Тип статьи: 
Технические

Съемка в УФ и ИК диапазонах

Существует большое количество феноменов, проявляющихся исключительно при съемке фотоаппаратом или видеокамерой, но при этом недоступных для органов чувств человека. К таким явлениям относятся криттеры, плазмоиды, летающие стержни, память поля и др. Все эти феномены чрезвычайно популярны у исследователей паранормальных явлений: в интернете можно найти огромное количество фотографий, относящихся к любому из них; на форумах ведутся ожесточенные споры об их природе; организуются экспедиции в места, в которых часто получаются аномальные фотографии. Существуют даже признанные многими аномальные зоны, в которых эти феномены проявляются наиболее часто.

Но почему же на фотографиях проявляется то, что не видно человеку невооруженным взглядом? Наиболее распространенным является следующее объяснение:

Цитата:

«Человеческий глаз видит лишь узкую часть электромагнитного спектра. По обе стороны от видимого диапазона частот лежат области, недоступные для нашего непосредственного восприятия. Мы не знаем, что (или кто) в них находится. Для того, чтобы проникнуть туда, необходимо использовать специальные приборы, такие как фотоаппараты, диапазон чувствительности которых шире, чем у человеческого глаза. С их помощью, возможно, мы сможем обнаружить недоступный нам мир, существующий параллельно с нашим.»

При этом объяснения часто расходятся в том, что именно лежит за гранью нашей видимости: кто-то говорит о живых (а некоторые даже о разумных) существах, кто-то о параллельной реальности, а кто-то о миражах или голограммах, каким-то образом воспроизводящих события прошлого. В этой статье мы не будем касаться конкретных гипотез, а попытаемся выяснить, в каком же диапазоне могут эти явления видимы.

Данная статья продолжает серию публикаций, в которых мы попытаемся разобраться, можно ли с помощью фотоаппарата заглянуть за грань обыденного, существуют ли все эти феномены на самом деле, и если да, то какова их истинная причина. Для краткости в этих статьях мы объединим явления, проявляющиеся только при фото- или видеосъемке, термином «фотофеномены».
 

Зрение человека

У нас уже опубликована статья, посвященная особенностям зрения человека. Мы не будем ее повторять, остановимся лишь на тех моментах, которые важны для понимания дальнейших рассуждений.

До 90 % информации о внешнем мире человек получает от органов зрения. Человеческий глаз – чрезвычайно сложный прибор, регистрирующий электромагнитные колебания с чувствительностью, позволяющей реагировать на отдельные фотоны.

Однако, как и любой точный прибор, глаз работает лишь в узком диапазоне допустимых значений входных параметров. Проще говоря, глаз позволяет видеть электромагнитные волны узкого диапазона частот – приблизительно от 385-395 до 750-790 ТГц (длина волны от 380-400 до 760-780 нм). Этот диапазон частот (или длин волн) электромагнитных колебаний называется «видимым диапазоном» [1].

При этом нужно учитывать, что видимый диапазон не имеет четких границ. Глаз имеет максимальную чувствительность к излучению с частотой около 540 ТГц (длина волны 555 нм). При удалении по частоте от точки максимума чувствительность глаза постепенно снижается до нуля, причем характер этой кривой является индивидуальным для человека. Таким образом, указать строгие границы видимого диапазона невозможно.

Для электромагнитных излучений, чьи диапазоны длин волн непосредственно прилегают к диапазону видимого света, существуют специальные названия. Излучения с длинами волн, меньшими, чем нижняя граница видимого диапазона, называются ультрафиолетовыми; с большими – инфракрасными. Каждая из этих областей, в свою очередь, разделяется на поддиапазоны: ближний, средний и дальний, в зависимости от расстояния до границы видимого диапазона (таблица 1, [2]).

