Свет в фотографии. Особенности его восприятия

Фотографический метод основан на воздействии энергии света на светочувствительные материалы или устройства. Свет представляет собой один из видов электромагнитных колебаний с большой частотой () и малой длиной волны (λ). Он испускается и поглощается телами отдельными прерывистыми порциями определенной величины – квантами или фотонами. Величина энергии фотона (ε) зависит от частоты света (числа колебаний световой волны за единицу времени):

где – частота световой волны;

h – постоянная Планка.

По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. Он проявляет свойства как волны, так и частицы. На волновые свойства света указывают такие явления, как интерференция и дифракция, различная преломляемость световых лучей и др. В то же время, явления, связанные с поглощением и излучением света веществом (явление фотоэлектрического эффекта, люминесценции), находят объяснение лишь на основе квантовой теории света. Явление фотоэффекта состоит в том, что под действием света в металлическом проводнике возникает электрический ток (данное явление используется в фотоэлементах).

Кроме частоты колебаний, свет характеризуется и определенной длиной волны:

где λ – длина волны,

с – скорость распространения света в пустоте,

– частота колебаний. Длина волны измеряется в нанометрах (в миллионных долях миллиметра – нм), 1 нм = 10^-9 м.

Электромагнитное излучение с длиной волны 400-700 нм, попадая на сетчатку глаза человека, вызывает зрительные ощущения и называется видимым, а данный диапазон излучения – оптическим. Помимо видимых в природе существуют и невидимые излучения, которые не вызывают зрительных ощущений. Это радиоволны, инфракрасные лучи с длиной волны большей, чем у видимых (λ от 700 до 1000000 нм); ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньшей, чем у видимых (λ от 10 до 400 нм), рентгеновские лучи, которые также находят применение в фотографии при проведении научных исследований (в том числе и в криминалистике).

Все электромагнитные излучения составляют спектр электромагнитных волн, где видимый свет занимает сравнительно узкий участок (см. рис. 10).

Рис. 10. Спектр электромагнитных колебаний

Зрительные ощущения, вызываемые видимым светом, могут быть разными. Излучения определенной длины волны воспринимаются глазом в виде различных цветовых оттенков. Одноцветные излучения принято называть монохроматическими. Глаз человека способен различать множество излучений с различными цветовыми оттенками, главные из которых – фиолетовые, синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые и красные.

В совокупности все монохроматические излучения видимого участка спектра воспринимаются по-разному. Свет сложного спектрального состава, содержащий в себе все видимые лучи, воспринимается как белый свет. Примером белого света является естественный свет солнца или свет от обычных ламп накаливания. Проанализировать состав белого света можно при помощи призмы (рис. 11).

Лучи света, попадая на грань призмы, отклоняются в сторону широкой ее части. Если спроецировать их на экран, то можно наблюдать растянутую полоску с непрерывно меняющейся окраской – спектр. В спектре присутствуют непрерывно переходящие один в другой следующие цветовые оттенки: красный (620-720 нм), оранжевый (580-625 нм), желтый (560-580 нм), зеленый (500-560 нм), голубой (470-500 нм), синий (430-470 нм), фиолетовый (380-430 нм).

Рис. 11. Спектр видимого света

В некоторых случаях свет сложного спектрального состава имеет какой-либо цветовой оттенок. Он содержит неодинаковое количество всех излучений видимого спектра, а его цветность определяется преобладающим в нем монохроматическим излучением.

Максвеллом предложена трехцветная теория зрения, которая лежит в основе современной цветной фотографии. Согласно данной теории, все цветовые оттенки, существующие в природе, получают, смешивая в различных пропорциях излучения трех спектральных зон видимого спектра: синей (400-500 нм), зеленой (500-600 нм) и красной (600-700 нм). Так, желтый цвет получают, смешивая красные и зеленые лучи, голубой – зеленые и синие, а пурпурный – красные и синие. Излучения синей, зеленой и красной спектральных зон получили название первичных или основных цветов, а желтые, пурпурные и голубые излучения – дополнительных к основным.

Белый свет получают при оптическом смешении излучений трех основных цветов (С, З, К) либо излучений основного цвета и дополнительного к нему, например, синего и желтого, красного и голубого, зеленого и смешанных в определенном соотношении фиолетовых и красных (пурпурного).

В фотографии используют различные источники света, осветительные приборы: источники естественного освещения (солнце); источники искусственного освещения (лампы накаливания, люминесцентные, импульсные лампы и др.). Одни из них излучают свет в нагретом состоянии, другие в холодном. Помимо различной интенсивности все они имеют неодинаковый спектральный состав излучения. Солнечный свет, например, помимо теплового воздействия способен вызывать загар. В его спектре преобладают коротковолновые ультрафиолетовые и сине-голубые лучи. В зависимости от времени дня и от состояния погоды (прямой солнечный свет или свет, рассеянный атмосферой) изменяется и спектральный состав излучаемого света.

