Глава III. Интегральная фотография

Принцип интегральной фотографии Липпмана

Принцип интегральной фотографии был предложен в 1908 году Г. Липпмансщ [3]. Метод такой фотографии был назван так потому, что изображение сфотографированного предмета суммируется (интегрируется) из множества маленьких изображений размером 0,4×0,4 мм и меньше. В каждом кадрике содержится полное изображение объекта со всеми его деталями. Однако при рассматривании интегральной фотографии глаз человека не видит этих микроизображений, но они, суммируясь оптически, воссоздают пространственное изображение.

На рис. 22 изображена схема фотографирования с помощью интегральной пластинки Липпмана. Пластинка состоит из большого количества линз 1, с двумя сферическими поверхностями. Одна поверхность, играющая роль объектива, обращена к объекту, а на другую, заднюю сферическую поверхность нанесена светочувствительная эмульсия 2. Все линзы отделены друг от друга непрозрачными перегородками 3. Изображение объекта фокусируется каждой линзой на эмульсию.

Рис. 22. Общая схема интегральной фотографии. Сверху показано, что действие каждой ячейки интегральной пластинки аналогично действию отдельного фотоаппарата, а пара соседних ячеек является стереокамерой

Таким образом, каждая линза с перегородкой и светочувствительной эмульсией является своего рода сверхминиатюрным фотоаппаратом. Они плотно прилегают друг к другу и заполняют все поле интегральной фотопластинки, размеры которой должны быть достаточно большими, чтобы ее можно было рассматривать с относительно большого расстояния, не различая этих микролинз.

На том же рисунке схематично показан увеличенный фрагмент участка светочувствительной эмульсии пластинки Липпмана с проявленными микроизображениями. Фотосъемка производится без какого-либо дополнительного объектива, поскольку каждая линза действует независимо как объектив, но так как у этих микрофотоаппаратов нет затвора, нужная экспозиция должна быть получена с помощью какого-то затвора, открывающего и закрывающего всю интегральную фотопластинку.

Чтобы упростить понимание процессов фотографирования и восстановления интегрального изображения, заменим линзы маленькими отверстиями. Именно с помощью таких отверстий П. Соколов воспроизвел в 1911 году процессы интегральной фотографии [1, 4].

На рис. 23 упрощенно показана схема фотографирования светящейся точки с помощью интегральной пластинки. Лучи света попадают на светочувствительную эмульсию в каждой микрофотокамере и фиксируют изображение точки. Поскольку микрофотокамеры находятся в разных местах на большой интегральной фотопластинке, изображения точек окажутся на различных участках эмульсии, что нетрудно заметить. Этот разброс точек изображения по площади светочувствительной эмульсии в каждой элементарной ячейке подчиняется закону параллаксов. Каждая пара изображений является миниатюрной стереопарой с базисом, равным диаметру линзы, например 0,4 мм. В отличие от двухобъективного аппарата, в интегральной фотопластинке регистрируются не только горизонтальные, но и вертикальные параллаксы, благодаря чему эффект оглядывания возможен и по вертикали (позиции рис. 23 совпадают с рис. 22).

Рис. 23. Схема фотографирования светящейся точки с помощью интегральной пластинки

Экспонированную интегральную пластинку с изображением точки проявляют с обращением, чтобы получить позитивное изображение. В нашем случае позитивом явится черное поле всего кадрика с единственной прозрачной точкой, как показано на рис. 24. В линзовой части условные объективы расположены регулярно (по сетке), а в эмульсионном слое прозрачные точки расположены различным образом, в зависимости от геометрических условий экспонирования.

Рис. 24. Схема восстановления интегрального изображения точки

Восстановим интегральное изображение точки. Для этого нужно осветить рассеянным светом интегральную пластинку со стороны эмульсии. В каждой микрокамере интегральной пластинки можно условно считать, что есть только два отверстия, сквозь которые может пройти узкий луч света. Одно из них находится на передней плоскости, а другое - на задней плоскости, и они удалены друг от друга на значительное (по сравнению с диаметром отверстий) расстояние, поэтому в паре составляют своеобразный коллиматор¹.

¹ (Коллиматор - оптическое устройство для создания пучка параллельных лучей)

На схеме одной ячейки (рис. 24) показано, как этот коллиматор выбирает из пучка диффузно рассеянного света, падающего на пластинку со стороны эмульсионного слоя, только один прямой луч определенного направления, которое обусловлено в основном положением прозрачной точки на задней, эмульсионной стороне интегральной пластинки. Положение прозрачных точек на светочувствительной эмульсии определяется положением объекта (в данном случае светящейся точкой) и размерами интегральной пластинки.