Таблица 1. Видимый свет и прилегающие диапазоны длин волн
 

Диапазон длин волн 100-280 нм 280-315 нм 315-380 нм 380-780 нм 780 нм – 1,4 мкм 1,4-3 мкм 3 мкм – 1 мм
Название (обозначение) Дальний УФ диапазон
(УФ-С)
Средний УФ диапазон
(УФ-В)
Ближний УФ диапазон
(УФ-А)
Видимый свет Ближний ИК диапазон
(ИК-А)
Средний ИК диапазон
(ИК-В)
Дальний ИК диапазон
(ИК-С)

Зависимость чувствительности глаза (или иного светочувствительного элемента) от частоты электромагнитного колебания называется спектральной чувствительностью. В человеческом глазе присутствуют два типа световых рецепторов: палочки и колбочки. Первые отвечают за восприятие в условиях пониженного освещения (сумеречное зрение), вторые – за остроту зрения и цветовосприятие (дневное зрение) [3]. Спектральная чувствительность у этих рецепторов разная, у палочек ее максимум смещен в сторону меньших длин волн. Графики нормированной к максимуму спектральной чувствительности человеческого глаза для сумеречного и дневного зрения приведены на рисунке 1.


Рисунок 1. График нормированной к максимуму спектральной чувствительности глаза [4]

Необходимо понимать, что именно такая область чувствительности глаза выбрана природой не случайно. Видимый диапазон электромагнитных волн попадает в одно из двух окон прозрачности атмосферы Земли [5].

Окнами прозрачности называются диапазоны длин волн, при которых электромагнитное излучение не поглощается или поглощается незначительно. Применительно к атмосфере земли говорят о двух окнах прозрачности: оптическом (от 300 до 1500-2000 нм) и радио (от 1 мм до 15-30 м). Для всех других длин волн атмосфера является непрозрачной, что обуславливается поглощением и рассеянием излучения на молекулах и атомах, а также отражением радиоволн от электронов ионосферы.

Таким образом, человеческий глаз реагирует именно на те электромагнитные колебания, которые могут беспрепятственно распространяться в атмосфере Земли. Большинство животных на нашей планете также видят именно в этом диапазоне частот (с незначительными отклонениями – например, спектральная чувствительность зрительных органов пчелы смещена в сторону ближнего ультрафиолетового диапазона). Это позволяет сделать радиус обзора максимально возможным для нашей планеты, что является целесообразным как с точки зрения эволюции и естественного отбора, так и с точки зрения теорий креационизма.

Спектральная чувствительность фотокамер

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что человек действительно видит лишь малую часть окружающего его электромагнитного излучения. Очевидно, что, используя специальные средства, можно зарегистрировать его в более широком диапазоне частот.

Традиционно самыми доступными таким средствами считаются фотоаппараты и видеокамеры. При этом нужно иметь в виду, что в недавнем прошлом в сфере фото- и видеосъемки произошла настоящая революция, вызванная повсеместным распространением цифровых камер. При грубой оценке можно считать, что подавляющее большинство фотографий до 2001 года было сделано с использованием пленочной камеры, тогда как фотографии, появившиеся после начала XXI века, в большинстве своем являются цифровыми.

Цифровые фотографии, хоть и имеют то же назначение, что и пленочные (фиксировать то, что видит перед собой фотограф), используют совершенно иной способ формирования изображения, что приводит к различиям в том числе в природе запечатлеваемых фотофеноменов.

Говоря о спектральной чувствительности фотокамер, обычно имеют в виду суммарную чувствительность системы «светофльтр-объектив-светочувствительный элемент». Далее мы рассмотрим влияние каждого из этих компонентов на возможность делать фотоснимки в расширенном диапазоне частот.

Начнем с пленочных фотоаппаратов и собственно фотопленки. Типичные кривые спектральной чувствительности некоторых материалов, используемых при производстве фотопленок, приведены на рисунке 2.


Рисунок 2. Типичные кривые спектральной чувствительности фотоматериалов: 1 – несенсибилизированного, 2 – изоортохроматического, 3 – изопанхроматического, 4 – панхроматического, 5 – инфрахроматического.