Естественный свет как по интенсивности, так и по спектральному составу отличается от искусственного, создаваемого источниками различного типа. Например, в спектре ламп накаливания преобладают длинноволновые инфракрасные лучи. Лампы дневного света вообще не оказывают теплового воздействия на объект. Соответственно, свет ламп накаливания имеет более теплый, желтый оттенок, а свет газоразрядных ламп – более холодный из-за преобладания лучей сине-голубой части спектра.

Представление о распределении энергии по спектру излучения источника дает график зависимости этих величин. Например, на рис. 12 приведены кривые относительного спектрального распределения энергии (спектры) излучений солнечного света, голубого неба и ламп накаливания. В фотографии распределение энергии излучения по спектру выражают посредством цветовой температуры.

Цветовая температура характеризует спектральный состав света источника и показывает, до какой температуры необходимо нагреть абсолютно черное тело в градусах абсолютной шкалы (^оК), чтобы спектральный состав излучаемого им света соответствовал спектральному составу данного источника. Чем выше цветовая температура источника света, тем больше излучается коротковолновых лучей, и, наоборот, при понижении ее в излучении начинают преобладать длинноволновые лучи, и свет источника начинает приобретать красноватый оттенок. При определении цветовой температуры какого-либо источника света сравнивают спектр его излучения со спектром излучения нагреваемого абсолютно черного тела. При одинаковых спектрах определяют, до какой температуры нагрето абсолютно черное тело. Этой температурой и выражают цветовую температуру источника света.

В реальных температурных источниках света температура раскаленного тела, излучающего свет (например, нити лампы накаливания), примерно соответствует значению цветовой температуры. Люминесцентные, газоразрядные и газосветные лампы не подчиняются этому закону; спектр их излучения зависит от состава люминофора и заполняющего газа. Для примера в табл. 1 приведены приближенные значения цветовых температур источников света, наиболее часто используемых в фотографии.

Световые величины. Свет, благодаря своим свойствам, несет с собой определенный запас энергии. Интенсивность света характеризуют в первую очередь величиной переносимой энергии. Для ее оценки представляет интерес не только характер вызываемого зрительного ощущения, но количественные данные, характеризующие световое излучение.

Цветовая температура некоторых источников света

Источник излучения	Цветовая температура, ^оК
Лампа накаливания	2850 (больше ИК- лучей)
Импульсная лампа-вспышка
Солнце в полдень	6000 (больше коротковолновых лучей – УФ, Ф, С, Г)
Голубое небо	7000-10000
Лампа люминесцентная типа ЛД

Раздел физической оптики, занимающийся измерением величин, характеризующих световое излучение, испускаемое источником и взаимодействующее с объектом, называется фотометрией. Чтобы охарактеризовать световое излучение, необходимы следующие величины.

Мощность излучения (F) – это количество световой энергии, переносимой оптическим излучением в единицу времени в данном направлении.

Световой поток (Ф) – это величина световой энергии, оцениваемая по производимому зрительному ощущению. Одинаковые световые потоки вызывают равные по интенсивности световые ощущения. Интенсивность воздействия света на приемник (глаз, светочувствительное вещество) зависит и от его спектрального состава. Единица измерения светового потока называется люмен (лм).

Энергия излучения, поглощаемого телами, преобразуется ими в другие виды энергии – тепловую, химическую, электрическую и т. д. Такие тела называются приемниками излучения (глаз человека, светочувствительный слой, фотоэлемент и др.). При воздействии на приемник лучистая энергия может приводить к нагреву тела, протеканию фотохимических реакций, а также одновременно к нагреву и фотохимической реакции. Эффект, вызванный действием света, может иметь лишь частичное практическое значение (быть полезным).

Эффективным световым потоком (Ф_эф) называется та часть лучистого потока, которая при взаимодействии с приемником вызывает какой-либо полезный эффект.

Фотоактиничный световой поток (Ф_λ) характеризует величину энергии той спектральной области светового потока, которая, воздействуя на светочувствительное вещество, вызывает фотографический эффект (образование скрытого, невидимого изображения) на светочувствительных приемниках.

Неактиничное освещение – это освещение, создаваемое световым потоком, лучи которого не воздействуют на светочувствительный слой фотоматериала. При лабораторной обработке каждого сорта фотоматериалов применяют освещение определенного спектрального состава, которое получают с помощью лабораторных светофильтров, помещаемых перед источником света в лабораторном фонаре.

Освещенность (Е) – это величина светового потока, приходящегося на единицу площади освещаемой поверхности. Выражается через отношение светового потока к площади участка, на который он падает. От точечного источника с силой света (I) освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния (по закону обратных квадратов):

где E – освещенность,

I – сила света в данном направлении,

L – расстояние от источника света до освещаемой поверхности в метрах. Единица измерения – люкс (лк)[1].

Количество освещения или экспозиция (Н) – это величина световой энергии, приходящейся на единицу освещаемой поверхности в единицу времени. Выражается произведением освещенности на продолжительность действия света: