Vetenskap om fotografi - Science of photography

Den vetenskap av fotografi är användningen av kemi och fysik i alla aspekter av fotografering . Detta gäller kameran, dess linser, fysisk användning av kameran, elektronikkamerans inre och processen att utveckla film för att ta och utveckla bilder korrekt.

Optik

Camera obscura

Den grundläggande tekniken för de flesta fotografier, oavsett om de är digitala eller analoga, är camera obscura -effekten och dess förmåga att förvandla en tredimensionell scen till en tvådimensionell bild. Som mest grundläggande består en camera obscura av en mörkare låda, med ett mycket litet hål i ena sidan, som projicerar en bild från omvärlden på motsatt sida. Denna form kallas ofta som en hålkamera .

Vid hjälp av ett objektiv behöver hålet i kameran inte vara litet för att skapa en skarp och tydlig bild, och exponeringstiden kan minskas, vilket gör att kameror kan hållas.

Linser

En fotografisk lins består vanligtvis av flera linselement som kombineras för att minska effekterna av kromatisk aberration , koma , sfärisk aberration och andra aberrationer . Ett enkelt exempel är Cooke-tripletten med tre element , som fortfarande används över ett sekel efter att den först designades, men många nuvarande fotografiska linser är mycket mer komplexa.

Att använda en mindre bländare kan minska de flesta, men inte alla avvikelser. De kan också reduceras dramatiskt genom att använda ett asfäriskt element , men dessa är mer komplexa att slipa än sfäriska eller cylindriska linser. Men med modern tillverkningsteknik minskar extrakostnaden för tillverkning av asfäriska linser, och små asfäriska linser kan nu tillverkas genom gjutning, så att de kan användas i billiga konsumentkameror. Fresnel -linser är inte vanliga vid fotografering och används i vissa fall på grund av deras mycket låga vikt. Den nyligen utvecklade fiberkopplade monocentriska linsen består av sfärer konstruerade av koncentriska halvklotformade skal av olika glasögon bundna till fokalplanet med buntar av optiska fibrer. Monocentriska linser används inte heller i kameror eftersom tekniken just debuterade i oktober 2013 vid konferensen Frontiers in Optics i Orlando, Florida.

All linsdesign är en kompromiss mellan många faktorer, exklusive kostnader. Zoomlinser (dvs. objektiv med variabel brännvidd) innebär ytterligare kompromisser och matchar därför normalt inte prestanda hos främsta objektiv .

När en kameralins är fokuserad för att projicera ett objekt en bit bort på filmen eller detektorn, är objekten som är närmare på avstånd, i förhållande till det avlägsna objektet, också ungefär i fokus. Avståndet som nästan är i fokus kallas skärpedjupet . Fältdjupet ökar i allmänhet med minskande bländardiameter (ökande f-antal). Den ofokuserade oskärpan utanför skärpedjupet används ibland för konstnärlig effekt i fotografering. Det suddiga utseendet på denna oskärpa är känt som bokeh .

Om kameralinsen är fokuserad på eller utanför sitt hyperfokala avstånd blir skärpedjupet stort och täcker allt från halva hyperfokala avståndet till oändligheten . Denna effekt används för att göra " fokusfria " eller fastfokuserade kameror.

Avvikelse

Aberrationer är suddiga och förvrängande egenskaper hos ett optiskt system . En objektiv av hög kvalitet ger mindre avvikelser.

Sfärisk aberration uppstår på grund av den ökade brytningen av ljusstrålar som uppstår när strålar träffar en lins, eller en reflektion av ljusstrålar som uppstår när strålar träffar en spegel nära kanten i jämförelse med de som slår närmare mitten. Detta beror på brännvidden för en sfärisk lins och avståndet från dess centrum. Det kompenseras genom att designa ett system med flera objektiv eller genom att använda en asfärisk lins .

