Линза как светофильтр

Линза как светофильтр

Спектральный состав света 

Начнем с теории - световые излучения подразделяют простые (монохроматические) и сложные. Простые излучения имеют строго определенную длину волны и не могут быть разложены ни на какие другие цвета. 

Спектр - последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитных колебаний. При разложении белого света в непрерывный спектр, цвета в нем постепенно переходят из одного в другой. Для упрощения работы с цветами принято считать, что в некоторых границах волн (нм) излучения имеют следующие цвета:

390-440 - фиолетовый
440-480 - синий
480-510 - голубой
510-550 - зеленый
550-575 - желто-зеленый
575-585 - желтый
585-620 - оранжевый
630-770 - красный

Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая (длина волн 400—490 нм), зеленая (длина 490—570 нм) и красная (длина 580—720 нм). Эти зоны спектра являются также зонами преимущественной спектральной чувствительности приемников глаза или трех слоев цветной фотопленки. Свет, излучаемый обычными источниками, а также свет, отраженный от несветящихся тел, всегда имеет сложный спектральный состав, т.е. состоит из суммы различных монохроматических излучений. Спектральный состав света — важнейшая характеристика освещения. Он непосредственно влияет на светопередачу. 

Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз. Измеряется в люменах (лм).

Освещенность — величина светового потока, падающего на единицу поверхности. Измеряется в люксах (лк).

Яркость поверхности — отношение силы света, излучаемого в данном направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Яркость—единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно. Она не зависит от расстояния рассматривания. Единицей измерения служит кандела с квадратного метра (кд/м2)" 

Цветовая температура - температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как и рассматриваемый. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Цветовая температура выражается в Кельвинах (К). Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре около 12000—25000К, т.е. гораздо выше температуры солнца. Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым (раскаленным) источникам света.

Естественные излучения небосвода, хотя и не являются в полной мере температурными (т. е., исходящими из раскаленных тел), тем не менее, характеризуются цветовой температурой достаточно точно. Поэтому и цветные пленки, предназначенные для съемки при том или ином освещении, обозначают соответствующей цветовой температурой (для естественного или искусственного освещения). Учитывая неравномерное распределение светового потока по всему спектру, в таких пленках чувствительность слоев не равномерна. Это позволяет скомпенсировать цветовое искажение отраженного потока.

Для полноценного понимания возможностей корректирующих фильтров следует учитывать не только физическую природу света, но и особенности его восприятия человеческим зрением.

Мы – потомки обитателей древесных крон (привет Дарвину), в которых преобладает желто-зеленая гамма. Из этого нашего генетического наследства и вытекает

Тезис 1: из всего спектрального диапазона человеческое зрение имеет наибольшие возможности в желто-зеленом диапазоне.

Теперь о количестве света. Общеизвестно, что для подавляющего большинства людей такое понятие, как освещенность, является чисто субъективным и не поддающимся хотя бы приблизительной оценке без специальных приборов. Только опытные фотографы и светотехники могут приблизительно оценивать освещенность в помещении или на улице, и то за счет длительного опыта работа. Хотя и они, бывает, ошибаются, если попадают в непривычные условия. Почему так происходит? Очень просто! Дело в том, что световой поток, попадающий на сетчатку глаза, в широком диапазоне освещенностей остается одним и тем же. Его автоматически регулирует зрачок, с физической точки зрения выполняющий ровно ту же функцию, что и диафрагма в объективе фотокамеры. Если совсем просто - это как кран, через который вода подается под разным напором. Несложно регулировать положение крана таким образом, что бы стакан наполнялся водой за одно и то же время. Отсюда

Тезис 2: для комфортного восприятия необходимо, что бы световой поток находился в таких границах, в которых зрачок сможет отрегулировать поток до оптимального значения.

Способность воспринимать самые светлые участки изображения одновременно с самыми темными характеризует динамический диапазон. Чем он шире, тем больше деталей изображения может быть различено. Пример: в пасмурную погоду можно без труда глядеть на небо и многоэтажный дом при этом различая все детали дома (окна, облицовку, щели между плитами). В солнечную же погоду дом на фоне яркого неба будет выглядеть однородной темной массой. Даже отраженный свет от песка, наблюдаемый, например, через арку ворот, делает саму арку темным проемом. Хотя стоит наступить сумеркам, и можно будет разглядеть все ее детали. Так происходит от того, что диапазон яркостей не укладывается в диапазон зрения, и слишком темные участки отсекаются в "черное", а слишком светлые - в "белое". Отсюда

Тезис 3: максимальное число деталей различимо в случае попадания диапазона яркостей от наблюдаемой картинки строго в динамический диапазон зрения.

