Фотосуретте ғылым мен технологияның қолданылуы

Кіріспе

Фотографияда ғылым мен технологияның қолданылуы

Фотография ғылымы – фотосуреттерді түсірудің барлық сатысында химия мен физика принциптерін пайдалану. Бұл камераға, оның линзаларына, камераның физикалық жұмыс істеу механизміне, электрондық құрылымдарына, сондай-ақ суреттерді дұрыс түсіру және дамыту үшін пленканы өңдеу процесіне қатысты.

Қара камера

Көптеген фотосуреттердің негізгі технологиясы, цифрлық немесе аналогты болсын, камера обскура эффектісі және оның үш өлшемді көріністі екі өлшемді бейнеге түрлендіру қабілеті болып табылады. Ең қарапайым түрінде, камера обскура – бір жағында өте кішкентай тесігі бар қараңғы қораптан тұрады, ол сыртқы әлемнен кескінді қарама-қарсы бетке проекциялайды. Бұл түр көбінесе стенокамера деп аталады. Линзаның көмегімен камерадағы тесік өте кішкентай болмаса да, кескінді анық әрі айқын жасауға болады, сонымен қатар экспозиция уақытын қысқартуға мүмкіндік туады, бұл камераларды қолмен ұстауға ыңғайлы жағдай жасайды.

Линзалар

Фотографиялық линза әдетте бірнеше линза элементтерінен тұрады, олар хроматикалық аберрация, кома, сфералық аберрация және басқа да аберрациялардың әсерін азайту үшін біріктіріледі. Қарапайым мысал – үш элементтен тұратын Кук триплеті, ол алғашқы құрастырылғаннан кейін бір ғасырдан астам уақыттан бері қолданылып келеді, бірақ қазіргі көптеген фотографиялық линзалар әлдеқайда күрделі. Кішкентай диафрагманы пайдалану көптеген, бірақ барлық аберрацияларды емес, азайтады. Оларды асфералық элементтерді қолдану арқылы да күрт қысқартуға болады, бірақ оларды майлау шар немесе цилиндрлі линзаларға қарағанда қиын. Дегенмен, қазіргі заманғы өндіріс технологияларының арқасында асфералық линзаларды өндіруге кететін қосымша шығын төмендеп келеді, ал кішкентай асфералық линзаларды қазір қалыптау арқылы жасауға болады, бұл оларды қолжетімді тұтынушы камераларында пайдалануға мүмкіндік береді. Френель линзалары фотографияда жиі қолданылмайды, бірақ кейбір жағдайларда олардың өте жеңіл салмағы үшін қолданылады. Жақында жасалған талшықтармен байланысты моноцентрлі линзалар әртүрлі шынылардан жасалған концентрлі жарты шар қабықшаларынан тұратын сфералардан құралған, олар оптикалық талшықтар шоғыры арқылы фокус жазықтығымен байланысқан. Моноцентрлі линзалар да камераларда қолданылмайды, себебі бұл технология 2013 жылдың қазан айында Флорида штатының Орландо қаласында өткен Frontiers in Optics конференциясында ғана таныстырылды. Барлық линза дизайны – сан алуан факторлардың арасындағы келісім, оның ішінде құн да бар. Зум линзалары (яғни өзгермелі фокус қашықтығы бар линзалар) қосымша келісімдерді қажет етеді, сондықтан олардың өнімділігі әдетте тұрақты фокус қашықтығы бар линзалардың өнімділігіне жете алмайды. Камера линзасы бірнеше қашықтықтағы объектіні пленкаға немесе детекторға бейнелегенде, алыс объектіге шамалы жақын объектілер де шамамен фокусқа түседі. Фокусқа жақын қашықтықтардың диапазоны тереңдік деп аталады. Тереңдік әдетте диафрагма диаметрінің кішіреюімен (f санының артуымен) ұлғаяды. Тереңдіктен тыс бұлыңғырлық кейде фотографияда көркемдік эффект үшін қолданылады. Бұл бұлыңғырлықтың субъективті көрінісі боке деп аталады. Егер камера линзасы гиперфокалды қашықтықта немесе одан да алысқа бағытталса, тереңдік кеңейеді, гиперфокалды қашықтықтың жартысынан бастап шексіздікке дейін барлық нәрсені қамтиды. Бұл эффект "фокуссыз" немесе тұрақты фокусқа ие камераларды жасау үшін қолданылады.

