1.1.2. Законы распространения света

Источник света испускает во все стороны сферические световые волны, двигающиеся в пустоте со скоростью 300 000 ^км/_с. Рассматривая свет как корпускулярное движение, можно считать, что от источника во все стороны расходятся лучи света.

1.1.2.1. Преломление света

Каждый луч двигается равномерно и прямолинейно до тех пор, пока он находится в одной и той же среде и не встречает каких-либо препятствий. При переходе из одной прозрачной среды в другую скорость света меняется, и на границе смежных сред изменяется направление его лучей (рис. 1.1). Это явление называется преломлением света.

Рис. 1.1. Преломление света при переходе из менее плотной среды в более плотную (а) и наоборот (б). 1 - падающий луч; 2 - частично отраженный луч; 3 - преломленный луч; i - угол падения; i' - угол преломления; пунктиром показан ход лучей при полном внутреннем отражении

Используя общепринятые в оптике понятия, такие, как падающий луч, угол падения, угол преломления и др., можно сформулировать следующие законы преломления света.

Падающий и преломленный лучи находятся в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к поверхности раздела сред в точке падения лучей.

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть для данных сред величина постоянная. Она называется коэффициентом преломления (или показателем преломления).

Показатель преломления, измеренный для данной среды относительно пустоты, называется абсолютным показателем преломления, а измеренный относительно любой другой среды - относительным показателем преломления. Если свет проходит из среды менее плотной в более плотную, то угол падения больше угла преломления (рис. 1.1, а) и наоборот (рис. 1.1, б).

В практике фотографии используется явление, называемое полное внутреннее отражение, при котором преломленный луч составляет с перпендикуляром, восстановленным к поверхности раздела сред в точке падения, угол равный 90° или больший. Иными словами, луч света не переходит в другую среду, а как бы "отражается" от границы раздела и остается в первоначальной среде (рис. 1.1,6).

1.1.2.2. Поглощение света. Оптическая плотность

Если лучи света встречают на своем пути какое-либо тело, могут иметь место следующие явления: лучи поглощаются телом, отражаются от его поверхности, проходят сквозь него.

В реальной обстановке эти явления никогда не встречаются в чистом виде. Так, если на пути лучей света встречается тело, которое мы называем прозрачным, то большинство падающих на тело лучей пройдет сквозь него, а меньшая часть отразится и поглотится. Прохождение света через прозрачное тело можно рассматривать как переход лучей из одной среды в другую и применять к этому случаю законы преломления (см. п. 1.1.2.1). Это очень важно для фотографии, так как используемые в фотоаппаратуре оптические системы состоят из прозрачных веществ, в основном из стекла.

Встречая на своем пути непрозрачные тела, лучи света отражаются и поглощаются, причем соотношение между этими явлениями зависит от свойств тела. Так, белые зеркальные поверхности отражают большую часть падающих на них лучей, а черные матовые - поглощают.

Но при любом препятствии на пути световых лучей часть их обязательно поглощается, поэтому отраженный и проходящий свет всегда слабее падающего.

Степень этого ослабления характеризуется оптической плотностью - величиной очень часто используемой при изучении фотографического процесса. В единицах оптической плотности измеряют степень почернения черно-белого и окраску цветного изображения на пленках и бумагах. Кроме того, значением оптической плотности и ее спектральным распределением характеризуют светофильтры и красители, используемые в фотографии.

При. прохождении света через какую-либо среду, оптическая плотность этой среды D определяется как логарифм отношения падающего светового потока Φ₀0 к прошедшему через среду Φ_пр:

Величина оптической плотности зависит от природы и содержания поглощающего вещества (его концентрации), расстояния, которое проходит свет в среде и длины волны света. Точное выражение этих зависимостей составляет закон Ламберта - Бугера - Бера.

Оптическая плотность может быть измерена для белого света. Такие измерения используются, в частности, для характеристики почернений в черно-белой фотографии.

Для характеристики цветных фотоматериалов оптические плотности измеряют в некоторых определенных зонах длин волн - эффективные оптические плотности (подробнее см. разд. 3.3).

