременным возбуждением красных и зеленых колбочек. Из-за такого физиологического свойства нашего зрения, мы можем представить полную гамму видимых цветов путем пропорционального смешивания всего лишь трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Восприятие цвета субъективно. Два человека никогда не будут одинаково воспринимать один и тот же физический цвет.

Человек может воспринимать цвет двух типов: цвет светящегося объекта (естественного происхождения – солнце, или искусственного происхождение – дисплей компьютера, лампа накаливания и т.п.), называемый цветом свечения, и цвет освещенного объекта, называемый цветом объекта. Цвет объекта – это цвет, отраженный от освещенного объекта.

Особенности и дефекты зрения.

Острота зрения – способность глаза различать детали объекта наблюдения. Выражается числовым значением, соответствующим обратной величине по отношению к минимальному углу зрения (1'), при котором глаз может отчетливо различать две точки или линии. Разрешение 1' принимается равным 1.

Аккомодация глаза – способность глаза изменять показатель преломления (форму хрусталика) для формирования изображения объекта на сетчатке. При расслабленной системе аккомодации глаза показатель преломления минимален.

Нормальное зрение, эмметропия – состояние глаза, в котором при расслабленной системе аккомодации глаза изображение бесконечно удаленной точки формируется на сетчатке.

Дальнозоркость – состояние глаза, в котором при расслабленной системе аккомодации глаза изображение бесконечно удаленной точки формируется позади сетчатки.

Близорукость, миопия – состояние глаза, в котором при расслабленной системе аккомодации глаза изображение бесконечно удаленной точки формируется спереди от сетчатки.

Наименьшее расстояние отчетливого зрения – наименьшее расстояние, на котором глаз, обладающий нормальным зрением, может видеть объект без усилий и утомления. Обычно это расстояние принимается равным 25 см.

Цветовая слепота или аномальный трихроматизм– нарушение или ослабление функционирования колбочкового аппарата, обеспечивающего цветовосприятие.

Инерционное свойство зрительного анализатора человека(память зрения) – свойство зрения сохранять в памяти зрительное впечатление от изображения после его удаления в течение некоторого времени (~ 0,1 сек).

Адаптация к освещению

Адаптация к темноте. При резкой смене освещения (выключение света в темном помещении), мы на время теряем способность нормально видеть, и это длится до тех пор, пока наши глаза постепенно не адаптируются к темноте.

Адаптация к свету.Это явление противоположно адаптации к темноте и происходит при переходе из темноты на ярко освещенное пространство.

Цветовая адаптация. Человеческий мозг воспринимает цвет как сочетание трех основных цветов. Восприятие цвета заметно изменяется в зависимости от внешних условий. Один и тот же цвет воспринимается по-разному при солнечном свете и при свете свечей. Однако зрение человека адаптируется к источнику света, что позволяет нам в обоих случаях идентифицировать свет как один и тот же. Например, входя с улицы в помещение, мы не видим, что свет ламп накаливания имеет желто-оранжевый оттенок. Человеческий мозг быстро адаптируется к такому изменению освещения и никаких непривычных цветовых сдвигов мы не замечаем.

ОСНОВЫ ФОТОГРАФИИ

Экспозиция (от лат. expositio – открывать, показывать, делать доступным) количество освещения, сообщаемое светочувствительному материалу и выражающееся произведением освещенности на время освещения. Экспозицию определяют с помощью фотоэкспонометра, как правило, встроенного в фотоаппарат.Фотоэкспонометр– электронный прибор для определения экспозиционных параметров (диафрагменного числа и времени экспонирования – выдержки) при данной яркости объекта съемки и заданной светочувствительности фотоматериала.

Задачей определения экспозиции является освещение фотоматериала всегда одним и тем же количеством света– номинальной экспозицией, вне зависимости от освещенности (яркости) объекта съемки. Номинальная экспозиция характеризует светочувствительность конкретного фотоматериала (табл. 4).

Таблица 4

Соотношение номинальных экспозиций и светочувствительности фотоматериала

Номинальная экспозиция, люкс∙сек.	0,4	0,2	0,1	0,05	0,025	0,0125
Светочувствительность фотоматериала, ISO	25	50	100	200	400	800

После определения номинальной экспозиции, экспозиционные параметры съемки устанавливаются на соответствующих шкалах объектива и фотографического затвора. В фотоаппаратах с той или иной степенью автоматизации оба экспозиционных параметра или только один из них устанавливаются автоматически. В автоматических системах поиск такого сочетания называется отработкой программы.

Экспозиция – один из самых важных параметров в фотографии. Правильно установленная экспозиция позволяет получить снимок максимального качества с технической точки зрения, то есть сохранить максимальное количество информации о снимаемой сцене. Недостаточная экспозиция (недодержка) приводит к недостаточной проработанности деталей в темных участках изображения, избыточная экспозиция (передержка) – к недостаточной проработке деталей в светлых участках изображения.

