Свет и тень. Преломление света

Свет и тень. Как возникает изображение

Для того чтобы снимать хорошие фотографии, необязательно разбираться в физике. Но понимание практических основ фотографии и работы фотографического оборудования дает вам более широкие возможности для решения поставленных задач. Мы начинаем с основы основ фотографии — света. Что же такое свет, какие из его основных свойств полезно знать при освещении объекта съемки, при использовании объективов или изучении цвета? От света и цвета мы перейдем к обсуждению того, почему объекты и их поверхности выглядят так, как они выглядят, и почему свет необходимо собрать с помощью стеклянной линзы, чтобы получить приемлемое для нас изображение.

Объектив, без сомнения, самая важная часть любой камеры или фотоувеличителя. Даже работая с обычным увеличительным стеклом, вы сможете понять, как фотографические объективы формируют изображение. Позже это приведет нас к другим компонентам устройства камеры.

Природа света

Свет — основа фотографии; он присутствует даже в самом названии («фото» — по-гречески свет). Поскольку вы имеете дело со светом каждый день, начиная с того момента, когда утром открываете глаза, все это считается само собой разумеющимся. Свет — это что-то такое, к чему чувствительны ваши глаза, так же как ваши уши восприимчивы к звуку, а язык — ко вкусу. Свет — исходный материал для зрения, которое сообщает нам информацию об объектах, не доступную другим органам восприятия. Пользуясь светом, можно подчеркнуть какие-то одни, выбранные вами особенности объекта съемки и скрыть другие. Свет переносит визуальную информацию на фотофафический материал и дает вам возможность наслаждаться конечным результатом этого процесса. Но что же такое свет на самом деле?

Видимый свет — это поток энергии, исходящей от солнца или другого излучающего источника. Четыре важные характеристики, которые одновременно существенны для него, таковы:

  1. Свет распространяется в виде волны, напоминая небольшую рябь на поверхности воды. Лучи света разной длины волны наш глаз видит как разные цвета.
  2. Свет распространяется прямолинейно (в пределах однородной среды). Это можно увидеть, наблюдая за лучами солнечного света или за тем, как возникают тени от освещенных предметов.
  3. Свет распространяется с очень большой скоростью (300 000 км в секунду в вакууме). Чуть медленнее свет распространяется в воздухе и значительно медленнее в более плотных веществах — например, в воде или стекле.
  4. Свет состоит из частиц энергии, или фотонов. Именно поэтому выгорают краски, поэтому свет вызывает химические изменения в пленке или электронный отклик в сенсорах цифровых камер. Чем интенсивнее поток света, тем больше фотонов он содержит.

Длины волн и цвет

То, что человек видит как свет, — лишь часть огромного спектра электромагнитных излучений. К ним относятся самые разные волны — от радиоволн длиной в сотни метров до гамма-лучей, длины волн у которых составляют тысячные или даже миллионные доли миллиметра. Каждый диапазон электромагнитного спектра плавно переходит в следующий и обладает своими особыми свойствами. Некоторые из волн, например, радиоволны, могут передаваться на значительные расстояния. Другие, как рентгеновские лучи, способны проникать в толстую сталь или разрушать человеческую ткань. Глаз человека не может увидеть большую часть этих излучений, он чувствителен лишь к узкому диапазону волн длиной примерно от 400 нм нм до 700 нм (нанометр, или нм, — это одна миллионная миллиметра). Именно этот ограниченный диапазон волн называется видимым спектром.