Светофильтры и красители характеризуют кривыми поглощения, выражающими зависимость монохроматической оптической плотности от длины волны света. Монохроматическая оптическая плотность - оптическая плотность, измеренная в монохроматическом (однородном, не разделимом на более простые составляющие) свете.

Оптическая плотность обладает рядом полезных особенностей. Отметим некоторые из них.

При наложении поглощающих пластинок или пленок их оптические плотности складываются (аддитивность оптической плотности).

Оптическая плотность пропорциональна концентрации поглощающего вещества (красителя, металлического серебра в фотографическом слое).

Зрительное впечатление от почернения или окраски фотографического изображения приблизительно пропорционально его оптической плотности.

1.1.2.3. Отражение света

Как и преломление, отражение света подчиняется двум основным законам.

Падающий и отраженный лучи находятся в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к поверхности отражения в точке падения луча.

Угол падения луча на плоскость равен углу отражения.

Представим себе, что мы имеем идеально плоскую поверхность (в оптике такую поверхность называют зеркальной). В соответствии с законами отражения, лучи света отражались бы от этой поверхности только в строго определенном направлении (рис. 1.2, а) и только с этого направления можно было бы этот предмет видеть. В реальной жизни наибольшее приближение к этому явлению можно наблюдать при отражении параллельного пучка лучей, например солнечного света, от хорошо отполированного зеркала. Такое отражение называется правильным или зеркальным.

Рис. 1.2. Отражение света: зеркальное (а), диффузное (б), смешанное, с индикатрисой рассеяния (в). Световые потоки: Φ₀ - падающий, Φ_з - зеркально отраженный, Φ_д - диффузно отраженный (рассеянный), Φ_п - поглощенный

У подавляющего большинства окружающих нас предметов поверхность далека от зеркальной - она шероховатая, неровная. Лучи света, падая на микроучастки поверхности, расположенные под различными углами друг к другу, отражаются также под различными углами (рис. 1.2, б). Это явление называется рассеянным или диффузным отражением.

Рассеянное отражение играет чрезвычайно важную роль в повседневной жизни. Благодаря этому явлению, мы имеем возможность наблюдать предметы с разных сторон, так как где бы ни находился наблюдатель, в его сторону будет направлена какая-то часть отраженных лучей. Съемка предметов с любой стороны возможна также благодаря рассеянному отражению.

В природе не существует ни идеальных зеркальных поверхностей, ни идеально рассеивающих, т. е. таких, которые направленные лучи света отражают во все стороны одинаково. Для характеристики поверхностей по их рассеивающей способности строят специальные графики - индикатрисы рассеяния (рис. 1.2,в). С помощью этого графика можно определить, какая часть света отражается в ту или иную сторону.

Для характеристики отражающих поверхностей, например отпечатков на фотобумаге, может быть использовано и понятие оптической плотности.

Строго говоря, такой отпечаток нельзя рассматривать как пример изображения, образованного лучами света, отраженными от поверхности фотослоев. На самом деле лучи света лишь очень незначительно отражаются от поверхности отпечатка. Основная их часть проходит через фотослой и частично поглощается в соответствии с почернением (или окраской) отдельных участков. Непоглощенный свет отражается от поверхностных слоев бумаги, снова, но уже в обратном направлении проходит через фотослои, снова частично поглощается ими и только после этого выходит наружу, "как бы отразившись". Однако и проделав столь сложный путь, свет, исходящий из отпечатков, подчиняется тем же закономерностям, что и отраженный. Это и дает нам основание рассматривать отпечатки на фотобумаге как отражательные поверхности.

При определении оптической плотности отпечатков на фотобумаге важно соблюдать определенное расположение источника света по отношению к поверхности, на которой измеряется оптическая плотность, и направление измерения отраженного светового потока. Схема измерения показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема измерения оптической плотности фотоотпечатка: 1 - фотобумага; 2 - источник света; 3 - приемник света (фотоэлемент)

Фотоотпечаток освещается световым потоком Φ₀ под углом падения 45°. Приемник света (фотоэлемент) регистрирует световой поток Φ_д, рассеянный отпечатком перпендикулярно поверхности. Зеркально отраженный поток при этом в приемник не попадает.