Экспозиционные параметры

Светочувствительность фотоматериала – способность фотографического материала образовывать изображение под действием электромагнитного излучения, в частности света, характеризует экспозицию, которая может нормально передать на снимке фотографируемый сюжет, и численно выражается в единицах ISO (сокр. от англ. International Standard Organization – Международная организация по стандартизации), являющихся универсальным стандартом расчета и обозначения светочувствительности всех фотопленок и матриц цифровых фотоаппаратов. Шкала ISO является арифметической – удвоение значения соответствует удвоению светочувствительности фотоматериала. Светочувствительность ISO 200 вдвое выше, чем ISO 100, и вдвое ниже, чем ISO 400.

Изменение светочувствительности используемого фотоматериала, при данной освещенности объекта съемки, позволяет варьировать другими экспозиционными параметрами, для решения конкретных фотографических задач. Например, для ISO 100 при данной освещенности сцены вы получили экспозицию: 1/30 сек., F2,0, для ISO 200 Вы можете уменьшить выдержку до 1/60 сек., а при ISO 400 – до 1/125, для фиксации движения в кадре, или при необходимости использования длиннофокусного объектива. Аналогичным образом, при фиксированной выдержке, можно варьировать параметром диафрагмы управляя глубиной резко изображаемого пространства.

Выдержка определяет временной интервал, в течение которого световые лучи воздействуют на светочувствительный материал. Обеспечивается различными по конструкции и принципам действия фотографическими затворами. Выдержки, которые отрабатываются фотографическим затвором, называют автоматическими. Существует стандартный ряд выдержек, измеряемых в секундах:

…

30

15

8

4

2

1

…

…

1/2

1/4

1/8

1/15

1/30

1/60

1/125

1/250

1/500

1/1000

1/2000

1/4000

…

Смежные числа этого ряда отличаются друг от друга в 2 раза. Переходя от одной выдержки (например 1/125) к соседней, мы увеличиваем (1/60) или уменьшаем (1/250) время экспонирования фотографического материала в два раза.

Относительное отверстие объектива – отношение диаметра светового отверстия объектива к величине фокусного расстояния. Относительное отверстие выражается в виде дроби с числителем равным 1 и знаменателем – k:

где f – фокусное расстояние объектива; d – диаметр светового отверстия.

Существует стандартный ряд относительных отверстий:

1/0,7

1/1

1/1,4

1/2

1/2,8

1/4

1/5,6

1/8

1/11

1/16

1/22

1/32

1/45

…

Принято указывать только знаменатели этого ряда (диафрагменные числа).

Диафрагменное число (F ) – величина, обратная относительному отверстию.

0,7

1

1,4

2

2,8

4

5,6

8

11

16

22

32

45

…

Смежные числа этого ряда отличаются друг от друга в 1,41 раза (). Переходя от одной диафрагмы (напримерF8) к соседней, мы увеличиваем (F5,6) или уменьшаем (F11) диаметр светового отверстия в 1,41 раза – следовательно, объектив пропускает света соответственно в двое больше или меньше (количество света, пропускаемого объективом, пропорционально площади его светового отверстия).

Диафрагма (от греческого diaphragma) – устройство, с помощью которого ограничивается пучок лучей, проходящих через объектив, для уменьшения освещенности фотоматериала в момент экспонирования или изменения глубины резко изображаемого пространства. Этот механизм реализован в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из нескольких лепестков, перемещение которых обеспечивает непрерывное изменение диаметра отверстия (рис. 16). Величину диафрагмы можно устанавливать вручную или автоматически с помощью специальных устройств. В объективах современных фотокамер настройка диафрагмы выполняется с электронной панели управления на корпусе камеры.

Рис. 16. Механизм ирисовой диафрагмы состоит из ряда перекрывающихся пластин

Величина экспозиции (от англ. Exposure Value – EV) – условная величина, однозначно характеризующая условия фотосъемки и служащая для определения номинальной экспозиции, необходимой для получения изображения нормальной оптической плотности на фотоматериале определенной светочувствительности при данной освещенности (яркости) объекта съемки. Она зависит от времени экспонирования (выдержки), величины диафрагмы и светочувствительности ISO.

где: S светочувствительность фотоматериала; L – освещенность (яркость) объекта съемки; K – экспонометрическая постоянная (обычно от 8 до 17)

Определение величины экспозиции по измеренной освещенности (яркости) объекта и известной светочувствительности фотоматериала положено в основу работы различных экспонометрических устройств. Математически зависимость описывается формулой:

Например, параметрами измеренной экспозиции EV 10 могут быть значения:

- светочувствительность ISO 100;

- диафрагма F4;

- выдержка 1/60 сек.

Рисунок 17 показывает соотношение между величиной экспозиции (EV), диафрагмой, выдержкой при светочувствительности фотоматериала ISO 100.