Электромагнитные излучения

Некоторые из электромагнитных излучений. Видимый спектр (увеличено справа) занимает лишь маленький диапазон всего спектра. При относительно равномерном смешении показанных здесь цветов свет видится как «белый»

Когда источник излучает поток, в котором относительно равномерно представлены все видимые волны различной длины, освещение выглядит «белым» и бесцветным. Но если в потоке присутствуют лишь отдельные длины волн, свет кажется цветным. Например, на иллюстрации 2.3 волны длиной от 400 до 450 нм выглядят как темно-фиолетовые. Цвет меняется на голубой, когда длины волн смещаются к 450—500 нм. Волны длиной от 500 до 580 нм воспринимаются как зелено-голубые, а от 580 до 600 нм — как желтые. Желтый переходит в оранжевый, если световые волны становятся длиннее; при длине 650 нм они воспринимаются как красные и становятся темнее на границе видимого спектра, при длине 700 нм.

Поток света

Этот рисунок в упрощенной форме показывает, что большинство источников излучают смешанный поток, состоящий из волн разной длины отличающихся цветом

Таким образом все цвета видимого спектра — фиолетовый, голубой, зеленый, желтый и красный — на самом деле присутствуют в различных видах белого цвета (будь то солнечный свет, свет от вспышек или студийных ламп). Считается, что человеческий глаз содержит три вида цветочувствительных рецепторов, воспринимающих широкие, переходящие один в другой диапазоны голубых, зеленых и красных волн. Когда все три вида рецепторов возбуждаются в равной мере, видимый объект вы воспринимаете белым или нейтрально-серым.

Если равновесие между волнами разной длины сильно нарушено — возможно, свет содержит гораздо больше красных (длинных) волн, чем голубых (коротких), — рецепторы возбуждаются неравномерно. В этом случае свет воспринимается как оранжевый, что происходит ежедневно на восходе и на закате.

Кажется странным, что физиологически люди способны воспринимать относительно маленькую часть из широкого диапазона волн электромагнитного спектра. Однако большинство встречающихся в природе невидимых излучений — инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и космическое гамма-излучение, экранированное от нас атмосферой Земли, — люди открыли без использования специальных приборов обнаружения (или защитных приспособлений) для такого типа излучений.

Тени

Свет распространяется прямолинейно и во всех направлениях от источника. Это значит, что направленный свет от относительно компактного источника, как например, солнца в безоблачном небе, свечи, лампы накаливания или маленькой вспышки, будет жестким. Освещенные ими объекты отбрасывают контрастные, резко очерченные тени.

Тени

Компактный удаленный источник света отбрасывает резко очерченную тень от объекта. Источник большего размера (здесь этого добились, воспользовавшись листом бумажной кальки) дает более мягкую и размытую тень

Посмотрите, что происходит, когда в поток света вы помещаете кальку (или когда вы блокируете направленный и используете лишь отраженный от матовой белой стены свет). Калька пропускает свет, но также и рассеивает его. Свет, прошедший сквозь любой участок кальки, рассеивается во всех направлениях. Объект, который вы освещаете, теперь отбрасывает мягкую тень, постепенно сходящую на нет. Чем больше размеры рассеивающего материала и чем ближе он расположен, тем менее резкой и контрастной становится тень. Это происходит потому, что освещаемый объект не может полностью заслонить поток света, излучаемый источником большой площади. Большинство находящихся в тени деталей в этом случае получают хоть какое-то количество света. То же самое происходит и с солнечным светом, проходящим через облака.

Свет от лампы, солнца или вспышки

Свет от пампы, солнца или вспышки, направленный на белую матовую поверхность стены или большой лист картона, отразится и даст мягкую, размытую тень.

Практикующему фотографу очень важно чувствовать разницу между направленным жестким и мягким рассеянным светом. Свойства тени сильно влияют на то, как выглядит снимаемый объект или сюжет. Характер освещения невозможно будет изменить после съемки, с помощью настроек камеры.

Когда свет достигает поверхности

Когда свет падает на поверхность какого-либо объекта — это может быть здание, или элемент ландшафта, или лицо человека, — все происходящее с ним в дальнейшем будет зависеть от текстуры, тона и цвета материала поверхности, а также от угла падения света и его цветовой характеристики.

