Принципы работы фотоаппарата

Подобно глазу, фотоаппарат состоит из линзы, апертурной диафрагмы и светочувствительного экрана, в данном случае — фотопленки. В фотоаппарате, показанном на рис. 2.1, широкоугольный объектив помещен позади апертурной диафрагмы. Современные фотоаппараты почти всегда имеют более сложные линзы, а апертурная диафрагма помещается между двумя элементами. Апертурная диафрагма представляет собой ирисовую диафрагму, диаметр которой может меняться, и таким образом регулируется экспозиция пленки.

Рис.2.1 Оптическая схема фотоаппарата

При фотографировании протяженного объекта фотоаппарат не воспроизводит его целиком. В силу того, что фотопленка имеет ограниченные размеры, на ней можно видеть только те предметы, изображения которых попадают в некоторую ограниченную область. Эта область определяется прямоугольным отверстием, которое также служит держателем для пленки. Так как такое отверстие ограничивает поле зрения только теми предметами, которые попадают внутрь некоторого угла (как они видны из апертурной диафрагмы), то оно называется полевой диафрагмой.

Фотографическая эмульсия

Фотопленка представляет собой тонкий слой светочувствительной эмульсии, помещенный на жесткой основе, или подложке, сделанной из стекла или более

Рис.2.2. Поперечное сечение типичной фотопленки или фотопластинки.

гибкого материала (рис. 2.2). На пленку с тыльной стороны обычно наносится противоореольный краситель для уменьшения размытости изображения, вызванной рассеянным светом. Краситель обесцвечивается или смывается при обработке пленки.

На самом деле термин «эмульсия» не очень сюда подходит, так как используемая смесь представляет собой взвесь крошечных зерен галоидов серебра в желатине. Эти зерна светочувствительны в том смысле, что при освещении светом они приобретают способность проявляться, причем зерна, не подверженные воздействию света, этим свойством почти не обладают. Еще не проявленное изображение, возникающее на пленке, называется скрытым изображением. Его невозможно обнаружить, не проявив пленку.

Проявление происходит, когда зерна погружают в проявитель — химический раствор, в котором из зерен галоидов серебра выделяется металлическое серебро. Из облученных зерен металлическое серебро выделяется значительно быстрее, чем из необлученных, и проявление этих зерен заканчивается значительно раньше, чем большинство необлученных зерен вступят в реакцию. Таким образом скрытое изображение превращается в видимое, серебряное изображение. Это изображение имеет зернистую структуру, так как обычно зерно либо полностью превращается в серебро, либо не изменяется вообще, и, за исключением может быть только наиболее сильно облученных областей, между соседними проявленными зернами всегда имеются промежутки.

Чтобы изображение было устойчивым, непроявленные зерна должны быть химически удалены. После этого пленка перестает быть светочувствительной. Этот процесс называется фиксацией.

Таким образом, изображение составлено из металлического серебра, и проявленная пленка почти непрозрачна в местах наибольшего экспонирования и прозрачна, там где экспозиция была наименьшая. Многие современные пленки передают цвет непрерывно окрашенных предметов в виде оттенков серого. При этом изображение является негативным, потому что яркие участки предмета на пленке оказываются черными, а неяркие — белыми. Позитивное изображение обычно получается с помощью печати или увеличения, т.е. при фотографировании негатива на бумагу.

Рис.2.3 Относительная спектральная чувствительность фотографических эмульсий. а — галоид серебра, б – ортохроматическая пленка, в – панхроматическая пленка

(Цветные слайды получают при помощи прямого позитивного процесса, в результате которого серебро удаляется, и перед фиксацией оставшиеся необлученные зерна проявляются либо при помощи освещения, либо химическими средствами.)

Как показано на рис. 2.3, сами по себе необработанные зерна галоидов серебра чувствительны только к излучению в синей и ультрафиолетовой частях спектра. Пленку можно заставить реагировать на излучение всей видимой и ближней инфракрасной частей спектра, покрывая зерна серебра сенсибилизирующими красителями. Ортохроматические пленки чувствительны к зеленой части спектра. За их обработкой можно наблюдать при специальном красном освещении, называемом безопасным. Такие пленки часто используются при репродуцировании, когда чувствительность к различным цветам несущественна, а иногда и нежелательна. Большинство пленок, применяемых для цветной съемки, являются панхроматическими и чувствительны ко всей видимой области спектра. Можно создать пленки, которые будут чувствительны к инфракрасному свету и при этом сохранят свою способность реагировать на излучение с более короткими длинами волн.

Сенситометрия

Чувствительность пленки обычно выражается в логарифмических единицах. Это удобно по нескольким причинам. Во-первых, масса серебра на единицу площади в проявленном изображении связана с величиной логарифма прозрачности пленки. Во-вторых, характеристическая кривая, записанная в логарифмических единицах, имеет большую линейную часть. И, наконец, чувствительность человеческого глаза при ярком свете имеет приблизительно логарифмический характер.

