Световые и оптические явления. Геометрическая оптика. Основы теории цвета

лекции по дисциплине «Судебная фотография и видеозапись»
Автор разработки:
доцент кафедры НД
Владимир

Геннадьевич БУЛГАКОВ

фотография и видеозапись: Учебник - 2 изд. – Москва, 2011.

Издательство: Щит-М. – 816 с.

Рекомендуемая литература:

видеозапись. – Волгоград, 2005.
Рекомендуемая литература:

Рекомендуемая литература:

литература:

Волгоград, 2004.
Рекомендуемая литература:

видеозапись. – М.: Юристъ, 1999.
Рекомендуемая литература:

Белкина, И. М. Лузгина. М., 1978.
Криминалистическая экспертиза. Вып. 3. Раздел

4: Судебная фотография. М., 1969, 3-10.
Судебная фотография / Под ред. А.В. Дулова. Минск, 1975, с. 5-15, 174-186.
Фомин А. В. Общий курс фотографии. М., 1981. с. 3-15.
Чибисов К. В. Очерки по истории фотографии. М., 1987.
Чибисов К. В. Общая фотография. М., 1988, с. 9-29.

греч.), то есть фиксация изображений с помощью физико-химических свойств света. Фотография

была изобретена свыше 150 лет назад и сегодня она стала совершенным техническим средством регистрации информации. 7 января 1839 г. – день изобретения фотографии. Фотография - это совокупность методов и способов получения изображений на специальных светочувствительных материалах или устройствах (фотопленка, ПЗС-матрица).

Свойства объектов фотографирования.
3. Действие света на светочувствительные вещества и световоспринимающие

устройства.
4. Основные законы фотохимии.

объектом
Свет представляет собой один из видов электромагнитных

колебаний с большой частотой (ν) и малой длиной волны (λ). Он испускается и поглощается телами отдельными прерывистыми порциями определенной величины – квантами или фотонами. Величина энергии фотона ε зависит от частоты света (числа колебаний световой волны за единицу времени):
,
где: ν – частота световой волны; h – постоянная Планка.

волны:
,

где: λ – длина волны; с – скорость распространения света в пустоте; ν – частота колебаний. Длина волны измеряется в нанометрах (в миллионных долях миллиметра - нм), 1 нм = 10-9 м.

занимает сравнительно узкий участок
Рис. 1. Спектр электромагнитных колебаний.

воспринимается как белый свет. Проанализировать состав белого света можно при

помощи призмы. Впервые этот опыт был произведен Ньютоном.

Рис. 2. Спектр видимого света.

оттенки: красный 620-720 нм, оранжевый 580-620 нм, желтый 560-580 нм, зеленый 500-560 нм, голубой 470-500

нм, синий 430-470 нм, фиолетовый 380-430 нм.

цветной фотографии. Согласно ей, все цветовые оттенки, существующие в природе,

получают, смешивая в различных пропорциях излучения трех спектральных зон видимого спектра: синего, зеленого и красного. Эти цвета называются первичными или основными. Если смешать только два первичных цветовых пучка, то получим один из трех вторичных цветов: красный и зеленый дают желтый цвет, красный и синий – пурпурный, зеленый и синий – голубой. Эти цвета называются дополнительными к основным (полученными в результате смешения двух основных).

белый свет. Такой процесс называется аддитивным синтезом цвета.
Рис. 3. Аддитивный

синтез цвета.

1) источники естественного освещения (солнце); 2) источники искусственного освещения (лампы накаливания;

люминесцентные лампы; импульсные лампы и др.). Одни из них излучают свет в нагретом состоянии, другие в холодном. Помимо различной интенсивности все они имеют и неодинаковый спектральный состав излучения.

по спектральному составу отличается от искусствен-ного, создаваемого источниками различного типа.
Рис.

4. Спектральное распределение энергии излучения различных источников света: 1- солнца; 2- голубого неба; 3 – ламп накаливания.

и солнца – напротив, синие и голубые (фиолетовые) лучи. Свет ламп

накаливания имеет более теплый, желтый оттенок, а свет газоразрядных ламп - более холодный из-за преобладания лучей сине-голубой части спектра.

температуры.
Цветовая температура характеризует спектральный состав света источника и показывает, до

какой температуры необходимо нагреть абсолютно черное тело в градусах абсолютной шкалы (оК), чтобы спектральный состав излучаемого им света соответствовал спектральному составу данного источника.

Чем выше цветовая температура источника света, тем больше излучается коротковолновых лучей, и, наоборот, при понижении ее в излучении начинают преобладать длинноволновые лучи и свет источника начинает приобретать красноватым оттенок.

фотографии

поглощает все падающие на него лучи. В природе естественных абсолютно

черных тел не существует, модель близкого к нему по свойствам тела делают искусственно в виде особого прибора, например полого вычерненного внутри шара.

Рис. 5. Физическая модель абсолютно черного тела.