Материалы, не пропускающие свет

Материалы, практически непроницаемые для света (например, металл или кирпич), часть света отражают, а часть поглощают (превращая в тепло). Чем темнее материал, тем меньшая часть света отразится от него. Вот почему темный кофр от камеры, оставленный на солнце, нагреется сильнее, чем блестящий металлический.

Если материал цветной, он отражает волны своего цвета и поглощает большую часть других. Например, голубая краска, освещенная белым светом, отражает голубые лучи, а красные и зеленые поглощает. Но если в потоке падающего света присутствуют не все длины волн, внешний вид объекта изменится. Возьмем крайний случай: если насыщенную синюю поверхность осветить интенсивным красным светом, поверхность будет выглядеть (и на фотографии выйдет) черной. Такие эффекты необходимо учитывать, чтобы пользоваться цветными фильтрами.

Характер поверхности также сильно влияет на отражение света. Матовая поверхность (яичная скорлупа, бумага для рисования или сухая кожа) равномерно рассеивает отраженный свет. От угла падения света это почти не зависит. Однако глянцевая отражающая поверхность действует как зеркало и отражает почти весь свет в одном направлении. Это так называемое зеркальное отражение.

Отражение света

Отражение света. Вверху: свет, отраженный от матовой поверхности рассеивается во все стороны практически равномерно. В центре: свет, падающий на зеркальную поверхность под углом 90 градусов, отражается назад. Падающий под меньшим углом свет отразится под углом, равным углу падения. Внизу: окрашенные материалы отражают и поглощают лишь отдельные цвета, составляющие белый свет. Однако они меняют свой облик, когда освещены цветным
светом.

Если свет падает на глянцевую поверхность под прямым углом, он отражается обратно, не меняя направления. Поэтому когда вспышка на камере направлена в стекло окна или глянцевую окрашенную стену, на снимке получаются блики. Но если свет падает на такую поверхность под углом, он отражается от нее под углом, равным углу падения. Чтобы избежать появления бликов при съемке сильно отражающей поверхности, постарайтесь подобрать нужную точку съемки и направление света. (Если вы пользуетесь встроенной вспышкой, снимайте под углом к зеркальной поверхности.)

Проходящий свет

Проходящий свет. Вверху: диффузно пропускающие материалы (молочный пластик, матовое стекло) рассеивают свет достаточно равномерно.
В центре: в прозрачных материалах большая часть света не меняет направления. Падающий под углом свет частично отражается и в основном преломляется.
Внизу: цветные материалы пропускают только часть спектра белого света. Материал не пропустит свет вообще, если свет этот окрашен в цвет, отличный от цвета материала.

Прозрачные и полупрозрачные материалы

Конечно, не все материалы непрозрачны и непроницаемы для света. Стекло и пластик, вода относятся к прозрачным материалам, они пропускают свет. Тогда как калька, облако и матовое стекло рассеивают пропускаемый ими свет и называются полупрозрачными. В обоих случаях окрашенный материал будет пропускать больше волн той длины, которые соответствуют цвету материала, нежели остальных. Стекло, окрашенное в насыщенный красный цвет, пропускает красные лучи и может быть почти непроницаемым для голубых.

Полупрозрачные материалы рассеивают свет, поэтому, если расположить такой материал перед источником света, он будет иметь молочно-белый цвет. При этом рассеивающий материал выглядит равномерно освещенным, даже если источник света при этом находится не на одной линии с глазом. Этим он отличается от прозрачных материалов. Просмотровые экраны для слайдов работают по такому же принципу. Это свойство света в чем-то похоже на отражение от белой рассеивающей поверхности.