Kromatisk aberration orsakas av en lins som har ett annat brytningsindex för olika våglängder av ljus och beroendet av de optiska egenskaperna på färg . Blått ljus böjer sig generellt mer än rött. Det finns kromatiska aberrationer av högre ordning, till exempel beroende av förstoring på färg. Kromatisk aberration kompenseras genom att använda en lins av material noggrant utformade för att avbryta kromatiska aberrationer.

Böjd fokalyta är beroende av den första ordningens fokus på positionen på filmen eller CCD. Detta kan kompenseras med en optisk design med flera linser, men filmen har också böjts.

Fokus

Fokus är tendensen för ljusstrålar att nå samma plats på bildsensorn eller filmen, oberoende av var de passerar genom linsen. För tydliga bilder justeras fokus för avstånd, eftersom strålarna på olika objektavstånd når olika delar av linsen med olika vinklar. I modern fotografering sker fokusering ofta automatiskt.

Den autofokussystemet i moderna systemkameror använder en sensor i mirrorbox att mäta kontrast. Sensorsignalen analyseras av en applikationsspecifik integrerad krets (ASIC), och ASIC försöker maximera kontrastmönstret genom att flytta linselement. ASIC: erna i moderna kameror har också speciella algoritmer för att förutsäga rörelser och andra avancerade funktioner.

Diffraktionsgräns

Eftersom ljuset förökar sig som vågor, är de mönster som det producerar på filmen utsatt för det vågfenomen som kallas diffraktion , vilket begränsar bildupplösningen till funktioner i storleksordningen flera gånger ljusets våglängd. Diffraktion är huvudeffekten som begränsar skärpan för optiska bilder från linser som stoppas ner till små bländare (höga f-nummer), medan avvikelser är den begränsande effekten vid stora bländare (låga f-nummer). Eftersom diffraktion inte kan elimineras är det bästa möjliga objektivet för ett givet driftstillstånd (bländarinställning) en bild som ger en bild vars kvalitet endast begränsas av diffraktion. En sådan lins sägs vara diffraktionsbegränsad .

Den diffraktionsbegränsade optiska punktstorleken på CCD eller filmen är proportionell mot f-talet (ungefär lika med f-talet gånger ljusets våglängd, som är nära 0,0005 mm), vilket gör den övergripande detaljen i ett fotografi proportionell mot filmens storlek eller CCD dividerat med f-talet. För en 35 mm kamera med f / 11 motsvarar denna gräns cirka 6000 upplösningselement över filmens bredd (36 mm / (11 * 0,0005 mm) = 6500.

Den ändliga fläckstorleken som orsakas av diffraktion kan också uttryckas som ett kriterium för att skilja avlägsna objekt: två avlägsna punktkällor kan bara producera separata bilder på filmen eller sensorn om deras vinkelseparation överstiger ljusets våglängd dividerat med bredden på den öppna bländaren av kameralinsen.

Kemiska processer

Gelatin silver

Daguerreotyper

Kollodionsprocess och ambrotypen

Cyanotyper

Platina- och palladiumprocesser

Gummibikromat

Gummibikromat är en fotografisk tryckprocess från 1800-talet baserad på dikromaters ljuskänslighet. Den kan återge måleriska bilder från fotografiska negativ. Gummitryckning är traditionellt en flerskiktad tryckprocess, men tillfredsställande resultat kan erhållas från en enda passering. Vilken färg som helst kan användas för tandkötstryck, så naturfärgade fotografier är också möjliga genom att använda denna teknik i lager.

C-tryck och färgfilm

Digitala sensorer

Praktiska tillämpningar

Lag om ömsesidighet

Exponering ∝ Bländaryta × Exponeringstid × Scenluminans

Lagen om ömsesidighet beskriver hur ljusintensitet och varaktighet avväger för att göra en exponering - den definierar förhållandet mellan slutartid och bländare för en given total exponering . Ändringar av något av dessa element mäts ofta i enheter som kallas "stopp"; ett stopp är lika med en faktor på två.

Halvering av mängden ljus som exponerar filmen kan uppnås antingen genom att:

1. Stänger bländaren med ett stopp
2. Minska slutartiden (öka slutartiden) med ett stopp
3. Skär scenbelysningen till hälften

På samma sätt kan fördubbling av mängden ljus som exponerar filmen uppnås genom motsatsen till en av dessa operationer.