A photographic lens is usually composed of several lens elements, which combine to reduce the effects of chromatic aberration, coma, spherical aberration, and other aberrations. A simple example is the three element Cooke triplet, still in use over a century after it was first designed, but many current photographic lenses are much more complex. Using a smaller aperture can reduce most, but not all aberrations. They can also be reduced dramatically by using an aspheric element, but these are more complex to grind than spherical or cylindrical lenses. However, with modern manufacturing techniques the extra cost of manufacturing aspherical lenses is decreasing, and small aspherical lenses can now be made by molding, allowing their use in inexpensive consumer cameras. Fresnel lenses are not common in photography are used in some cases due to their very low weight. The recently developed Fiber coupled monocentric lens consists of spheres constructed of concentric hemispherical shells of different glasses tied to the focal plane by bundles of optical fibers. Monocentric lenses are also not used in cameras because the technology was just debuted in October 2013 at the Frontiers in Optics Conference in Orlando, Florida. All lens design is a compromise between numerous factors, not excluding cost. Zoom lenses (i. e. lenses of variable focal length) involve additional compromises and therefore normally do not match the performance of prime lenses. When a camera lens is focused to project an object some distance away onto the film or detector, the objects that are closer in distance, relative to the distant object, are also approximately in focus. The range of distances that are nearly in focus is called the depth of field. Depth of field generally increases with decreasing aperture diameter (increasing f number). The unfocused blur outside the depth of field is sometimes used for artistic effect in photography. The subjective appearance of this blur is known as bokeh. If the camera lens is focused at or beyond its hyperfocal distance, then the depth of field becomes large, covering everything from half the hyperfocal distance to infinity. This effect is used to make "focus free" or fixed focus cameras.

Аберрация

Аберрациялар – оптикалық жүйенің бұрмалау және шашырату қасиеттері. Жоғары сапалы линза аберрацияны аз шығарады. Сфералық аберрация жарық сәулелері линзаға тигенде немесе айнаның шетіне жақын тигенде болатын жарық сәулелерінің күшейген сынуынан туындайды, бұл орталыққа жақын тиген сәулелерге қарағанда өзгеше болады. Бұл шар тәрізді линзаның фокус арақашықтығына және оның ортасынан қашықтығына байланысты. Оны көп линзалы жүйе құрастыру арқылы немесе асфералық линза қолдану арқылы түзетуге болады. Хроматикалық аберрация жарықтың әртүрлі толқын ұзындығындағы сыну көрсеткішінің линзада әртүрлі болуынан және оптикалық қасиеттердің түске тәуелділігінен туындайды. Көк жарық, әдетте, қызыл жарықтан көбірек бұрылады. Магнификацияның түске тәуелділігі сияқты жоғары ретті хроматикалық аберрациялар да бар. Хроматикалық аберрацияны жою үшін хроматикалық аберрацияны өтеу үшін мұқият жасалған материалдардан жасалған линза қолданылады. Иілген фокус жазықтығы – пленкадағы немесе CCD-дегі орнына байланысты бірінші реттік фокус. Бұл көп линзалы оптикалық жүйемен түзетілуі мүмкін, сонымен қатар пленканы иіп пайдалану да қолданылған.

Назар аудару

Фокус – жарық сәулелерінің линза арқылы қай жерден өткеніне қарамастан, бейне сенсоры немесе пленканың бір нүктесіне жиналу қабілеті. Анық суреттерге қол жеткізу үшін фокус қашықтыққа сәйкес реттеледі, себебі нысанның қашықтығы өзгергенде сәулелер линзаның әртүрлі бөліктеріне әртүрлі бұрыштармен түседі. Көбінесе қазіргі фотосуретте фокус автоматты түрде жасалады. Қазіргі заманғы SLR камераларындағы автофокус жүйесі контрасты өлшеу үшін айнаның ішіндегі сенсорды пайдаланады. Сенсор берген сигналға арнайы интегралдық схема (ASIC) талдау жүргізеді, ал ASIC линза элементтерін жылдыру арқылы контраст үлгісін максималды деңгейге көтеруге тырысады. Қазіргі заманғы камералардағы ASIC-терде қозғалысты болжауға арналған арнайы алгоритмдер және басқа да жетілдірілген мүмкіндіктер қарастырылған.