Преломление света

Интересное явление можно наблюдать, когда направленный поток света падает из воздуха под некоторым углом на границу раздела с какой-то другой прозрачной средой. Свет, оказавшись в оптически более плотной среде, уменьшает свою скорость. Когда свет, например, под углом попадает из воздуха в стекло, его волновой фронт замедляется неравномерно. Это происходит потому, что часть лучей быстрее достигает более плотной среды и меняет направление движения. Это в чем-то похоже на занос машины при въезде на песок. Формируется новая прямонаправленная траектория, под меньшим углом к поверхности стекла. Изменение направления падающего под углом света при переходе из одной прозрачной среды в другую называют преломлением.

Преломление света

Преломление света. Свет замедляет свою скорость, когда из воздуха попадает в стекло. Волновой фронт замедляется неравномерно, если свет попадает в оптически более плотную среду под углом (слева). Такое торможение приводит к изменению направления движения. Свет падающий на границу двух сред под прямым углом (в центре), замедляется. но не меняет направления.

Преломление можно наблюдать, если погрузить в прозрачную воду прямую палку, она будет казаться наклоненной относительно водной поверхности. Или когда смотришь под углом сквозь толстое, наполовину закрытое окно — часть видимой через стекло сцены кажется смещенной, как будто смотришь прямо. Но самое важное, что происходит благодаря преломлению, — это то, что объектив собирает свет и формирует изображение.

Помните, что законам преломления подчиняется только свет, падающий под острым углом. Свет, который пересекает границу двух прозрачных поверхностей под прямым углом, непременно замедляется, но своего направления не меняет. А большая часть света, падающего под очень малым углом, отражается от нее.

Окружающие нас объекты выглядят так, как мы их видим, из-за эффектов их взаимодействия со светом — рассеивания и зеркального отражения, частичного поглощения, а часто еще пропускания и преломления. Например, яблоко, освещенное направленным солнечным светом, отражает цветные лучи исключительно от освещенной половины. Большинство из них отражаются диффузно, но участок гладкой кожицы яблока отражает яркий зеркальный блик (рефлекс) — в том месте, где угол падения солнечных лучей на поверхность равен углу между этой точкой и глазом наблюдателя.

Очертания и относительная плотность тени с другой стороны яблока позволяют увидеть его форму. Опираясь на имеющийся опыт восприятия, ваши глаз и мозг распознают все эти едва уловимые световые «сигналы» и определят величину и округлость яблока, для этого совсем не обязательно прикасаться к нему. По сути, это и есть основные оптические аспекты видения, необходимые фотографу.

Сила света и расстояние

Чем ближе источник света располагается к объекту, тем ярче освещен этот объект. Рисунок 2.11 демонстрирует, что, поскольку свет распространяется прямолинейно, поверхность получает в четыре раза больше света (в четыре раза больше фотонов) от точечного источника, чем получила бы поверхность такого же размера, находящаяся на расстоянии, в два раза большем. Например, когда для освещения портрета вы используете небольшую фотовспышку или студийную лампу, сократив расстояние до модели наполовину, вы в четыре раза увеличите количество света и сможете установить в четыре раза меньшую экспозицию. То же правило применяется для определения экспозиции при печати, когда меняешь высоту увеличителя и при макросъемке.

Интенсивность света

Интенсивность направленного света от точечного источника (например, небольшой вспышки или студийной лампы) обратно пропорциональна квадрату расстояния до объекта. Если расстояние до объекта увеличить в два раза, интенсивность уменьшится в четыре раза. То же количество света попадает на поверхность в четыре раза большей площади. Эту закономерность называют «законом обратных квадратов».

Из этого «закона обратных квадратов» (при увеличении расстояния от источника до объекта в два раза освещенность падает в четыре раза) следует, что нужно быть особенно внимательным при съемке в маленькой студии нескольких объектов, находящихся на разном расстоянии, если они освещены жестким компактным источником (например, студийной вспышкой с прожекторной насадкой — spotlight).

Возможно, в такой ситуации не получится правильно проэкспонировать все предметы одновременно — и те, что расположены ближе всего к источнику света, и самые удаленные от него, какую экспозицию ни выберешь. Выход есть — отодвинуть источник света значительно дальше, так, чтобы отношение расстояний до ближних и дальних предметов сократилось, или же заменить источник на гораздо больший по размерам и более рассеивающим, который уменьшит эффект неравномерности.