Рис. 17. Соотношение величины экспозиции (EV), диафрагмы и выдержки при светочувствительности ISO 100

Шкала величин EV зависит только от количества света, допускаемого различными вариантами экспозиции. Различные значения диафрагмы и выдержки могут комбинироваться, пропуская при этом к фотоматериалу одно и то же количество света, определенная величина EV представляет собой все возможные комбинации выдержки и диафрагмы для заданного значения ISO и неизменном освещении фотоматериала. На шкале EV повышение на одну ступень уменьшает количество света, достигающее светочувствительного материала, вдвое. Чем выше значение EV, тем меньше света пропускается на фотоматериал.

Например: при фотографировании ваша камера определила экспозицию: 1/125, F4 при светочувствительности материала ISO 100. По рисунку находим соответствующее значение EV 11. Таким образом, у нас есть возможность установить эквивалентные экспозиции в зависимости от решаемых нами фотографических задач и диапазона возможных значений выдержки и диафрагмы используемой камеры из следующего ряда:

Диафрагма:	1	1,4	2	2,8	4	5,6	8	11	16	22	32	45	…
Выдержка:	1/2000	1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1	…

В большинстве случаев фотоэкспонометр определит требуемое значение EV на основе освещенности объекта съемки и светочувствительности материала (ISO), затем процессор вашей камеры на основе алгоритма выбранной вами автоматической программы съемки преобразует его в соответствующие значения выдержки и диафрагмы.

Современные системы экспозамера достаточно совершенны, но в некоторых условиях съемки они могут ошибаться и не обеспечивать определения правильной экспозиции. Они замеряют свет, отраженный от объекта съемки, а отражательная способность объекта съемки оказывает значительное влияние на точность полученных результатов.

Фотоэкспонометры имеют стандартную настройку из предположения что фотографируемая сцена имеет достаточно равномерное количество светов, полутонов и теней и средняя отражательная способность составляет ≈18% (коэффициент отражения r_ср.=0,18). Этому значению соответствует серый тон, находящейся примерно посредине непрерывной шкалы между черным и белым цветом (рис. 18).

Рис. 18. Отражательная способность 18% серого цвета подходит для съемки большинства сцен

Данная стандартная установка позволяет получать правильную экспозицию для большинства сцен. Поскольку фотоэкспонометру ничего не известно об отражательной способности объектов съемки – при одном и том же освещении количество света, отраженного от темных, матовых или черных поверхностей всегда будет меньше, чем от светлых, блестящих или белых. При избытке в фотографируемой сцене очень светлых (белая ткань – r_max=0,60–0,80)или очень темных (черный бархат – r_min=0,04–0,05)тонов возникает ошибка определения экспозиции соответственно в сторонууменьшения(недостаточная экспозиция – недодержка) илиувеличения(избыточная экспозиция – передержка) ее значения. Например, при съемке белого объекта (одежда, или лист белой бумаги) белый цвет будет выглядеть темнее (серым). При съемке черного объекта (одежда, или лист черной бумаги) – черный будет выглядеть светлее (серым), чем в действительности (рис. 19). Для решения подобных проблем предусмотрен режим экспокоррекции.

Рис. 19. Пример работы фотоэкспонометра при определении экспозиции: по белому, по серому и по черному объекту. Внизу показан результат съемки с автоматической экспозицией

Экспокоррекция. В системе управления экспозицией современного фотоаппарата есть возможность гибко корректировать автоматически определенную экспозицию, внесением в автоматическую программу экспозиционных поправок (экспокоррекция) ±2EVс шагом 1/2 или 1/3. Экспокоррекция в «+» осветляет изображение (увеличивает экспозицию), в в «-» затемняет изображение (уменьшает экспозицию). Экспокоррекция позволяет нам сознательно изменять экспозицию, выставленную камерой. Если автоматика ошибается, и мы об этом знаем (преобладание светлых или темных тонов в снимаемой сцене), ошибку можно компенсировать – выбрать другое значение EV. Например, выбрав значение EV+1, можно увеличить автоматически определенную экспозицию (1/125, F4приISO100 –EV11) на 1 шаг, т.е. уменьшить диафрагменной число – (1/125, F2,8приISO100 –EV10) либо увеличить выдержку (1/60, F4приISO100 –EV10).

Величина экспозиции	EV9	EV10	EV11
Экспокоррекция	EV+1	0	EV-1

Объектив (от лат. objectus – предмет) – оптическая система, обращенная к объекту съемки или наблюдения и образующая его оптическое изображение. Фотографический объектив предназначен для получения светового изображения объекта съемки на светочувствительном материале. От свойств объектива в значительной степени зависит характер и качество фотографического изображения.

Основные характеристики объективов:

- фокусное расстояние;

- угол поля зрения объектива;

- светосила;

- разрешающая способность;

- глубина резко-изображаемого пространства (ГРИП);

- гиперфокальное расстояние;

- аберрации.