Дифракциялық шек

Жарық толқындар ретінде таралғандықтан, ол пленкада құрайтын бейнелер дифракция деп аталатын толқын құбылысына тәуелді болады, бұл бейненің ажыратымдылығын жарықтың толқын ұзындығынан бірнеше есе үлкен ерекшеліктермен шектейді. Дифракция – кішкентай диафрагмаларға (жоғары f сандары) дейін азайтылған линзалардан алынған оптикалық бейнелердің қалыптылығын шектейтін басты фактор, ал үлкен диафрагмалар (төмен f сандары) кезінде аберрациялар шектеуші рөл атқарады. Дифракцияны жою мүмкін болмағандықтан, белгілі бір жұмыс жағдайында (диафрагма параметрлерінде) ең жақсы линза – бұл бейне сапасы тек дифракциямен ғана шектелген линза болып табылады. Мұндай линза дифракциялық шектеулі деп аталады. CCD немесе пленкадағы дифракциялық шектеулі оптикалық нүктенің мөлшері f санына пропорционалды (шамамен f саны жарықтың толқын ұзындығына көбейтілгенге тең, бұл 0,0005 мм-ге жуық), бұл фотосуреттегі жалпы ерекшеліктердің пленканың немесе CCD өлшеміне f санына бөлінген шамасына пропорционалды екенін көрсетеді. 35 мм камера үшін бұл шек пленка ені бойынша шамамен 6000 ажыратымдылық элементіне сәйкес келеді (36 мм / (11 * 0,0005 мм) = 6500). Дифракция тудырған шекті нүктенің мөлшері алыс объектілерді ажырату критерийі ретінде де қарастырылуы мүмкін: екі алыс нүктелік көздер пленкада немесе сенсорда бөлек бейнелерді тек олардың бұрыштық арақашықтығы камера линзасының ашық диафрагмасының еніне бөлінген жарықтың толқын ұзындығынан асып кеткен жағдайда ғана құрай алады.

Желатинді күміс

Желатинді күміс процесі – қара-ақ фотосуреттегі ең көп қолданылатын химиялық процесс, сондай-ақ қазіргі заманғы аналогты түсті фотосуреттің негізгі химиялық процесі болып табылады. Осы себепті, аналогты фотосуретке арналған пленкалар мен басып шығару қағаздары көбінесе суретті жазу үшін басқа химиялық процестерге тәуелді болмайды.

Дагеротиптер

Дагеротип (/d//ə/'/ɡ//ɛər//(//i//.//)//ə/,/t//aɪ//p//, // //(//i//.//)//oʊ// audio=Daguerreotype.wav;) – алғашқы көпке қолжетімді фотосуреттеу процесі; ол 1840 және 1850 жылдары кеңінен қолданылды. "Дагеротип" сөзі осы процесс арқылы жасалған суретті де білдіреді.

Коллодион процесі мен амбротип

Коллодиялық процесс – ерте фотосуретке түсіру процесі. Коллодион процесі, көбінесе "коллодион ылғалды пластина процесі" деп аталады, фотоматериалды шамамен он бес минут ішінде жабуды, сезімталдандыруды, экспозициялауды және дамытуды талап етеді, сондықтан дала жұмыстары үшін портативті қараңғы бөлме қажет. Коллодион әдетте ылғал күйде қолданылады, бірақ оны құрғақ күйде де қолдануға болады, бірақ бұл экспозиция уақытын күрт ұзартуға әкеледі. Соңғысы құрғақ нысанын 19 ғасырдың көптеген кәсіби фотографтарының әдеттегі портреттеріне қолайсыз етті. Сондықтан құрғақ нысанды қолдану көбінесе пейзажға түсіру және басқа да арнайы қолданулармен шектелді, онда бірнеше минуттық экспозиция уақыты қабылданатын болды.