Такое расположение источника света, отпечатка и фотоэлемента соответствует рекомендуемым условиям рассматривания отпечатков, когда роль приемника играет уже не фотоэлемент, а глаз.

Оптическая плотность фотоотпечатка в этом случае выражается уравнением

где Φ_д' - световой поток, диффузионно отраженный от эталонной бедой поверхности.

1.1.2.4. Рассеяние света

При рассмотрении преломления и отражения мы пользовались представлением о свете как о потоке частиц. Однако не все свойства света можно объяснить только с точки зрения корпускулярной природы света - необходимо учитывать и волновую его природу. Для цветной фотографии это особенно важно, так как и цвет излучения (света), и окраска тел, и законы воспроизведения цвета не могут быть объяснены без привлечения понятий, связанных с волновой природой света.

При прохождении через прозрачные тела лучи света не остаются неизменными, а рассеиваются. Внешне явление рассеяния света выражается в виде "утолщения" отдельных лучей или пучка света. Рассеяние света тем больше, чем менее прозрачна и однородна среда и чем больший путь проходит в ней свет.

Особое значение в фотографии имеет рассеяние света при прохождении через мутные среды, в которых распределены мельчайшие частицы (кристаллы, капли, пузырьки газов) вещества, имеющего отличный от среды коэффициент преломления. На границах раздела частиц и среды происходят многократные отражения и преломления световых потоков, при которых меняется их направление.

В фотографий важнейшей рассеивающей средой является светочувствительный слой фотоматериала. Рассеивание света в нем создают мельчайшие кристаллы светочувствительного вещества - галогенидов серебра.

Если химически разнородные частицы, распределенные в среде, имеют одинаковый с ней коэффициент преломления, то рассеяния света в среде не происходит. Такая среда называется оптически однородной.

Степень рассеяния зависит от размеров частиц и длины волны света. Если последняя больше размеров частиц, то рассеяния света не происходит. Коротковолновый синий свет рассеивается сильнее, чем длинноволновый (красный). Именно поэтому на закате и восходе солнце выглядит красным - синие лучи рассеиваются в толще атмосферы, а красные проходят беспрепятственно.

Рассеянием коротковолнового света обусловлены голубой цвет неба и атмосферная дымка, снижающая контрастность изображения и сообщающая голубоватый оттенок удаленным предметам (горы, лес).

В светочувствительном слое фотоматериала рассеяние света приводит к образованию ореолов, которые нарушают резкость, четкость изображения. Для ослабления ореолов рассеяния уменьшают толщину светочувствительных слоев и прокрашивают их красителями, поглощающими те составляющие рассеянного света, к которым чувствителен фотослой.

1.1.2.5. Дисперсия света. Спектр

При прохождении света из одной прозрачной среды в другую, т. е. при явлении преломления, волновые свойства света выражаются в том, что излучения с различными длинами волн имеют различные коэффициенты преломления - дисперсия света. Это различие подчиняется закономерности: чем больше длина волны излучения, тем меньше коэффициент преломления, а следовательно и угол, на который отклоняется луч света при прохождении границы двух сред.

Рис. 1.4. Видимый спектр: а - схема разложения белого света в спектр; б - дзета излучений видимого спектра

Используя это свойство, можно разложить белый свет на его составляющие. В природе это радуга. В лаборатории чаще всего пропускают белый свет через призму (рис. 1.4). Образующаяся при этом "разноцветная полоска" называется спектр. В соответствии с зависимостью коэффициента преломления от длины волны светового луча, в спектре (как и в радуге - частном случае спектра) цвета плавно и непрерывно переходят из одного в другой, от красного до сине-фиолетового. При этом возникает множество промежуточных цветов. Установлено, что человек различает в спектре около 180 различных цветовых оттенков. Условно принято считать в спектре семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

1.1.2.6. Прочие явления

С волновой природой связаны также такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света, которые также используются в фотографии.

