Наука и технологии в фотографии

Введение

Использование науки и техники в фотографии

Наука фотографии – это применение химии и физики во всех аспектах фотосъемки. Это относится к камере, ее объективам, принципам физической работы камеры, внутренним компонентам электронных камер и процессу проявки пленки для получения и обработки качественных изображений.

Темная камера

Основной технологией большинства видов фотографии, будь то цифровая или аналоговая, является эффект камеры-обскуры и её способность преобразовывать трёхмерную сцену в двухмерное изображение. В самой простой форме камера-обскура представляет собой затемнённый ящик с очень маленьким отверстием в одной из сторон, который проецирует изображение внешнего мира на противоположную стенку. Эта конструкция часто называется стенопегической камерой (или камерой-обскурой с отверстием). При использовании объектива отверстие в камере не обязано быть крошечным для создания чёткого и различимого изображения, а время экспозиции можно сократить, что позволяет снимать с рук.

Линзы

Фотографический объектив обычно состоит из нескольких линз, которые объединяются для уменьшения эффектов хроматической аберрации, комы, сферической аберрации и других искажений. Простым примером служит трехлинзовый триплет Кука, который до сих пор используется спустя более века после его первой разработки, однако многие современные фотографические объективы гораздо сложнее. Использование меньшей диафрагмы может уменьшить большинство, но не все искажения. Их также можно значительно снизить, используя асферический элемент, но их сложнее обрабатывать, чем сферические или цилиндрические линзы. Однако, благодаря современным технологиям производства, дополнительные затраты на изготовление асферических линз снижаются, и небольшие асферические линзы теперь можно изготавливать методом литья, что позволяет использовать их в недорогих потребительских камерах. Линзы Френеля не часто используются в фотографии, но в некоторых случаях применяются из-за их очень малого веса. Недавно разработанный волоконно-оптический моноцентрический объектив состоит из сфер, построенных из концентрических полусферических оболочек из разных сортов стекла, соединенных с фокальной плоскостью пучками оптических волокон. Моноцентрические линзы также пока не используются в камерах, поскольку технология была представлена только в октябре 2013 года на конференции Frontiers in Optics в Орландо, штат Флорида. Любая конструкция объектива – это компромисс между множеством факторов, включая стоимость. Зум-объективы (то есть объективы с переменным фокусным расстоянием) предполагают дополнительные компромиссы и, следовательно, обычно не достигают характеристик объективов с фиксированным фокусным расстоянием. Когда объектив камеры фокусируется на объекте, находящемся на определенном расстоянии, объекты, расположенные ближе к камере, относительно удаленного объекта, также оказываются приблизительно в фокусе. Диапазон расстояний, находящихся вблизи фокуса, называется глубиной резкости. Глубина резкости обычно увеличивается с уменьшением диаметра диафрагмы (увеличением числа f). Нерезкое размытие за пределами глубины резкости иногда используется для создания художественного эффекта в фотографии. Субъективное восприятие этого размытия известно как боке. Если объектив камеры сфокусирован на или за пределы гиперфокального расстояния, то глубина резкости становится большой, охватывая все от половины гиперфокального расстояния до бесконечности. Этот эффект используется в камерах с фиксированным фокусом или без фокусировки.

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.

Отклонение

Аберрации – это размывающие и искажающие свойства оптической системы. Высококачественный объектив производит меньшее количество аберраций. Сферическая аберрация возникает из-за усиления преломления световых лучей при их попадании на линзу или отражения от зеркала у края по сравнению с попаданием вблизи центра. Она зависит от фокусного расстояния сферической линзы и расстояния от её центра. Компенсируется это проектированием многолинзовой системы или использованием асферической линзы. Хроматическая аберрация обусловлена различным показателем преломления линзы для разных длин волн света и зависимостью оптических свойств от цвета. Синий свет обычно преломляется сильнее, чем красный. Существуют хроматические аберрации высшего порядка, например, зависимость увеличения от цвета. Хроматическая аберрация компенсируется использованием линз, изготовленных из материалов, специально разработанных для подавления хроматических аберраций. Искривление фокальной плоскости – это зависимость положения фокуса первого порядка от координат на светочувствительном элементе (пленке или CCD). Это можно компенсировать многолинзовой оптической схемой, но также используется искривление светочувствительного элемента.