Тут следует учитывать, что у каждого ДД индивидуален, и более того, не равномерен. То есть, на каком-то участке внутри ДД различается больше градаций яркости, на каком-то меньше. Это связано с устройством зрения, но подробно рассматривать данный вопрос мы не будем. Достаточно уже сказанного.

Важно так же сказать, что для зрения первична яркостная составляющая. Я имею в виду тот простой факт, что сперва воспринимаются контуры объектов, а уж затем их цвет. Именно по контурам мозг выдает первую реакцию на увиденное. Этим мы обязаны многим комичным случаям в ночном лесу, например или в темной комнате, когда мы можем запросто принять стул с накинутым на плечи пиджаком или замысловатую корягу за "что-то угрожающе страшное". Так вот, именно тут следует упомянуть понятие контраста, которое является определяющим для практического применения всего уже изложенного материала. Контраст - по сути, отношение световых потоков от разных участков наблюдаемой картины. Естественно, понятие это тесно связано с ДД. Наиболее контрастны участки изображения на границах ДД. То есть, черное и белое. Чем больше градаций яркости вы воспринимаете, тем больше ступеней контраста вы имеете для различения различных объектов. Это приводит нас к заключительному

Тезису 4: наилучшие условия для наблюдения - такие условия, при которых зритель без труда различает яркости ключевых элементов наблюдаемой картины.

Чем больше таких элементов - тем сложнее достичь оптимальных условий. На этом, между прочим, и основан эффект камуфляжа. Он работает по бесхитростно простому принципу: состоя из небольших контрастных областей он приковывает взгляд именно к контрасту между пятнами, а сами контуры закамуфлированного объекта на фоне этого контраста становятся вторичны и трудноразличимы. Ведь мы в первую очередь стремимся определить именно форму объекта, и делаем это по наиболее контрастным участкам. В результате мы при беглом взгляде видим "листики, пятна земли, мох" а вовсе не бойца, залегшего в засаде.

Теперь соберем эти тезисы воедино с физической природой света и посмотрим, какие будут выводы. А они просты и незатейливы: для уверенного восприятия картинки в первую очередь следует привести ее динамический диапазон и диапазон контрастов значимых деталей в наиболее удобную для нас форму. То есть, практически, нормировать поток по интенсивности и выбрать ту часть диапазона, в которой объекты удовлетворяют второму условию (контрасты). Напомню, что в разных частях спектра объекты отражают по-разному

Учитывая, что в нашем распоряжении только светофильтр типа "линза", мы получим окрашенное изображение. Хотя в случае с электронными преобразованиями, этого можно избежать. Но у нас только маска с цветной линзой. По этому придется учесть еще и фактор восприятия диапазона, в который окрашивает линза. Вот, собственно, и все. Теперь можно смело приступать к практике выбора линз.

Начнем с простого и всем известного примера. Очки для езды в сумерках. Какого они цвета? Правильно, янтарного! Кто сказал "желтого" - тоже зачет. Почему янтарного (желтого)? Очень просто. Разложим по пунктам:

  • вечернее освещение скудное и неравномерное. Причем, фары светят сине-белым, а ртутные лампы – желто-оранжевым;
  • предметы лучше всего отражают на красно-зеленом участке спектра, таким образом желтый нам подходит;
  • мы лучше всего видим в желто-зеленом диапазоне, значит желтый и тут оптимален.

Надев желтые очки, мы отсекаем синюю зону, контраст в которой так велик, что начисто "вырубает" наш ДД. В желтом диапазоне мы запросто видим освещенную дорогу, не освещенную обочину, да еще и фонари. Ведь в этом диапазоне контраст отраженного потока на порядок меньше синего диапазона. Это позволяет ему уложиться в ДД зрения, что в свою очередь позволяет различать не только "два ярких конуса" и стоп-сигналы впереди, но и все остальное. А возможно это благодаря автоматической регуляции - зрачок расширился, и света стало хватать. Естественно, при восприятии всего спектра он тут же сузится (спасибо огромному контрасту в синей части). Но мы синий-то как раз и отсекли.