Главная точка.Световые лучи, параллельные оптической оси, после прохождения через объектив собираются в точкеF, называемой фокусом. Фокусное расстояние простой двояковыпуклой линзы равно расстоянию вдоль оптической оси от центра линзы до ее фокуса (рис. 20). В этом случае центр линзы называется главной точкой.

Рис. 20. Прохождение лучей через объектив: H– главная плоскость оптической системы, О – главная точка;F– фокус объектива,f– фокусное расстояние.

Однако местоположение центра реального фотографического объектива не столь очевидно, так как он состоит из нескольких выпуклых и вогнутых линз. Поэтому главная точка многолинзового объектива определяется как точка, расположенная на оптической оси с той же стороны от фокуса, что и объектив, и на расстоянии от фокуса, равном фокусному расстоянию. Главная точка, определяемая через передний фокус, называется передней главной точкой, а главная точка, определяемая через задний фокус – задней главной точкой.

Основные плоскости и точки оптической системы объективаприведены на рис. 21.

Рис. 21. Основные плоскости и точки оптической системы объектива: Р – передняя фокальная плоскость; F – точка переднего фокуса; f – переднее фокусное расстояние; H – передняя главная плоскость; О – передняя главная точка; О' – задняя главная точка; Н' – задняя главная плоскость; f' – заднее фокусное расстояние; U' – вершинный отрезок; S – рабочий отрезок; F' – точка заднего фокуса; Р' – задняя фокальная плоскость; – угол зрения объектива; 2– угол поля изображения

В обычных фотографических объективах расстояние от точки О' до фокуса равно фокусному расстоянию. В зависимости от типа объектива возможна ситуация, когда относительное положение передней и задней главных точек обращено или точка О' расположена за пределами конструкции объектива, однако в любом случае расстояние задней главной точки О' до фокуса равно фокусному расстоянию.

Пространство слева от объектива (перед объективом) называют пространством предметов, а пространство справа от объектива (за объективом) – пространством изображений.

Фокусное расстояние объектива (от лат. focus – очаг, огонь) (f) – расстояние вдоль оптической оси от главной точки объектива до плоскости, где фокусируются лучи света, падающие в объектив параллельным пучком (при фокусировке объектива на бесконечно удаленной точке). Расстояние от задней главной точки объектива до плоскости, в которой образуется резкое изображение объекта съемки, расположенного на конечном расстоянии, называется задним фокусным расстоянием и обозначается f'. Переднее и заднее фокусные расстояния оптической системы равны между собой.

Заднее фокусное расстояние, заднюю фокальную плоскость, задний фокус часто называют просто фокусным расстоянием, фокальной плоскостью, фокусом оптической системы и т.д.

Изображение, захватываемое объективом, имеет круглую форму. Изображение, которое переносится на фотографию, вырезается из центра круга изображения (рис. 22).

Круг изображения, диаметром (D) которого является диагональ кадра, называется полем изображения. Угол 2(рис. 22), образованный лучами, исходящими из задней главной точки и проходящими через концы диагонали кадра, называетсяуглом поля изображения. Уголобразованный продолжением этих лучей в пространстве предметов, называетсяуглом поля зрения объектива.

Рис. 22. Поле изображения, угол поля изображения и угол зрения объектива: О' – задняя главная точка объектива; f – фокусное расстояние; D – диагональ кадра; 2– угол поля изображения;– угол поля зрения объектива

Для объективов, используемых в камерах формата 35 мм, диаметр круга изображения должен быть не меньше диагонали области изображения 24×36 мм и, как правило, составляет ≈43,2 мм. Объективы цифровых камер характеризуются меньшим диаметром круга изображения, соответствующим диагонали используемой в конкретной камере матрицы.

Угол поля зрения объектива уменьшается вдвое при удвоении фокусного расстояния, при этом фотографируемая площадь уменьшается в четыре раза.

Глаз человека обладает определенным углом зрения, что обеспечивает поле благоприятного восприятия. Максимальный угол восприятия глаза 57°, оптимальный – 35–40° (учтены особенности бинокулярного зрения).

Объективы, в зависимости от отношения фокусного расстояния к диагонали кадра, принято подразделять на нормальные,широкоугольныеителеобъективы(рис. 23).

К нормальным объективам относятся такие, у которых фокусное расстояние равно или на 10–20% больше диагонали кадра. Угол поля зрения таких объективов обычно находится в пределах 45–55.

Объективы, у которых фокусное расстояние меньше, а угол поля зрения больше, чем у нормальных, относятся к широкоугольным. Объективы с фокусным расстоянием меньше 24 мм называютсверхширокоугольными.

Объективы, у которых фокусное расстояние больше, а угол поля зрения меньше, чем у нормальных, называют телеобъективами. Объективы с фокусным расстоянием свыше 300 мм называютсупертелеобъективами.

Объективы с переменным фокусным расстоянием (зум-объективы) позволяют получать изображения разного масштаба при неизменном съемочном расстоянии. Отношение наибольшего фокусного расстояния такого объектива к наименьшему называют кратностью объектива. Так, объективы с переменным фокусным расстоянием от 35 до 105 мм называют объективами с 3х-кратным зумом (изменением фокусного расстояния).