Цианотиптер

Цианотип – суретті көк түспен шығаратын фотографиялық басу процесі. Инженерлер бұл процесті 20-шы ғасырға дейін сызбалардың көшірмелерін жасау үшін, оларды "көк сызбалар" деп те атады, қарапайым және төмен құнмен қолданды. Процесте екі химиялық зат пайдаланылады: темір аммоний цитраты және калий феррицианиді.

Платина және палладий процестері

Платиналық баспалар, сондай-ақ платинотиптер деп те аталады, платина қолданылатын монохромды басып шығару процесі арқылы жасалған фотосуреттер.

Қиындықты біхромат

Гум бихроматы – 19 ғасырдағы фотографиялық басып шығару процесі, дихроматтардың жарыққа сезімталдығына негізделген. Ол фотосуреттердің негативтерінен суретшінің қолымен салғандай бейнелерді шығаруға мүмкіндік береді. Гум басып шығару дәстүрлі түрде көп қабатты процесс болғанымен, бір рет басып шығару арқылы да қанағаттанарлық нәтижелерге қол жеткізуге болады. Гум басып шығару үшін кез келген түсті пайдалануға болады, сондықтан осы техниканы қабаттап қолдану арқылы табиғи түсті фотосуреттерді де алуға болады.

С-басулар және түсті пленкалар

Хромогендік баспа, сонымен қатар C баспасы немесе C типті баспа, күміс галоидты баспа немесе бояу жұптастырғыш баспа деп те аталады, – түсті теріс, диапозитив немесе цифрлық кескіннен жасалған және хромогендік әдіспен дамытылған фотографиялық баспа. Олар үш қабатты желатиннен тұрады, әрқайсысы жарыққа сезімтал материал ретінде қолданылатын күміс галоид эмульсиясымен және бірлесіп дамытылғанда толық түсті кескін құрайтын, әртүрлі түс жұптастырғыштармен жабдықталған.

Цифрлық сенсорлар

Бейне сенсоры немесе бейнелеуіш – сурет жасау үшін қолданылатын ақпаратты анықтап, жеткізетін сенсор. Ол жарық толқындарының өзгеретін күшін (объектілер арқылы өтетін немесе олардан шағылысқан кезде) сигналдарға, яғни ақпаратты жеткізетін шағын ток импульстарына айналдырады. Бұл толқындар жарық немесе басқа электромагниттік сәулелену болуы мүмкін. Бейне сенсорлары аналогтық және цифрлық типтегі электрондық бейнелеу құрылғыларында қолданылады, оларға цифрлық камералар, камера модульдері, камералы телефондар, оптикалық тышқандар [1] [2] [3], медициналық бейнелеу жабдықтары, түнгі көру құралдары (мысалы, жылуды бейнелейтін құрылғылар), радар, сонар және басқалары жатады. Технология дамыған сайын, химиялық және аналогтық бейнелеу электрондық және цифрлық бейнелеумен ауыстырылуда.