Такой проблемы не возникает, когда пользуешься направленным солнечным светом при съемках на улице. Солнце находится так далеко, что любые два пункта на земле — будь это морское побережье или горная вершина — удалены от него примерно на одинаковое расстояние. Колебания яркости при пейзажной съемке могут возникать из-за местных атмосферных явлений, но не из-за разницы расстояний до солнца. Если вы снимаете в помещении, используя свет от маленького окна, оно выступает как точечный источник света. Интенсивность света будет меняться с расстоянием так же, как если бы на месте окна находилась лампа тех же размеров.

Свет, создающий изображение

Представьте, что вы осветили объект и просто расположили лист бумажной кальки (или пленки) перед ним. Конечно, на листе вы не увидите никакого изображения. Сложность в том, что каждая точка на поверхности бумаги освещается лучами света, отраженными сразу от всех точек объекта. Из-за такого беспорядка поверхность просто равномерно освещается в целом.

Но есть способ организовать порядок из хаоса — ограничить количество попадающих в каждую точку бумаги лучей — разместить между объектом и бумагой лист непрозрачного материала (например, фольги) и проделать в нем маленькое, с булавочную головку, отверстие. Поскольку свет распространяется прямолинейно, лучи, которые отражаются от верхней части объекта, проходя сквозь малое отверстие, могут достигнуть только нижней части бумажного листа. А лучи, отраженные от нижней части снимаемого объекта, достигнут только верхней части бумаги. В итоге на листе бумаги появится слабое и расплывчатое перевернутое изображение объекта. Освещенный объект, фольга с малым отверстием и экран из бумаги — это модель «дырочной камеры» (pinhole camera).

Лучший способ получить изображение с помощью маленького отверстия — расположиться в полностью затемненной комнате, закрыв окно и освещенный солнечным светом пейзаж за ним большим листом фольги или черной бумаги. Проделайте в этой светонепроницаемой занавеске отверстие с помощью канцелярской кнопки, а на расстоянии примерно 30 см от нее расположите бумажную кальку, на которой и сформируется изображение.

Вы без труда можете получать цветные pinhole-фотофафии, если у вашей камеры съемный объектив. Так что процесс получения изображения оказывается не таким сложным и не требует много техники.

Практические ограничения для дырочных изображений

Проблема получения изображений с помощью маленького отверстия в том. что результаты в большинстве случаев недостаточно качественные. Ни одна деталь не получается резкой и яркой, независимо от того, где размещается лист кальки.

Происходит же это потому, что пучок лучей, отраженный от любой части объекта и проходящий сквозь малое отверстие, расходится (постепенно становится шире). Как показано на иллюстрации, лучшее изображение любого ярко освещенного маленького участка или точки объекта, которое можно получить с помощью дырочного объектива, — это световое пятно в форме круга. Можно представить, каким становится изображение на экране при наложении всех этих пятен и почему оно такое туманное.

С другой стороны, дырочные изображения очень слабые, не яркие. Их можно сделать ярче, если увеличить отверстие, но в этом случае упадет резкость деталей. (А если вы сделаете два отверстия, то получите два наложенных друг на друга изображения. Свет, отраженный от каждой части объекта, попадет на лист бумаги в двух местах.)

Даже если вы смиритесь с таким слабым изображением и постараетесь добиться лучшей резкости, сделав отверстие еще меньше, пятна света никогда не смогут быть меньше размера самого отверстия. И вы быстро окажетесь в ситуации, когда дальнейшее уменьшение отверстия будет давать лишь еще худший результат из-за оптического эффекта, называемого дифракцией. Чем меньше отверстие и грубее его края, тем больший процент световых лучей подвержен этому эффекту, исключая те лучи, которые проходят точно через центр отверстия.