Чтобы получить характеристическую кривую пленки, определим две величины — оптическую плотность D и экспозицию Ɛ — количество света, падающее на данный участок пленки. Фотографы обычно записывают экспозицию в виде произведения энергетической освещенности или освещенности Е (которую в прошлом часто называли интенсивностью) на время экспозиции t:

Ɛ = Et. (3.2)

Это определение основано на законе взаимности, который утверждает, что в широком диапазоне освещенностей и времен экспозиции определенной экспозиции соответствует определенная чувствительность. При предельно больших или малых экспозициях получается более низкая чувствительность, чем та, которую дает закон взаимности. Это явление называется нарушением взаимности.

Чувствительность пленки определяется при измерении ее оптической плотности после проявления. Если проявленная пленка пропускает долю Т падающего на нее света, то ее пропускание будет равно Т, а ее оптическая плотность будет определяться уравнением

D =— lgT. (3.3)

Знак минус служит только для того, чтобы сделать плотность D положительной в соответствии с идеей,- что чем темнее пленка, тем она плотнее. Часто плотность определяют в эквивалентной форме D = lg(l /Т), где 1 /Т иногда называют непрозрачностью.

Как показано на рис. 2.4, характеристическую кривую получаем, находя зависимость D от logƐ [известную также как кривая Хертера и Дриффилда (H &. D - curve)]. При очень малых экспозициях пленка почти прозрачна (D ~ 0). (В этом случае имеется некоторое количество «проявленных», но не подвергшихся освещению зерен, которые вносят вклад в оптическую плотность вуали.

Рис. 2.4.Зависимость D от logƐ. Сплошная кривая — низкоконтрастная цветная пленка. Пунктирная кривая — более высококонтрастная копирующая (черно-белая) пленка.

Кроме того, поглощение света веществом основы приводит к малой оптической плотности основы.) После некоторого значения экспозиции плотность начинает возрастать с увеличением экспозиции. Это происходит в нижней части кривой, или в области недодержек. Еще большее увеличение экспозиции приводит к проявлению все большего числа зерен, и кривая проходит через линейную область, наклон которой определяется углом гамма (у). Насыщение чувствительности происходит в районе плато, или области nepe держки кривой чувствительности, когда проявлены все зерна.

Все обычные бытовые съемки делаются в области недодержек и в линейной области кривой чувствительности. Ее средний наклон, или коэффициент контраста, несколько меньше, чем γ, при этом любая из этих величин может быть использована в качестве меры относительной контрастности полученной фотографии. Более высокие коэффициенты контраста соответствуют более высокой контрастности полученной фотографии.

Для данной пленки и проявителя можно несколько увеличить контрастность полученного изображения при помощи увеличения времени проявления пленки; для этого используют кривые зависимости показателя контраста от времени проявления, которые обычно прилагаются к описанию пленки (см. рис. 2.5).

В художественной фотографии показатель контраста негатива обычно несколько меньше 1, т. е. негатив печатается так, чтобы контрастность изображения была примерно равна 1, и таким образом точно воспроизводится контрастность исходной картины. Фотопленки для репродуцирования с ретушированного оригинала и другие пленки специального назначения могут иметь более высокую контрастность; величина γ может быть существенно меньше единицы для очень больших экспозиций.

Большинство фотоаппаратов имеют ирисовые диафрагмы, откалиброванные в диафрагмах. Переход на одно деление изменяет экспозицию вдвое.

Рис.2.5. Зависимость коэффициента контраста от времени проявления низко контрастной пленки для фотографии

Аналогично времена экспозиции (в долях секунды) могут иметь значения 1 250,1/125,1/60,..., так что каждое следующее время отличается от предыдущего вдвое.

Чтобы откалибровать апертуру линзы, мы введем относительную anepmy ру φ, или число F (иногда называемое диафрагменным числом):

φ= f '/ D (3.4)

где D — диаметр апертурной диафрагмы. Если с помощью двух линз, имеющих одно и то же число F, но разные фокусные расстояния, получают изображение одного и того же удаленного протяженного предмета, то обе эти линзы создают совершенно одинаковые освещенности в плоскости пленки. Этот вопрос мы будем обсуждать в разд. 4.17, но и сейчас легко видеть, что если линза с большим диаметром и собирает больше света, она в то же время имеет и большее фокусное расстояние и таким образом распределяет свет по пропорционально большей площади пленки.

Пусть апертура линзы установлена на некоторое значение φ. Чтобы удвоить экспозицию, мы должны увеличить площадь апертуры вдвое. Это эквивалентно уменьшению φ в или примерно в 1,4. Поэтому ирисовая диафрагма калибруется в единицах, имеющих коэффициент пропорциональности 1,4 и называемых F -диафрагмами, т. е. 2,8; 4; 5,6; 8; 11;...,. Здесь более низкое число F соответствует большей экспозиции. Переход на одну F-диафрагму изменяет экспозицию вдвое. Значения F-диафрагмы записываются следующим образом: F / 2,8, F /4 и т.д. Линза с максимальной относительной апертурой, равной 2,8, называется линзой с F / 2,8.