Қозғалыс бұзылуы

Қозғалыс бұлыңғырлығы камера немесе нысан экспозиция кезінде қозғалғанда пайда болады. Бұл қозғалатын нысанға немесе бүкіл суретке (камераның дірілінен туған жағдайда) ерекше сызықты көрініс береді. Қозғалыс бұлыңғырлығын су ағыны сияқты жылдамдық немесе қозғалыс сезімін беру үшін көркемдік мақсатта қолдануға болады. Мысалы, "панинг" әдісін қарастырайық. Дұрыс орындалғанда, нысан анық болады, бірақ фон бұлыңғырланып, қозғалыс сезімін тудырады. Бұл фотосурет техникасының қиын түрлерінің бірі, себебі қозғалыс тегіс және дұрыс жылдамдықпен болуы керек. Камераға жақындаған немесе алыстаған нысан фокусқа алу қиындықтарын тудыруы мүмкін. Жарық іздері – қозғалыс бұлыңғырлығы қолданылатын тағы бір фотоэффект. Түнде жолдарды ұзақ экспозициямен түсіргенде көрінетін жарық сызықтары осы эффекттің мысалы. Бұл экспозиция кезінде жолмен қозғалатын көліктердің әсерінен туындайды. Сол принцип жұлдыз іздерін жасау үшін де қолданылады. Жалпы, қозғалыс бұлыңғырлығынан аулақ болу қажет, және мұны әртүрлі тәсілдермен істеуге болады. Ең оңайы – жапқыштың уақытын шектеу, яғни жапқыш ашық тұрғанда суретте қозғалыс болмауына көз жеткізу. Ошағы ұзақ болса, камераның сол қозғалысы суретте көбірек бұлыңғырлыққа себеп болады, сондықтан жапқыштың уақытын қысқарту керек. Жиі айтылатын ереже бойынша, жапқыш жылдамдығы секундтармен өлшенгенде линзаның 35 мм-ге эквивалентті ошақтық қашықтығының миллиметрдегі кері шамасына тең болуы керек. Мысалы, 50 мм линзаны кемінде 1/50 секундтық жылдамдықпен, ал 300 мм линзаны 1/300 секундтық жылдамдықпен пайдалану керек. Бұл жарық жеткіліксіз болған жағдайда қиындық тудыруы мүмкін, себебі жапқыштың уақытымен бірге экспозиция да төмендейді. Нысанның қозғалысынан туындайтын қозғалыс бұлыңғырлығын болдырмау үшін көбінесе жылдам жапқыш жылдамдығын қолдану жеткілікті. Дәл жапқыш жылдамдығы нысанның қозғалу жылдамдығына байланысты болады. Мысалы, тікұшақтың пернелерін "қатыру" үшін өте жылдам жапқыш жылдамдығы қажет, ал жүгірушіні қатыру үшін баяу жапқыш жылдамдығы жеткілікті. Камераның дірілінен туындайтын қозғалыс бұлыңғырлығын болдырмау үшін штатив пайдалануға болады. Штатив экспозиция кезінде камераны тұрақтандырады. Экспозиция уақыты 1/15 секундтан артық болғанда штативті пайдалану ұсынылады. Штативпен бірге қолданылатын қосымша техникалар камераның толыққанды тұруын қамтамасыз етеді. Олар сымды немесе инфрақызыл қашықтан басқару құрылғысын қолдануы мүмкін, бұл жапқыштың босату батырмасын тікелей басудан туындайтын қозғалысты болдырмауға көмектеседі. "Автоматты таймер" (белгілі бір уақыттан кейін жапқышты автоматты түрде ашатын таймерлі механизм) да сол мақсатқа қызмет ете алады. Көптеген заманауи бір линзалы рефлекстік камералар (SLR) айнаны бұру мүмкіндігіне ие, бұл айнаның жоғары көтерілуінен туындайтын шағын дірілді жояды.

Motion blur is caused when either the camera or the subject moves during the exposure. This causes a distinctive streaky appearance to the moving object or the entire picture (in the case of camera shake). Motion blur can be used artistically to create the feeling of speed or motion, as with running water. An example of this is the technique of "panning", where the camera is moved so it follows the subject, which is usually fast moving, such as a car. Done correctly, this will give an image of a clear subject, but the background will have motion blur, giving the feeling of movement. This is one of the more difficult photographic techniques to master, as the movement must be smooth, and at the correct speed. A subject that gets closer or further away from the camera may further cause focusing difficulties. Light trails are another photographic effect where motion blur is used. Photographs of the lines of light visible in long exposure photos of roads at night are one example of the effect. This is caused by the cars moving along the road during the exposure. The same principle is used to create star trail photographs. Generally, motion blur is something that is to be avoided, and this can be done in several different ways. The simplest way is to limit the shutter time so that there is very little movement of the image during the time the shutter is open. At longer focal lengths, the same movement of the camera body will cause more motion of the image, so a shorter shutter time is needed. A commonly cited rule of thumb is that the shutter speed in seconds should be about the reciprocal of the 35 mm equivalent focal length of the lens in millimeters. For example, a 50 mm lens should be used at a minimum speed of 1/50 sec, and a 300 mm lens at 1/300 of a second. This can cause difficulties when used in low light scenarios, since exposure also decreases with shutter time. Motion blur due to subject movement can usually be prevented by using a faster shutter speed. The exact shutter speed will depend on the speed at which the subject is moving. For example, a very fast shutter speed will be needed to "freeze" the rotors of a helicopter, whereas a slower shutter speed will be sufficient to freeze a runner. A tripod may be used to avoid motion blur due to camera shake. This will stabilize the camera during the exposure. A tripod is recommended for exposure times more than about 1/15 seconds. There are additional techniques which, in conjunction with use of a tripod, ensure that the camera remains very still. These may employ use of a remote actuator, such as a cable release or infrared remote switch to activate the shutter, so as to avoid the movement normally caused when the shutter release button is pressed directly. The use of a "self timer" (a timed release mechanism that automatically trips the shutter release after an interval of time) can serve the same purpose. Most modern single lens reflex camera (SLR) have a mirror lock up feature that eliminates the small amount of shake produced by the mirror flipping up.