Scenens luminans, mätt på en reflekterad ljusmätare , påverkar också exponeringen proportionellt. Mängden ljus som krävs för korrekt exponering beror på filmhastigheten ; som kan varieras i stopp eller bråkdelar av stopp. Med någon av dessa ändringar kan bländaren eller slutartiden justeras med lika många stopp för att nå en lämplig exponering.

Ljuset styrs enklast genom att använda kamerans bländare (mätning i f-stopp ), men det kan också regleras genom att justera slutartiden . Att använda snabbare eller långsammare film är vanligtvis inte något som kan göras snabbt, åtminstone med hjälp av rullfilm. Storformatskameror använder enskilda filmark och varje ark kan ha en annan hastighet. Om du använder en kamera i större format med en polaroidbaksida kan du växla mellan ryggar som innehåller olika hastigheter. Digitalkameror kan enkelt justera filmhastigheten de simulerar genom att justera exponeringsindex , och många digitalkameror kan göra det automatiskt som svar på exponeringsmätningar.

Till exempel, med en exponering på 1/60 vid f /16, kan skärpedjupet göras grundare genom att öppna bländaren till f /4, en ökning av exponeringen med 4 stopp. För att kompensera skulle slutartiden också behöva ökas med 4 stopp, det vill säga justera exponeringstiden till 1/1000. Stängning av bländaren begränsar upplösningen på grund av diffraktionsgränsen .

Ömsesidighetslagen anger den totala exponeringen, men ett fotomaterials svar på en konstant total exponering kanske inte förblir konstant vid mycket långa exponeringar i mycket svagt ljus, till exempel fotografering av en stjärnhimmel eller mycket korta exponeringar i mycket starkt ljus, t.ex. som att fotografera solen. Detta är känt som materialets ömsesidighetsfel (film, papper eller sensor).

Rörelseoskärpa

Rörelseoskärpa orsakas när antingen kameran eller motivet rör sig under exponeringen. Detta orsakar ett distinkt randigt utseende på det rörliga föremålet eller hela bilden (vid kameraskakningar).

Rörelseoskärpa kan användas konstnärligt för att skapa känslan av hastighet eller rörelse, som med rinnande vatten. Ett exempel på detta är tekniken för " panorering ", där kameran flyttas så att den följer motivet, som vanligtvis går snabbt, till exempel en bil. Om det görs korrekt ger det en bild av ett tydligt motiv, men bakgrunden får rörelseoskärpa, vilket ger känslan av rörelse. Detta är en av de svårare fotografiska teknikerna att bemästra, eftersom rörelsen måste vara smidig och med rätt hastighet. Ett motiv som kommer närmare eller längre bort från kameran kan ytterligare orsaka fokuseringssvårigheter.

Ljusspår är en annan fotografisk effekt där rörelseoskärpa används. Fotografier av ljuslinjerna som syns på foton med lång exponering av vägar på natten är ett exempel på effekten. Detta orsakas av att bilarna rör sig längs vägen under exponeringen. Samma princip används för att skapa stjärnspårfotografier.

I allmänhet är rörelseoskärpa något som ska undvikas, och detta kan göras på flera olika sätt. Det enklaste sättet är att begränsa slutartiden så att det blir väldigt lite rörelse i bilden under den tid som slutaren är öppen. Vid längre brännvidd kommer samma rörelse i kamerahuset att orsaka mer rörelse av bilden, så en kortare slutartid behövs. En vanlig tumregel är att slutartiden i sekunder ska vara ungefär det ömsesidiga med 35 mm ekvivalent brännvidd för objektivet i millimeter. Till exempel bör ett 50 mm -objektiv användas med en minsta hastighet på 1/50 sek och ett 300 mm -objektiv med 1/300 sekund. Detta kan orsaka svårigheter vid användning i svagt ljus, eftersom exponeringen också minskar med slutartid.