Следовательно, направление каждого луча, прошедшего сквозь проявленную интегральную пластинку (множество микроколлиматоров) определено условиями фотографирования.

В итоге лучи света, выделенные интегральной пластинкой при восстановлении изображения, сходятся в одной точке, как показано на рис. 24. Рассматривая глазами пространство перед пластинкой (положение А), мы увидим светящуюся точку, поскольку лучи света будут попадать в наши глаза точно так же, как и в случае рассматривания реальной светящейся точки. Более того, смещаясь в любую сторону на относительно небольшое расстояние, при неподвижной пластинке, когда оба глаза будут находиться в пределах определенного угла, мы будем видеть эту точку висящей в пространстве в том же самом месте, где находилась светящаяся точка при фотографировании ее интегральной пластинкой: появляется эффект оглядывания. Следует отметить, что, как и в случае параллакс-панорамограммы, угол оглядывания невелик. Стоит только поставить глаза в положение Б, и точка уже не будет видна, что, естественно, не относится к реальному объекту, хорошо наблюдаемому и с позиции Б (см. рис. 23) и с любой другой позиции вокруг этой светящейся точки.

Рассмотрим некоторые особенности восстановленного интегрального изображения. Если в точку, где все лучи сошлись, поставить матовое стекло, то на нем будет видна яркая светящаяся точка, а если поместить фотопластинку, то после экспонирования и проявления на ней будет зафиксирована одна черная точка, т. е. обычный негатив, поэтому это изображение называют действительным.

С помощью интегральной пластинки можно получить и другой тип изображения, когда лучи света начинают расходиться от плоскости интегральной пластинки (рис. 25). Продолжение этих лучей (показано пунктиром) создает иллюзию нахождения изображения объекта позади пластинки. Если мы там поставим фотопластинку (см. пунктир), то на пластинке ничего не зафиксируется, в связи с чем и принято называть это изображение мнимым. Мнимое изображение может быть получено оптической печатью с интегральной негативной пластинки на интегральную позитивную, что также было предложено Липпманом.

Рис. 25. Схема образования мнимого интегрального изображения

Интегральное изображение замечательно тем, что оно (точка на рис. 24) существует в пространстве как оптическая копия оригинала и обладает его оптическими свойствами, правда в ограниченном угле наблюдения. Такое изображение имеет еще особое свойство, которое заключается в том, что по мере удаления от него наблюдателю кажется, что оно уменьшается, а по мере приближения - увеличивается. Об этом интересном эффекте Липпман писал еще в своем первом сообщении [3].

Приведенная на рис. 24 схема восстановления интегрального изображения точки, произвольно помещенной в пространстве, поможет читателю понять суть восстановления объемного изображения сложного предмета. Любой сложный предмет может рассматриваться как совокупность точек, распределенных в пространстве, но не произвольно, а вполне определенно. Вазочка с цветами (см. рис. 22) - это тоже совокупность точек, образующих ее поверхность. Каждая точка этой поверхности отражает падающий на нее свет и превращается таким образом в источник света. Зафиксировав на светочувствительной эмульсии интегральной пластинки изображения всех этих бесчисленных точек, получим интегральный позитив в плоскости, а восстановив интегральное изображение, получим объемное интегральное изображение, т. е. наблюдатель может увидеть вазочку с цветами, находящуюся в пространстве перед интегральной пластинкой. Это будет оптическая копия объекта съемки.

В приведенных пояснениях ничего не было сказано об интенсивности суммирующихся лучей. В случае таких моделей, как самосветящиеся точки, для простоты изложения интенсивность их свечения была принята одинаковой. Однако при съемке реальных предметов, например вазочки с цветами, освещенной посторонним источником света, неизбежно появится светотень, а микроизображение на фотоэмульсии будет полутоновым.

Схему на рис. 24 можно представить в новом варианте, с полутонами, т. е. интенсивность лучей, образующих одну точку, равна какому-то значению, а интенсивность другой совокупности лучей имеет уже другое значение. Нетрудно видеть, что, располагая в пространстве точки различных интенсивностей, можно создать объемное изображение предмета с нужным распределением светотеней. Приведенные пояснения сущности интегральной фотографии опирались на схемы построения с интегральными пластинами, где линзочки были заменены маленькими отверстиями. Эти отверстия не условный прием для популярного изложения. Они были использованы вместо линз при интегральной фотосъемке П. Соколовым и другими исследователями. Однако светосила таких "объективов" настолько мала, что в качестве объекта можно было использовать только ярко светящуюся нить лампы накаливания, поэтому практически следует вернуться к линзам.