Қиындықтың түсі

Қара-ақ фильмнің "жарық" және "мата" жақтары бар. Мата жағы – күміс галоид кристалдарының жиынтығын ұстап тұратын желатин. Бұл кристалдарда фильмнің жарыққа қаншалықты сезімтал екенін және негативтің қаншалықты ұсақ немесе түйіршікті болатынын анықтайтын күміс түйіршіктері бар. Ірі түйіршіктер жылдам жарық сезімталдығын білдіреді, бірақ түйіршікті кескінді береді; кіші түйіршіктер ұсақ кескінді береді, бірақ оларды белсендіру үшін көбірек жарық қажет. Фильмнің түйіршіктілігі оның ISO көрсеткішімен белгіленеді; әдетте 10 немесе 100 еселігі. Төмен көрсеткіштер ұсақ түйіршікті, бірақ баяу фильмді, ал жоғары көрсеткіштер керісінше береді.

Кванттық тиімділік

Жарық бөлшектер түрінде келеді және жарық бөлшегінің (фотонның) энергиясы – жарықтың жиілігі мен Планк тұрақтысының көбейтіндісі. Кез келген фотосуреттеу әдісінің маңызды қасиеті – жарықты фотосуреттік тақтаға немесе электрондық детекторға қалай жинауы.

CCD және басқа фотодиодтар

Фотодиодтар – кері бұрылысқа қосылған жартылай өткізгіш диодтар, олардағы заряд тасымалдаушыларының өте аз саны электр тогының өтуіне кедергі келтіреді. Материалға қарай, фотондар бір электронды толық толған жоғарғы белдеуден ең төменгі бос белдеуге көтеруге жеткілікті энергияға ие болады. Содан кейін электрон және "бос орын" яғни, электронның бұрын болған жері, электр өрісінде еркін қозғалып, өлшенетін ток жүргізеді. Көрініс фотондарының қанша пайызы заряд тасымалдаушы жұптарын құрайтыны жартылай өткізгіш материалға көп байланысты.

Фотокөбейтуші түтіктер

Фотокөбейтуші түтіктер – фотоэлектрондарды үдетіп, бірнеше электродтардан қосымша электрондарды шығару арқылы жарықты күшейтетін вакуумдық фототүтіктер. Олар ең жоғары сезімтал жарық детекторы болып табылады, бірақ фотосуретке түсіруге жарамды емес.

Аталық атауы

Алиазинг оптикалық және химиялық өңдеуде кездесуі мүмкін, бірақ ол цифрлық өңдеуде көбірек таралған және түсіну оңай. Бұл оптикалық немесе цифрлық бейненің ажыратымдылығы үшін жеткіліксіз төмен жиілікте үлгіленуі немесе қайта үлгіленуі кезінде пайда болады. Кейбір цифрлық камералар мен сканерлерде антиалиазингтік сүзгілер болады, олар бейнені әдейі бұрмалау арқылы алиазингті азайтады, осылайша үлгілеу жиілігімен сәйкестікке жеткізеді. Әртүрлі өлшемдегі басылымдар жасау үшін қолданылатын фотопленканы проявкалайтын жабдықтар кішірек өлшемдегі басылымдардың зернистілігін алиазинг арқылы арттыруы мүмкін. Әдетте, үлгілеу жиілігімен бейнелеуге тым кішкентай нақты нысанның зерлері мен егжей-тегжейлері сияқты шуларды жою қажет.