Светосила объектива– способность создавать ту или иную степень освещенности изображения при данной освещенности (яркости) объекта съемки.

Относительное отверстие объектива(рассмотренное выше) всегда несколько больше его светосилы, так как при прохождении через объектив часть светового потока теряется за счет поглощения в массе стекла и отражений от поверхностей линз на границе сред. В современных объективах эта разница составляет менее 3%.

Разрешающая способность объектива– характеризует способность изображать мельчайшие детали объекта съемки.

Согласно дифракционной теории образования изображения, разрешающая способность объектива определяется его относительным отверстием и теоретически составляет:

где N – число штрихов, разделенных промежутками такой же ширины, приходящиеся на 1 мм длинны изображения; k – диафрагменное число

Рис. 23. Соотношение фокусного расстояния и угла поля зрения объективов фотокамер формата 35 мм

Реальные объективы обладают рядом аберраций(от лат. аberration – отклонения, погрешности и дефекты оптического изображения, формируемого оптической системой), которые снижают разрешающую способность объектива.

Разрешающая способность численно выражается количеством линий на 1 мм изображения специальных испытательных таблиц – штриховых или радиальных мир (рис. 24), считая чёрную линию на белом фоне за одну линию. Это значение соответствует количеству линий на 1 мм на участке рисунка, состоящем из наиболее узких белых и черных полос, которые отчетливо различаются на пленке. Таким образом, если в кадре (24×36 мм) можно было различить 1200 горизонтальных чёрных линий, а 1300 уже сливались, говорили что разрешение 50 линий/мм (1200 линий / 24 мм = 50).

Рис. 24. Фотографические миры: радиальная (слева), штриховая (справа)

Понятие о предельно допустимом кружке рассеяния связано с практикой применения радиальной миры, состоящей из черно-белых секторов (рис. 24). Рассматривая ее изображение на негативе или диапозитиве через микроскоп, с помощью микрометрического столика измеряют диаметр нерезкого кружка посередине.

Штриховая мира состоит из полей с группами параллельных штрихов (рис. 24). Рассматривая пленку в микроскоп, можно заметить, в каком элементе штрихи оказываются неразличимыми. Разрешающая способность предшествующего поля с линиями большей ширины дает искомое количественное выражение.

Взаимосвязь значений разрешающей способности, выражаемых через диаметр кружка рассеяния и в лин/мм, приведена в таблице 5.

Таблица 5

Разрешающая способность объективов

Диаметр кружка рассеяния, мм	лин/мм
0,02	573
0,03	382
0,05	229
0,1	115
0,15	76
0,19	60
0,3	38
0,4	29
0,5	23
0,6	19
0,8	14
1,15	10
1,4	8

С появлением цифровой фотографии связано два принципиальных изменения в определении разрешающей способности – во-первых, для унификации с теле-видео-стандартами стали считать одну линию за две (чёрная+белая) и говорить «пар линий»; во-вторых – в связи с разными размерами кадра (матрицы) приводить число линий не к миллиметру, а к короткой стороне кадра. В приведенном выше примере разрешение составило бы 2400 линий/высоту кадра. Типичным способом измерения служит так называемая радиальная мира. В центре все линии сливаются, на окраине – хорошо различимы. В зависимости от разрешения аппарата меняется место «начиная с которого» отдельные линии переходят в серый фон. Различимость линий не дискретна (различимы – неразличимы), а непрерывна – (различимы хорошо, не очень, плохо, очень плохо и т.п.). В реальности происходит снижениеконтрастаизображения с единицы до нуля. Поэтому разные наблюдатели видят переход от «плохо различимы» к «практически не различимы» в разных местах, что усложняет процесс визуального тестирования и ограничивает его точность.

Контрастность – степень различия между участками фотографии с разным уровнем яркости. Если различия между черными и белыми участками воспроизводятся отчетливо, контрастность считается высокой; в противном случае – низкой. Максимальный контраст дает сочетание черного с белым. Как правило, объективы, формирующие высококачественные изображения, характеризуются высоким разрешением и высокой контрастностью.

Частотно-контрастная характеристика(ЧКХ)–(от англ. modulation transfer function –MFT) – это современный способ оценки качества объектива, заключающийся в определении контрастности при воспроизведении.

Рассматривая оптическую систему объектива как «систему передачи оптических сигналов» по аналогии с передачей электрических сигналов аудиосистемой, можно оценить точность передачи оптических сигналов путем измерения частотных характеристик оптической системы. В оптической системе аналогом частоты служит «пространственная частота», которая указывает количество периодов синусоиды определенной плотности на 1 мм. В соответствии с определением пространственная частота измеряется в линиях на мм.