переносимой оптическим излучением в единицу времени в данном направлении.
Световой поток

(Ф) – это величина световой энергии, оцениваемая по производимому зрительному ощущению. Единицей измерения светового потока называется люмен (лм).
Эффективным световым потоком (Фэф) называется та часть лучистого потока, которая при взаимодействии с приемником вызывает какой-либо полезный эффект.
Фотоактиничный световой поток (Фλ) характеризует величину энергии той спектральной области светового потока, который, воздействуя на светочувствительное вещество, вызывает фотографический эффект (образование скрытого, видимого изображения) на светочувствительных приемниках.

освещаемой поверхности. От точечного источника с силой света (I) освещенность

изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния (по закону обратных квадратов):

,

где: E – освещенность; I – сила света в данном направлении; L – расстояние от источника света до освещаемой поверхности в метрах. Единица измерения – люкс (лк).
Количество освещения или экспозиция (Н) – это величина световой энергии, приходящейся на единицу освещаемой поверхности в единицу времени. Выражается произведением освещенности на продолжительность действия света:
,

где: H – экспозиция; E – освещенность в лк; t – время освещения в сек.

Основные световые величины:

пространственные и световые.
Пространственные свойства выражают определенную совокупность линейных размеров объекта,

его длину, ширину, высоту (глубину), рельеф (фактуру). Совокупность всех параметров характеризует его объемность (глубину пространства), а проекция, на какую либо плоскость – форму.
Световые (оптические) свойства объекта определяют, как световой поток взаимодействует с объектом.

Пропускание.
Рис. 6. Взаимодействие светового потока с объектом

света – коэффициентом поглощения α, доля пропущенного – коэф-фициентом пропускания

τ.

где: Фо - падающий световой поток, Фρ - отраженный световой поток, Фα – поглощенный световой поток, Фτ – пропущенный световой поток.

Поскольку Фо = Фρ + Фα + Фτ, то очевидно, что

света
Рис. 7. Распределение отраженного и пропущенного света в пространстве:
а –

направленное; б – рассеянное; в – смешанное; г - направленно-рассеянное.

оптическую плотность.
Яркость (B) - это величина зрительного ощущения, вызываемого светящейся

или отражающей в данном направлении свет поверхностью.
Оптическая плотность (D) – характеризует прозрачность такой среды (степень поглощения света). Ее выражают десятичным логарифмом непрозрачности – величины, обратной коэффициенту пропускания (1/τ).
.

За единицу оптической плотности принята плотность такой среды, которая ослабляет световой поток в 10 раз: D=lg10=1.

При съемке различают общий контраст и контраст смежных участков.
Общий контраст

– для непрозрачных объектов
,


где: Кобщ – общий контраст; Вmax - наибольшее значение яркости; Вmin - наименьшее значение яркости.
Для прозрачных объектов – ΔD = Dmax - Dmin.
Контраст деталей – характеризуется отношением яркостей смежных участков для непрозрачных объектов или разностью оптических плотностей – для прозрачных.

это последовательное возрастание яркостей объекта или последовательность зрительно воспринимаемых яркостей.
Воспроизведение

градации оригинала на фотоизображении – одна из основных задач фотографического процесса.

света, бывает весьма разнообразной, что объясняется зависимостью коэффициентов преломления и

отражения от длины волны. Красная книга, например, воспринимается красной потому, что она отражает лучи только красной области спектра.

Рис. 8. Восприятие цветных объектов.

коэффициенты отражения, погло-щения и пропускания.
Распределение монохроматических коэффициен-тов по спектру излучения

дает представление о свето-вых свойствах окрашенных объектов и выражается зависимостью изменения этих коэффициентов от длины волны падающего света в виде кривых отражения, поглощения или пропускания.

устройства
В основе светочувствительности лежит явление внутреннего фотоэффекта как в галогено-серебряной

(традиционной), так и цифровой технологии фотографии.
В галогеносеребряной фотографии в результате фотохимической реакции происходит разложение вещества и изменение его химического состава.

серебра: хлорид серебра (AgCl), бромид серебра (AgBr) и иодид серебра

(AgI), обладающие светочувствительностью к коротковолновой (сине-фиолетовой) части видимого спектра и называемые галогенидами серебра.
Они обладают не только способностью изменяться под действием света, но и усиливать эти изменения в присутствии веществ-восстановителей.

типа, имеющие форму треугольников, усеченных треугольников, шестиугольников, квадратов и т.д.,

наблюдаемые при больших увеличениях

Рис. 9. Увеличенное изображение микрокристаллов галогенидов серебра

показывающий расположение атомов в кристалле.
Кристаллическая решетка микрокристаллов галогенидов серебра

относится к простейшим – кубической, гранецентрированной.

Рис. 10. Кристаллическая решетка галогенида серебра.

равновесия за счет сил межатомного взаимодействия - притяжения разноименных и

отталкивания одноименных зарядов

Рис. 11. Притяжение и отталкивание заряженных частиц по закону Кулона.

нарушена, то энергия в кристалле распределена в среднем равномерно между

всеми ионами. Свет, взаимодействуя с таким веществом, не вызывает фотохимических превращений. Вещество с идеальной кристаллической решеткой не обладает светочувствительностью.