При этом количество света, проходящее через фильтр, всегда меньше, чем без него. Лучше видно стало вовсе не по причине увеличения потока, поэтому в условиях леса может наступить такой момент, когда любой фильтр только испортит дело. Ибо света и так мало, а фильтр еще и отсекает часть.

Теперь пример "из жизни тактиков". Пасмурная погода, лес. Самое время вспомнить про цветовую температуру. В пасмурную погоду ЦТ падающего света существенно выше, чем ЦТ прямого солнечного света. Это означает, что синяя составляющая в этом потоке преобладает.

Что бы убедиться в этом, возьмите пленку, рассчитанную на стандартный солнечный свет, и сделайте пару кадров - синева в кадре обеспечена. Как и в предыдущем примере, мы тут имеем "забивание" ДД зрения излишне контрастной синей составляющей, которая еще и преобладает в падающем свете. Надев янтарную линзу, объективно, мы понижаем контраст (в количественном эквиваленте), однако субъективно - повышаем (ведь теперь мы свободно различаем не только черные стволы на фоне снега, но еще и веточки, бугорочки, торчащие из-за них головы противника)

Тут следует напомнить, что кроме цвета у фильтра есть оптическая плотность. Это его способность к светопропусканию, хотя бы и в определенном диапазоне. Фильтр с небольшой плотностью поможет почти всегда, а вот плотный может и ухудшить ситуацию. Ведь отраженный от еловой чащи поток может попросту не пройти, сделав ее темным пятном, а значит идеальным укрытием для противника.

Посему - подбирайте плотность «фильтра» осмотрительно.

По аналогии можно рассматривать и другие прикладные случаи. Но это для самостоятельного изучения. Здесь мы рассмотрим еще один пример, который интересен немного иными исходными данными. Рассмотрим синюю линзу, которую вы, несомненно, встречали "в природе". 

Чисто интуитивно понятно, что эта линза - для яркой солнечной погоды. Рассмотрим принцип действия: Казалось бы, почему не использовать тот же желтый фильтр с очень высокой плотностью? Если бы мы были летчиками, именно так бы мы и поступили. Темно-коричневый экран во весь шлем и РУДы до упора вперед =). Но мы не летчики. Поверхность земли с огромным удовольствием отражает красно-желтую гамму (а ЦТ солнечного света, кто бы подумал, как раз на уровне желтого). Как результат мы имеем в желтом канале картинку, донельзя напоминающую фотографию в "высоком ключе". Это когда, например, снимают девочку-ангелочка на белом фоне так, что можно только различить лучезарные черты лица и много-много белого. Согласитесь, напрочь лишает ощущения пространства. Нам это явно не подходит. Вот и приходится из двух зол выбирать меньшее, то есть, синий диапазон. Конечно, мы в нем различаем меньше уровней контраста, чем в желтом, но в данном случае в желтом диапазоне такое "буйство света", что синий аутсайдер выходит вперед. Плюс к этому, предметы в синем диапазоне отражают свет существенно менее равномерно (более контрастно) чем в желтом. А именно это нам в данный момент и надо. В любом случае, плотность синего фильтра будет выше, чем у практически любого желтого. Частенько еще и модное зеркальное покрытие добавляют. Это обусловлено необходимостью существенно понизить световой поток. Излишне объяснять, что для обычной игры и игры в слабоосвещенных локациях такие фильтры категорически не подходят.

АХТУНГ: скажу пару слов про ультрафиолет. В случае со стеклянными фильтрами, поток ультрафиолета либо полностью отсекается, либо существенно уменьшается, а вот пластик без специального покрытия УФ-лучи не фильтрует. БУДТЕ ОСТОРОЖНЫ! Зрачок, обманутый плотным фильтром, раскрывается существенно шире, чем на прямом свету, и проходящего без помех ультрафиолета на сетчатку попадает существенно больше. Конечно, в средних широтах это вряд ли может серьезно навредить, но знать об этом эффекте необходимо - подробности можете уточнить у врача-офтальмолога.

В заключение скажу, что моя собственная практика показывает, что достаточно универсальна для использования в наших условиях градиентная желто-прозрачная линза. Хорошо конвертирует стабильно "холодное" небо, но при этом позволяет разглядеть и объекты в глубокой тени. Степень воздействия фильтра меняется простым наклоном головы.

На этом все, спасибо за внимание. Надеюсь, почерпнули для себя что-то полезное.