У идеального объектива для некоторой пространственной частоты – выходной сигнал точно соответствует входному сигналу. Принято говорить, что объективы такого типа обеспечивают контрастность 1:1. Однако в связи с аберрациями реальных объективов степень контрастности всегда меньше 1:1. При возрастании пространственной частоты контрастность снижается. При максимальных значениях пространственной частоты различие между черными и белыми участками исчезает, и рисунок становится серым – контрастность отсутствует – 1:0.

Определить характеристики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для изображения в целом можно только на основе данных по нескольким точкам. Поэтому с целью определения характеристик ЧКХ для объективов применительно ко всей области изображения выбраны два типичных значения пространственной частоты: 10 линий/мм и 30 линий/мм. Пример, полученного с применением технологии компьютерного моделирования, графика представлен на рисунке 25, где по горизонтальной оси откладывается расстояние от центра изображения вдоль диагонали кадра (мм), а по вертикальной – контрастность.

Меридиональная плоскость. Плоскость, в которой лежат главный луч, исходящий из точки за пределами оптической оси, и оптическая ось, называется меридиональной плоскостью. Кривая, отражающая характеристики этой плоскости изображения на диаграмме ЧКХ, обозначается буквой «M».

Сагиттальная плоскость. Плоскость, в которой лежит главный луч и перпендикулярная меридиональной плоскости, называется сагиттальной. Кривая, отражающая характеристики этой плоскости изображения на диаграмме ЧКХ, обозначается буквой «S».

Пояснения к диаграмме ЧКХ. Для получения информации об основных рабочих характеристиках объектива по диаграмме ЧКХ необходимо воспользоваться следующими критериями: чем ближе кривая, соответствующая значению 10 линий/мм, к значению 1, тем выше контрастность изображения. Чем ближе кривая, соответствующая значению 30 линий/мм, к значению 1, тем выше разрешающая способность и резкость изображения. Чем меньше различаются характеристики M и S, тем более естественным выглядит размытие фона. Хотя согласованность этих характеристик играет важную роль, в большинстве случаев для оценки качества изображения, воспроизводимого объективом, достаточно обратить внимание на положение кривой, соответствующей пространственной частоте 10 линий/мм: если эта кривая лежит выше значения 0,8, качество изображения будет отличным, если выше значения 0,6 – удовлетворительным.

Рис. 25. График частотно-контрастной характеристики (S– сагиттальная плоскость,M– меридиональная плоскость)

Резкость оптического изображения– степень четкости точек, контуров и деталей изображения. Воспринимаемая человеческим глазом резкость изображения зависит в первую очередь от фактической резкости изображения т.е. от точности фокусировки оптической системы и величины ее аберраций, а также от «разрешающей способности» зрительного анализатора человека, коэффициента увеличения изображения и расстояния рассматривания. В фотографии при съемке пространственных объектов нерезкость оптического изображения связана с невозможностью воспроизведения с одинаковой четкостью (с одинаковым кружком нерезкости) в задней фокальной плоскости разноудаленных точек объекта из-за конечного значения глубины резко изображаемого пространства, создаваемого объективом.

Глубина резкости объектива. В фотографической оптике различают глубины резкости объектива в пространстве предметов – глубина резко изображаемого пространства и в пространстве изображений – глубина фокуса. Глубина резко изображаемого пространства может находиться в пределах от нескольких сантиметров до бесконечно больших расстояний, а глубина фокуса не превышает десятых долей миллиметра (рис. 26). Плоскость, содержащая фокус и перпендикулярная оптической оси, называется фокальной плоскостью. В этой плоскости изображение является резким (в фокусе). Фотографические объективы позволяют настроить фокус таким образом, что световые лучи от объектов, расположенных на конечном расстоянии, сходятся в одной из точек фокальной плоскости.

Рис. 26. Глубина резко изображаемого пространства и глубина фокуса

Кружок рассеяния. Реальные фотографические объективы, обладающие определенной степенью аберраций, неспособны обеспечить идеальное схождения лучей, исходящих из точки объекта, в геометрической точке изображения (т.е. в бесконечно малой точке, имеющей нулевую площадь), следовательно изображение представляет собой композицию реальных (не геометрических) точек, имеющих определенную площадь. Поскольку при увеличении размеров этих точек изображение становится менее резким, они называются «кружками рассеяния». Одним из показателей качества объектива служит минимальная точка, которая может быть сформирована этим объективом –минимальный кружок рассеяния. Конструкция современных объективов обеспечивает минимальный кружок рассеяния диаметром 0,035 мм, это значение используется при расчете различных параметров, в частности, глубины резко изображаемого пространства. Максимально допустимый размер точки в изображении называется –допустимым кружком рассеяния.