Сосредоточься

Фокус – это способность световых лучей сходиться в одной точке на матрице или плёнке, независимо от того, через какую часть линзы они проходят. Для получения чётких снимков фокус настраивается на расстояние, поскольку при изменении расстояния до объекта лучи попадают в разные части объектива под разными углами. В современной фотографии фокусировка часто выполняется автоматически. Система автофокусировки в современных зеркальных фотоаппаратах использует датчик в зеркальном блоке для измерения контраста. Сигнал датчика анализируется специализированной интегральной схемой (ASIC), которая перемещает элементы объектива, стремясь к максимальному контрасту изображения. ASIC в современных камерах также оснащены специальными алгоритмами для прогнозирования движения и другими продвинутыми функциями.

Предельный предел дифракции

Поскольку свет распространяется в виде волн, изображения, формируемые на пленке, подвержены волновому явлению, известному как дифракция, которая ограничивает разрешение изображения деталями порядка нескольких длин волн света. Дифракция является основным фактором, ограничивающим четкость оптических изображений, полученных с помощью объективов с закрытой диафрагмой (высокие значения f), в то время как аберрации ограничивают четкость при открытой диафрагме (низкие значения f). Поскольку дифракцию невозможно устранить, наилучшим объективом для заданных условий работы (значения диафрагмы) является тот, который формирует изображение, качество которого ограничено только дифракцией. Такой объектив называют дифракционно ограниченным. Размер дифракционно ограниченного оптического пятна на CCD-матрице или пленке пропорционален значению диафрагмы (приблизительно равен значению диафрагмы, умноженному на длину волны света, которая составляет около 0,0005 мм), что делает общую детализацию фотографии пропорциональной размеру пленки или CCD-матрицы, деленному на значение диафрагмы. Для 35-мм камеры с f/11 это ограничение соответствует примерно 6000 элементам разрешения по ширине пленки (36 мм / (11 * 0,0005 мм) = 6500). Конечный размер пятна, обусловленный дифракцией, также может быть выражен как критерий различимости удаленных объектов: два удаленных точечных источника могут формировать отдельные изображения на пленке или сенсоре только в том случае, если их угловое расстояние превышает длину волны света, деленную на ширину открытой апертуры объектива камеры.

Желатиновое серебро

Желатино-серебряный процесс – наиболее распространенный химический процесс в черно-белой фотографии и является основополагающим химическим процессом для современной аналоговой цветной фотографии. Поэтому пленки и фотобумаги, доступные для аналоговой фотографии, редко используют какие-либо другие химические процессы для создания изображения.

Дагеротипы

Дагеротип (/d//ə/'/ɡ//ɛər//(//i//.//)//ə/,/t//aɪ//p//, // //(//i//.//)//oʊ// audio=Daguerreotype.wav;) был первым общедоступным фотографическим процессом; он широко использовался в 1840-х и 1850-х годах. "Дагеротип" также обозначает изображение, созданное этим процессом.

Процесс коллодия и амбротип

Коллодийный процесс — один из ранних фотографических процессов. Коллодийный процесс, в основном являющийся синонимом "процесса мокрой коллодиевой пластины", требует, чтобы фотографический материал был покрыт, сенсибилизирован, экспонирован и проявлен в течение примерно пятнадцати минут, что обуславливает необходимость использования портативной темной комнаты при работе в полевых условиях. Коллодий обычно используется во влажном виде, но может применяться и в сухом, ценой значительного увеличения времени экспозиции. Это делало сухую форму непригодной для стандартной портретной съемки большинства профессиональных фотографов XIX века. Поэтому применение сухой формы в основном ограничивалось пейзажной фотографией и другими специализированными задачами, где длительное время экспозиции в несколько минут было допустимо.