Воспользуемся линзой

Лучший способ сформировать изображение — сделать отверстие больше, а не меньше, а потом изменить расходящийся пучок света на сходящийся, чтобы он сузился и собрался в одну точку. Этого можно достичь, преломляя свет при помощи прозрачного стекла. Рис. 2.9 показывает, как свет, падающий под углом из воздуха в стекло, преломляется на границе двух сред и меняет направление на более перпендикулярное к этой границе. Обратное происходит, когда свет попадает из стекла в воздух, поскольку воздух — оптически менее плотное вещество. Поэтому, используя стеклянный блок, стороны которого не параллельны друг другу, вы кардинально меняете направление каждого из световых лучей.

Эволюция линзы

Когда свет проходит через блок стекла стороны которого не параллельны друг другу, преломление на каждой границе вызывает изменение в направлении света

Достаточно широкий, расходящийся пучок света превращается в сходящийся, если проходит через с текло, утолщенное в центре сильнее, чем по краям. Такую форму проще изготовить, отполировав круглый шлифованный стеклянный диск, чтобы получить круглую стеклянную собирающую линзу.

Когда вместо отверстия используется линза, перевернутое изображение на экране получается гораздо более ярким, но детали резкие только при расположении бумаги на единственном расстоянии от линзы. Если же расположить бумагу слишком близко или слишком далеко, лучи света, которые сходились в одну точку, опять расходятся и детали изображения будут состоять из отдельных пятен света, еще больших, чем при использовании дырочного объектива. В результате получится очень туманное и нерезкое изображение. Поэтому линзу требуется фокусировать точно, правильное расположение бумаги будет зависеть от преломляющей силы линзы, а также от расстояния между линзой и объектом.

Собирающая линза

Собирающая линза свалит пучок расходящихся лучей в точку фокуса. Но если расстояние между линзой и экраном выбрано неверно, оно слишком маленькое или слишком большое, как показано на правом рисунке, изображение вновь будет состоять из размытых беспорядочных круглых пятен.

Резюме

  • Свет распространяется прямолинейно, волнообразно. Длины волн измеряются в нанометрах. Свет — это лишь крошечная часть гораздо более широкого спектра электромагнитных излучений.
  • Глаз человека распознает лучи света с длиной волны между 400 нм и 700 нм как постепенно сменяющие друг друга фиолетовые, голубые, зеленые, желтые и красные — видимый спектр. Когда в излучении присутствуют все длины волн, свет воспринимается как «белый».
  • Объект, освещенный относительно компактным направленным источником света, отбрасывает жесткую, резко очерченную тень. Свет от источника большого размера (или от диффузора перед компактным источником) дает мягкие, сходящие на нет тени.
  • Свет, падающий на непрозрачный материал, поглощается и/или отражается.
  • Гладкие, блестящие поверхности дают зеркальное отражение — направленный свет почти полностью отражается в одном направлении. Свет, падающий на такие поверхности под некоторым углом, отражается от них под углом, равным углу падения. Матовые поверхности рассеивают отраженный свет значительно сильнее.
  • Прозрачные материалы пропускают свет, полупрозрачные — рассеивают пропускаемый свет. Пучок света, падающий под углом на границу двух сред разной плотности, преломляется (изгибается) и в оптически более плотной среде меняет свое направление на более перпендикулярное относительно границы.
  • Цветные материалы поглощают и отражают или пропускают свет избирательно, в зависимости от длины волны света. Их видимая окраска меняется в зависимости от цвета источника, освещающего их.
  • Количество освещения (фотонов), полученное поверхностью от направленного. компактного источника, уменьшается в четыре раза каждый раз, когда расстояние от источника удваивается.
  • Поскольку свет распространяется прямолинейно, с помощью маленького отверстия в непрозрачном материале можно получить грубое перевернутое изображение освещенного объекта.