Допустимый кружок рассеяния– наибольший кружок рассеяния, воспринимаемый человеком на изображении как «точка». Любую фигуру или группу точек, занимающих в поперечнике не более 0,1 мм, с расстояния 25–30 см глаз человека воспринимает как одну точку. С учетом этого устанавливают допустимые пределы нерезкости фотографического изображения (табл. 6). Для негативов форматом 24×36 мм допустимый кружок рассеяния составляет приблизительно 1/1000–1/1500 диагонали кадра (0,0288–0,0432) для отпечатка 12,5×17,5 см и расстоянии рассматривания 25–30 см.

Таблица 6

Допустимые кружки рассеяния для различных расстояний рассматривания

Расстояние рассматривания, см	Диаметры кружка рассеяния, мм
	минимальный	практический	допустимый
25	0,07	0,10	0,30
30	0,09	0,12	0,36
40	0,12	0,16	0,48
60	0,15	0,20	0,60
75	0,22	0,30	0,90
100	0,29	0,40	1,20
150	0,44	0,60	1,70

Глубина фокуса. Область спереди и сзади от фокальной плоскости, в которой при фотографировании можно получить резкое изображение (диаметр кружка рассеяния не превышает допустимого значения). Глубина фокуса одинакова с обеих сторон фокальной плоскости (рис. 27), не зависит от фокусного расстояния объектива и равна произведению минимального кружка рассеяния на диафрагменное число (F). В современных фотокамерах с автоматической фокусировкой наведение на резкость осуществляется путем определения состояния фокуса в фокальной плоскости и автоматического управления механизмом фокусировки объектива, обеспечивающего локализацию изображения объекта в области глубины фокуса.

Рис. 27. Зависимость глубины фокуса от величины диафрагмы

Глубина резко изображаемого пространства (ГРИП). При съемке разноудаленных объектов с наилучшей резкостью изображается тот объект, на который произведена фокусировка. Однако в связи с допустимой нерезкостью (определяемой допустимым кружком рассеяния) практически резкими получаются объекты, расположенные несколько дальше и несколько ближе него. Таким образом, имеются передняя и задняя границы, между которыми расположено резко изображаемое пространство. Глубина резко изображаемого пространства зависит от фокусного расстояния объектива, значения диафрагмы и съемочного расстояния, если эти значения известны, можно приблизительно оценить границы глубины резко изображаемого пространства (см) из следующих отношений.

где: p₁ –передняя граница резко изображаемого пространства; p₂ – задняя граница резко изображаемого пространства; p – съемочное расстояние (расстояние от фокальной плоскости до объекта); F – диафрагменное число (F); f – фокусное расстояние (fр); d – диаметр допустимого кружка рассеяния.

Если известно гиперфокальное расстояние объектива, можно также воспользоваться следующими отношениями.

В фотографии глубина резко изображаемого пространства характеризуется следующими свойствами.

1. ГРИП возрастает при уменьшении фокусного расстояния и убывает при увеличении фокусного расстояния.

2. ГРИП возрастает при уменьшении относительного отверстия (диафрагмы) и убывает при увеличении относительного отверстия.

3. ГРИП возрастает при увеличении съемочного расстояния и убывает при уменьшении съемочного расстояния.

4. Передняя глубина резкости меньше задней глубины резкости.

Гиперфокальное расстояние. Исходя из концепции глубины резкости, по мере фокусировки объектива на все более удаленных объектах наступает момент, когда задняя граница глубины резкости совпадает с «бесконечно удаленной точкой». Наименьшее съемочное расстояние, при котором «бесконечно удаленная точка» находится в пределах глубины резкости, называется гиперфокальным расстоянием. Гиперфокальное расстояние можно определить из следующего соотношения:

где: f – фокусное расстояние; d – диаметр минимального кружка рассеяния; F – диафрагменное число.

При настройке объектива на гиперфокальное расстояние передняя граница глубины резкости находится на расстоянии, равном половине гиперфокального расстояния, а задняя – в бесконечно удаленной точке.

Аберрации объектива.

Аберрация(от лат. аberration – отклонение) погрешности и дефекты изображения вызывающие различие между идеальным и фактическим изображениями объекта формируемого реальной оптической системой. Аберрации вызваны несовершенством преломляющих и отражающих поверхностей реальных оптических систем.

При конструировании объективов конечной целью является минимизация аберраций, т.е. получение изображения, максимально приближенного к идеальному. Однако даже выполнение сложных вычислений и компьютерного моделирования, при конструировании современных объективов не позволяет полностью устранить все виды аберрации. Поэтому все существующие объективы характеризуются некоторой степенью остаточной аберрации. Тип остаточной аберрации объектива является основным фактором, определяющим характеристики изображений, в частности, резкость и эффект размытости («боке» – данный термин происходит из японского языка и означает «размытость», применяющееся для описания качеств областей изображения, находящихся вне областифокусировки).

Изображение, сформированное идеальным фотографическим объективом, обладало бы следующими характеристиками:

1. Образом точки была бы точка.

2. Образом плоскости, параллельной фокальной плоскости, была бы плоскость.

3. Сформированное изображение имело бы в точности ту же форму, что и объект съемки.

4. Сформированное изображение, имело бы точную цветопередачу.