Цианотипы

Цианотип — это фотографический процесс печати, который позволяет получать отпечатки циан-синего цвета. Инженеры использовали этот процесс вплоть до XX века как простой и экономичный способ создания копий чертежей, известные как "синьки". В процессе используются два химических вещества: цитрат железа(III) аммония и феррицианид калия.

Платиновые и палладиевые процессы

Платиновые отпечатки, также называемые платинотипами, – это фотографические отпечатки, изготовленные монохромным печатным процессом с использованием платины.

Бихромат жевательной резинки

Бихроматная печать — это фотографический процесс печати XIX века, основанный на светочувствительности дихроматов. Он позволяет получать изображения, напоминающие живопись, из фотографических негативов. Традиционно бихроматная печать — это многослойный процесс, однако удовлетворительные результаты можно получить и за одно нанесение. Для бихроматной печати можно использовать любые цвета, поэтому с помощью этой техники, при нанесении слоев, можно создавать и цветные фотографии.

Ц-печать и цветная пленка

Хромогенная печать, также известная как C-принт или печать типа C, печать на основе галогенидов серебра или печать с использованием красителей, – это фотографическая печать, изготовленная из цветного негатива, позитива или цифрового изображения и проявленная с использованием хромогенного процесса. Она состоит из трех слоев желатина, каждый из которых содержит эмульсию галогенида серебра, используемую в качестве светочувствительного материала, и различные цветообразующие компоненты для субтрактивного формирования цвета, которые в процессе проявления вместе создают полноцветное изображение.

Цифровые датчики

Изобразительный датчик – это сенсор, который обнаруживает и передает информацию, используемую для формирования изображения. Он делает это, преобразуя переменную интенсивность световых волн (при прохождении через объекты или их отражении) в сигналы – кратковременные импульсы тока, несущие эту информацию. Волны могут быть световыми или представлять собой другое электромагнитное излучение. Изобразительные датчики используются в электронных устройствах формирования изображений как аналогового, так и цифрового типа, включая цифровые камеры, модули камер, камеры в телефонах, устройства оптических мышей [1][2][3], медицинское оборудование для визуализации, приборы ночного видения, такие как тепловизоры, радары, сонары и другие. С развитием технологий электронная и цифровая визуализация все чаще заменяет химическую и аналоговую.

Размытость движения

Размытие движения возникает, когда камера или объект движется во время экспозиции. Это вызывает характерное полосатое изображение движущегося объекта или всей фотографии (в случае дрожания камеры). Размытие движения можно использовать в художественных целях для создания ощущения скорости или движения, например, при съемке текущей воды. Примером этого является техника "панорамирования", когда камера перемещается вслед за объектом, который обычно движется быстро, например, за автомобилем. При правильном выполнении это дает четкое изображение объекта, но фон будет размыт, создавая ощущение движения. Это одна из наиболее сложных фотографических техник, требующая плавного и точного движения. Объект, приближающийся или удаляющийся от камеры, может также вызывать трудности с фокусировкой. Световые следы – еще один фотографический эффект, использующий размытие движения. Фотографии линий света, видимых на ночных снимках дорог, являются примером этого эффекта. Он возникает из-за движения автомобилей во время экспозиции. Тот же принцип применяется для создания фотографий звездных трасс. Как правило, размытия движения следует избегать, и это можно сделать несколькими способами. Самый простой способ – ограничить время выдержки, чтобы минимизировать перемещение изображения во время экспозиции. При использовании более длинных фокусных расстояний даже небольшое движение камеры приведет к большему размытию, поэтому требуется более короткая выдержка. Распространенное эмпирическое правило гласит, что выдержка в секундах должна быть приблизительно равна обратной величине эквивалентного фокусного расстояния объектива в миллиметрах (для кадра 35 мм). Например, для объектива 50 мм следует использовать минимальную выдержку 1/50 секунды, а для объектива 300 мм – 1/300 секунды. Это может быть проблематично при съемке в условиях низкой освещенности, поскольку уменьшение времени выдержки также снижает экспозицию. Размытие движения, вызванное движением объекта, обычно можно предотвратить, используя более короткую выдержку. Конкретная выдержка будет зависеть от скорости движения объекта. Например, для "заморозки" лопастей вертолета потребуется очень короткая выдержка, в то время как для съемки бегущего человека будет достаточно более медленной выдержки. Для предотвращения размытия движения, вызванного дрожанием камеры, можно использовать штатив. Он стабилизирует камеру во время экспозиции. Штатив рекомендуется использовать при выдержках более 1/15 секунды. Существуют дополнительные методы, которые в сочетании со штативом обеспечивают максимальную неподвижность камеры. Они могут включать использование дистанционного пульта, такого как тросик или инфракрасный пульт дистанционного управления, для активации затвора, чтобы избежать движения, вызванного нажатием на кнопку спуска затвора. Использование "автоспуска" (механизма с задержкой, который автоматически срабатывает затвор через заданный интервал времени) может служить той же цели. Большинство современных однообъективных зеркальных камер (SLR) оснащены функцией блокировки зеркала, которая устраняет небольшую вибрацию, возникающую при подъеме зеркала.