Интерференцией называется сложение двух волн, в результате которого усиливаются или ослабляются результирующие колебания. При прохождении световых лучей через тонкие пленки происходит сложение двух волн, отраженных от внутренней и наружной поверхности пленки. Если толщина пленки такова, что одна волна отстает от другой на целое число волн - наблюдается максимальное усиление света; на нечетное число длин полуволн - максимальное ослабление.

На явлении интерференции основано используемое повсеместно в фотографии просветление оптики. Необходимость просветления оптики вызвана тем, что объективы - это сложные оптические системы, включающие в себя большое количество стеклянных линз, на поверхности каждой из которых происходит отражение света. В результате большая часть света, попадающего в объектив, теряется (до 70-80 %) и значительно снижается качество изображения - уменьшаются контрастность и резкость.

Для устранения этих нежелательных явлений производят так называемое просветление - наносят на поверхность оптических стекол тонкую пленку, обладающую таким показателем преломления и такой толщиной, которые обеспечивают гашение отраженного света.

Очевидно, что не может быть пленки, которая бы гасила отраженный свет всего спектрального состава. Неравномерное отражение и, соответственно, неравномерное пропускание через объектив света с различной длиной волны, приводит к значительным искажениям цветопередачи в цветной фотографии. Поэтому для уменьшения потерь на отражение в широком диапазоне длин волн на поверхность оптических деталей наносят несколько (обычно три) просветляющих покрытий, каждое из которых гасит отраженный свет определенного спектрального состава. Оптическое просветление, которое применяется в современных объективах, обеспечивает снижение коэффициента отражения до 0,2-0,5 % практически во всем диапазоне видимого света.

Дифракция - огибание волнами препятствий, размер которых соизмерим с длиной волны, - для фотографии имеет то значение, что дает возможность установить минимальные размеры деталей объекта, которые могут быть различимы.

В большей степени в практике фотографии используется явление, которое называется поляризация света - выделение световых волн, колебания которых происходят только в определенных плоскостях, лежащих в направлении их распространения.

Большинство источников света испускает так называемый естественный свет, представляющий собой поперечные волны, колебания которых происходят во всех плоскостях. При отражении, преломлении и некоторых других процессах, связанных с взаимодействием света со средой, равномерность распределения колебаний световых волн во всех направлениях может нарушаться, т. е. выделяются волны, которые колеблются в каких-то определенных плоскостях - свет становится поляризованным. Сильнее всего свет поляризуется при прохождении через анизотропные среды, у которых физические свойства зависят от направления (кристаллы герапатита, турмалина и др.).

В фотографической практике находят применение поляризационные светофильтры (или поляроиды), позволяющие получить полностью или частично поляризованный свет. Поляроиды представляют собой пленку из эфира целлюлозы, содержащего множество одинаково ориентированных кристаллов герапатита, которая вклеивается между стеклами для защиты от механических повреждений. Стекла и пленки монтируются в специальные оправы, которые надевают на объектив.

С помощью поляризационных светофильтров добиваются частичного или полного устранения бликов, возникающих при отражении света от гладких поверхностей. Это необходимо при съемке застекленных картин, объектов, расположенных за стеклянными колпаками или витринами, объектов с большими бликующими поверхностями.

Степень ослабления бликов зависит от угла поворота поляризационного светофильтра относительно оптической оси объектива. При работе с зеркальными фотоаппаратами определение наилучшего положения поляроида не вызывает затруднения: вращают фильтр на объективе, визуально наблюдая за его действием по изображению объекта съемки на матовом стекле видоискателя. При съемке камерами, не имеющими матового стекла, ориентирование светофильтра проводят, наблюдая непосредственно через него объект съемки. Отыскав таким образом наилучшее положение поляроида, его в этом положении надевают на оправу объектива.

Поляризационные светофильтры поглощают значительную часть света и требуют соответствующего увеличения экспозиции.