Явление аберрации подразделяется на два обширных класса: хроматическая аберрация(аберрации, наблюдаемые в непрерывном спектре) имонохроматическая аберрация(аберрации наблюдаемые для конкретных длин волн). В реальных оптических системах обычно наблюдаются комбинации всех аберраций.

Хроматическая аберрация. При прохождении через призму белого света, наблюдается непрерывный спектр радуги. Это явление обусловлено тем, что показатель преломления призмы зависит от длины волны (короткие волны преломляются сильнее, чем длинные). Это явление возникает также в фотографических объективах и поскольку оно связано с различием длин волн, его называют хроматической аберрацией. Существует два типа хроматической аберрации: осевая хроматическая аберрация (продольная хроматическая аберрация, так как она характеризуется продольной ориентацией относительно оптической оси), при которой положение фокуса на оптической оси зависит от длины волны, и хроматическая разность увеличения (поперечная хроматическая аберрация – характеризуется поперечной ориентацией относительно оптической оси), при которой увеличение изображения в периферийной области зависит от длины волны (рис. 28). На фотографиях осевая хроматическая аберрация проявляется в виде размытия цветов и цветных бликов, а хроматическая разность увеличения – в виде цветной окантовки (цветные контуры на объектах). С увеличением фокусного расстояния объектива действие хроматической аберрации усиливается.

Рис. 28. Хроматические аберрации

Монохроматическая аберрация. В 1856 г. немецкий математик Д. Зейдель (D. Seidel), проанализировав аберрацию монохроматического света (одной длины волны) в объективе, обнаружил пять видов аберрации. Эти виды аберрации, описание которых приведено ниже, известны как пять видов аберрации Зейделя: сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля и дисторсия.

Пять видов аберрации Зейделя

1. Сферическая аберрация – заключается в том, что параллельные световые лучи, проходящие вблизи края объектива, сходятся в фокусе ближе к объективу по сравнению со световыми лучами, проходящими через центр объектива (рис. 29). Величина сдвига фокуса вдоль оптической оси называетсяпродольной сферической аберрацией. При сферической аберрации световые лучи, проходящие вблизи оптической оси, формируют резкое изображение точки, а периферийные лучи приводит к образованию блика (ореола), радиус которого называетсяпоперечной сферической аберрацией. Таким образом, сферическая аберрация влияет на всю область изображения, полученное изображение характеризуется низкой контрастностью. Сферическая аберрация свойственна всем объективам состоящим исключительно из сферических элементов.

Рис. 29. Сферическая аберрация

2. Кома– появляется при смещении точки объекта с оптической оси. Световые лучи, входящие в объектив вблизи его края под углом, сходятся не в точке, а в области, имеющей форму кометы (рис. 30). Комета ориентирована радиально, ее хвост может быть направлен к центру или от центра изображения. Смазывание вблизи краев изображения в результате данной аберрации называется пятном комы. Кома усиливается с увеличением угла, под которым главный луч входит в объектив, и приводит к уменьшению контрастности вблизи краев изображения. До некоторой степени можно ослабить действие комы путем уменьшения диафрагмы объектива.

Рис. 30. Кома

3. Астигматизм – аберрация, при которой точка объекта, не лежащая на оптической оси, воспроизводится на изображении не в виде точки, а в виде эллипса или линии (рис. 31). Астигматизм появляется при значительном смещении точки объекта с оптической оси. Астигматизм состоит в том, что не совпадают точки фокусов в меридиональнойF_mи сагиттальнойF_sплоскостях, поэтому лучи бесконечно узкого пучка не сходятся в одной точке. Наилучшее изображение получается на искривленной поверхности, а не на плоскости.

Рис. 31. Астигматизм

4. Кривизна поля– заключается в том, что при фокусировке на плоскую поверхность, параллельную фокальной плоскости, её изображение не является плоским, а искривлено в виде внутренней поверхности чаши (рис. 32). Поэтому при фокусировке по центру кадра углы получаются нерезкими, а при фокусировке на углах – нерезким получается центр изображения.

Рис. 32. Кривизна поля

5. Дисторсия. Одной из характеристик идеального объектива является подобие форм объекта и изображения, формируемого объективом, отклонение от этой характеристики, выражающееся в искажении прямых линий, не проходящих через оптическую ось, называется дисторсией. Это явление обусловлено различием в преломлении главных лучей, проходящих через центр объектива (рис. 33). Растягивание изображения относительно угла поля зрения объектива называется подушкообразной дисторсией (+), сжатие изображения – бочкообразной дисторсией (-). Стандартные зум-объективы, как правило, характеризуются бочкообразной дисторсией при малых значениях фокусного расстояния (в широкоугольном положении) и подушкообразной дисторсией при больших значениях фокусного расстояния (в положении телеобъектива). В процессе изменения фокусного расстояния характеристики дисторсии постепенно изменяются.

Рис. 33. Дисторсия