Oskärpa på grund av motivets rörelse kan vanligtvis förhindras med en högre slutartid. Den exakta slutartiden beror på den hastighet som motivet rör sig med. Till exempel kommer en mycket snabb slutartid att behövas för att "frysa" rotorerna i en helikopter, medan en långsammare slutartid kommer att vara tillräcklig för att frysa en löpare.

Ett stativ kan användas för att undvika rörelseoskärpa på grund av kameraskakningar. Detta stabiliserar kameran under exponeringen. Ett stativ rekommenderas för exponeringstider mer än cirka 1/15 sekunder. Det finns ytterligare tekniker som, i samband med användning av ett stativ, säkerställer att kameran förblir väldigt stilla. Dessa kan använda en fjärrmanöverdon, såsom en kabelfrigörare eller infraröd fjärrkontakt för att aktivera slutaren, för att undvika den rörelse som normalt orsakas när avtryckaren trycks direkt. Användningen av en "självutlösare" (en tidsinställd frigöringsmekanism som automatiskt utlöser slutarutlösningen efter ett intervall) kan tjäna samma syfte. De flesta moderna spegelreflexkameror (SLR) har en spegellåsfunktion som eliminerar den lilla skakning som spegeln vänder upp.

Filmkornupplösning

Svartvitt film har en "glänsande" sida och en "tråkig" sida. Den tråkiga sidan är emulsionen , ett gelatin som suspenderar en rad silverhalogenidkristaller . Dessa kristaller innehåller silverkorn som avgör hur känslig filmen är för ljusexponering och hur fin eller kornig det negativa trycket kommer att se ut. Större korn betyder snabbare exponering men ett kornigare utseende; mindre korn ser finare ut men tar mer exponering för att aktivera. Filmens kornighet representeras av dess ISO -faktor; i allmänhet en multipel av 10 eller 100. Lägre antal ger finare korn men långsammare film, och vice versa.

Bidrag till buller (spannmål)

Kvanteffektivitet

Ljus kommer i partiklar och energin i en ljuspartikel ( foton ) är ljusfrekvensen gånger Plancks konstant . En grundläggande egenskap för alla fotografiska metoder är hur det samlar ljuset på sin fotografiska platta eller elektroniska detektor.

CCD och andra fotodioder

Fotodioder är bakspända halvledardioder, där ett inneboende lager med mycket få laddningsbärare hindrar elektriska strömmar från att flöda. Beroende på material har fotoner tillräckligt med energi för att höja en elektron från det övre hela bandet till det lägsta tomma bandet. Elektronen och "hålet", eller det tomma utrymmet där det var, kan sedan röra sig i det elektriska fältet och bära ström, som kan mätas. Fraktionen av infallande fotoner som producerar bärarpar beror till stor del på halvledarmaterialet.

Fotomultiplikatorrör

Fotomultiplikatorrör är vakuumfotorör som förstärker ljuset genom att påskynda fotoelektronerna för att slå fler elektroner fritt från en serie elektroder. De är bland de mest känsliga ljusdetektorerna men lämpar sig inte bra för fotografering.

Aliasing

Aliasing kan förekomma i optisk och kemisk bearbetning, men det är vanligare och lättare att förstå i digital bearbetning. Det inträffar när en optisk eller digital bild samplas eller samplas igen med en hastighet som är för låg för dess upplösning. Vissa digitalkameror och skannrar har anti-alias-filter för att minska alias genom att avsiktligt suddas ut bilden för att matcha samplingsfrekvensen. Det är vanligt att filmutvecklingsutrustning används för att göra utskrifter i olika storlekar för att öka kornigheten hos utskrifterna i mindre storlek genom aliasing.

Det är vanligtvis önskvärt att undertrycka både ljud som korn och detaljer om det verkliga objektet som är för små för att representeras vid samplingshastigheten.

Se även

• Astrofotografi
• Undervattensfotografering
• Infrarött fotografi
• Ultraviolett fotografering
• Silverbromid
• Fotografisk bearbetning
• Bildredigering
• Markera takhöjd

Referenser