если затрагивают несколько последовательных ионов (линейные, плоские, объемные).
точечные, если затрагивают

только один ион;
Дефекты могут быть:
собственными,
примесными, если образованы посторонними атомами, молекулами на поверхности или внутри кристалла.

Точечные дефекты в решетке кристалла галогенида серебра:
1 – вакансия; 2

– межузельный атом.

2

1

частичного сдвига одного ряда атомов или ионов относительно соседнего.
Линейные –

это одномерные нарушения кристаллической решетки.
Плоские – простираются в двух измерениях на расстояния, соизмеримые с размерами кристалла, а в третьем составляют несколько параметров решетки.
Объемные (трехмерные) дефекты – это пустоты, поры и включения.

– удерживать частицы, попадающие в них и потерявшие часть энергии.

Чем больше энергии теряется, тем более устойчивое положение приобретает частица в этом месте. Дефекты кристаллической решетки галогенидов являются энергетическими ловушками (потенциальными ямами) для электронов. Они имеют неодинаковую «глубину». Менее глубокие - вакансии, межузельные атомы. Более глубокие - дислокации и примесные атомы. Он являются центрами светочувствительности (ЦС).

различной глубины

Р. Герни и Н. Мотт в 1938 г.
Под действием энергии

света происходит разложение светочувствительного вещества - микрокристалла галогенида серебра с образованием металлического серебра. Фотохимическая реакция протекает в две последовательные стадии: электронную и ионную.

атомов серебра, то изображение не получится (данная группировка будет нестабильна

и подвергнется распаду);
2) около 10 атомов серебра, то получится довольно стабильный субцентр скрытого изображения;
3) около 20 атомов серебра, то получится частица, достигшая критических размеров и способная к восстановлению экспонированного микрокристалла в проявляющем растворе – так называемый центр проявления.

Рис. 14. Светочувствительное устройство ПЗС-матрица.
1 – полупроводниковый материал p-типа, например

Si;
2 – слой диэлектрика SiO2;
3 – прозрачные металлические электроды (площадью 5×5 мкм);
4 – потенциальные ямы;
5 – приложенное напряжение.

светочувствительному элементу ПЗС прикла-дывается напряжение, под действием которого в слое

кремния под электродом образуется область пространства с пониженной энергией – потенциальная яма, в которой скапливаются выбиваемые из светочувствительного оксидного слоя под действием света электроны.
Скорость, с которой электроны попадают в потен-циальную яму, зависит от интенсивности света.
Элемент ПЗС ведет себя при этом как конденсатор, который в зависимости от количества падающего на него света заряжается в большей или меньшей степени.

в веществе с поглощением света и характеризует качественную сторону фотохимических

процессов (1818 г. сформулирован русским ученым Ф. И. Гротгусом).
Химические превращения в веществе могут вызывать только те лучи, которые этим веществом поглощаются. Галогениды серебра поглощают не все лучи видимой зоны спектра (обладают ограниченной цветочувствительностью).
Их природная чувствительность ограничивается лишь ультрафиолетовыми, фиолетовыми и сине-голубыми лучами.

г., Р. В. Бунзен и Н. Е. Роско).
Величина фотохимического эффекта

в светочувствительном веществе определяется количеством освещения – экспозицией, т. е. произведением интенсивности света на время его воздействия:
.
Этот закон называют законом взаимозаместимости для освещенности и времени.

реакцией и носит название закона квантовой эквивалентности. Он был сформулирован

А. Эйнштейном в 1912 г. на основе квантовой теории света в виде закона о фотохимическом эквиваленте. В фотохимическом превращении каждый поглощенный веществом квант излучения делает способной к реакции одну отдельную молекулу этого вещества.

1987. 2. Тамицкий Э. Д., Горбатов В. А. Учебная книга по

фотографии. – М., 1977. 3. Ищенко Е.П., Ищенко П.П., Зотчев В.А. Криминалистическая фотография и видеозапись. – М., 1999. 4. Булгаков В.Г., Колотушкин С.М. Компьютерные технологии в криминалистической фотографии: Учебное пособие. – Волгоград.: ВЮИ МВД России, 2000. 5. Душеин С.В., Егоров А.Г., Зайцев В.В. и др. Криминалистическая фотография: Учебник. – Саратов: СЮИ МВД России, 2003. 6. Надеждин Н.Я. Цифровая фотография. Практическое руководство. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 7. Зотчев В.А., Булгаков В.Г., Сафонов А.А. Криминалистическая фотография. Часть 1. Курс лекций. – Волгоград: ВА МВД России, 2004. 8. Зотчев В.А., Булгаков В.Г., Курин А.А. Судебная фотография и видеозапись: Учебник. – Волгоград: ВА МВД России, 2005. 9. Татарников О. Матрицы для цифровых фотоаппаратов // Компьютер-Пресс, № 1. 2007. 10. http ://www.ZOOM Cnews.ru.htm.