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.

Разрешение зерна пленки

Черно-белая пленка имеет "блестящую" и "тусклую" стороны. Тусклая сторона – это эмульсия, желатин, в котором находятся кристаллы галогенида серебра. Эти кристаллы содержат зерна серебра, определяющие светочувствительность пленки, а также то, насколько мелким или зернистым будет негатив и отпечаток. Более крупные зерна обеспечивают более быструю экспозицию, но и более выраженную зернистость; меньшие зерна дают более гладкое изображение, но требуют большей экспозиции для проявления. Зернистость пленки характеризуется светочувствительностью ISO, обычно кратной 10 или 100. Меньшие значения ISO соответствуют более мелкозернистой, но более медленной пленке, и наоборот.

Квантовая эффективность

Свет состоит из частиц, и энергия частицы света (фотона) равна произведению частоты света на постоянную Планка. Фундаментальным свойством любого фотографического метода является способ сбора света на фотопластинку или электронный детектор.

КПК и другие фотодиоды

Фотодиоды — это полупроводниковые диоды с обратным смещением, в которых внутренний слой с очень малым количеством носителей заряда препятствует протеканию электрического тока. В зависимости от материала, фотоны обладают достаточной энергией, чтобы перевести один электрон из верхней заполненной зоны в нижнюю свободную зону. Электрон и "дырка" – то есть, пустое место, которое он покинул – затем могут свободно двигаться в электрическом поле и переносить ток, который можно измерить. Доля падающих фотонов, генерирующих пары носителей заряда, в значительной степени зависит от полупроводникового материала.

Трубки фотоумножителя

Фотоэлектронные умножители – это вакуумные фототрубки, усиливающие свет за счет ускорения фотоэлектронов для высвобождения дополнительных электронов с ряда электродов. Они являются одними из самых чувствительных детекторов света, но не подходят для фотосъемки.

Алиасинг

Алиасинг может возникать при оптической и химической обработке, но он более распространен и легче объясняется в цифровой обработке. Он возникает всякий раз, когда оптическое или цифровое изображение сэмплируется или передискретизируется с частотой, недостаточной для его разрешения. Некоторые цифровые камеры и сканеры оснащены антиалиасинговыми фильтрами для уменьшения алиасинга путем намеренного размытия изображения, чтобы оно соответствовало частоте сэмплирования. При увеличении изображений с пленки для получения отпечатков разных размеров, алиасинг часто приводит к увеличению зернистости на отпечатках меньшего размера. Как правило, желательно подавлять как шумы, такие как зернистость, так и детали реального объекта, которые слишком малы для представления при данной частоте сэмплирования.