Как видно из этих кривых, обычная фотопленка способна регистрировать ультрафиолет всех поддиапазонов. При этом результаты съемки в УФ-диапазоне зависят от типа применяемой пленки [2]:

  • чёрно-белая негативная плёнка воспринимает ультрафиолет лучше всех (кроме пленок, обрабатываемых по цветному процессу C-41, которые совершенно равнодушны к ультрафиолету, поскольку их чувствительность заканчивается на 380 нм);
  • цветная негативная плёнка хорошо воспринимает ближний и средний УФ-диапазоны, причем чем выше чувствительность (ISO) пленки, тем восприимчивее она к ультрафиолету;
  • цветная обращаемая плёнка совершенно не подходит для ультрафиолетовой фотосъёмки, т.к. кривая её спектральной чувствительности заканчивается уже на длинах волн 370-380 нм.

Обычная пленка практически не воспринимает свет инфракрасного диапазона. Для создания ИК-фотоснимков используют специальные фотопленки, в которых применяются инфрахроматические светочувствительные материалы (кривая 5 на рисунке 2). Спектральная чувствительность некоторых из таких пленок приведена на рисунке 3 [6].


Рисунок 3. Кривые спектральной чувствительности инфракрасных фотопленок

Из этих графиков видно, что чувствительность даже специализированной ИК-фотопленки ограничена значением длин волн около 900 нм, т.е. находится в пределах ближнего ИК-диапазона.

В цифровых фото- и видеокамерах светочувствительными элементами являются приборы с зарядовой связью – ПЗС-матрицы. ПЗС-фотодатчики состоят из отдельных микродатчиков (пикселей), расположенных на кремниевом фотоэлементе. Спектральная чувствительность кремниевого фотоэлемента лежит в диапазоне между синими и ближними инфракрасными лучами (рисунок 4).


Рисунок 4. Типичная кривая спектральной чувствительности ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата

Нижним пределом восприимчивости матриц сегодняшних цифровых фотоаппаратов является длина волны около 330 нм, т.е. цифровые фотоаппараты чувствительны только к излучениям ближнего УФ-диапазона. Сверху чувствительность ПЗС-матрицы ограничена значением длин волн около 1,2 мкм, т.е. цифровые камеры могут воспринимать только излучения ближнего ИК-диапазона.

Однако не все так просто. Высокая чувствительность матрицы к ИК-излучению является вредным фактором для большинства фотографов, т.к. оно приводит к излишней засветке фотографий. Чтобы этого избежать, практически во все современные цифровые камеры производители устанавливают специальные фильтры (hot-mirror), не пропускающие ИК-излучение. Внешний вид фильтра hot-mirror фотоаппарата Canon 350D приведен на рисунке 5.

 

 
Рисунок 5. Фильтр hot-mirror фотоаппарата Canon 350D: на ПЗС-матрице (слева) и отдельно (справа) [7]

Типовая зависимость пропускной способности подобных фильтров от длины волны приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Типовая зависимость пропускной способности hot-mirror фильтра [8]

Как можно понять из рисунка, фильтр hot-mirror может как задерживать только ИК-излучение (верхний график), так и вовсе пропускать только волны видимого диапазона частот (нижний график). Для обеспечения возможности фотосъемки в ИК (а часто и УФ) диапазоне частот этот фильтр удаляют. В изначальном же (заводском) исполнении цифровые фотоаппараты практически невосприимчивы к ИК-излучению.

Прежде чем попасть на чувствительный элемент, будь то фотопленка или ПЗС-матрица, свет проходит через объектив, представляющий собой сложную систему стеклянных линз. Объектив также оказывает влияние на спектральные характеристики проходящего через него излучения. Типовая кривая пропускной способности объектива современной камеры приведена на рисунке 7.


Рисунок 7. Типовая кривая пропускания объектива [2]

Из этого рисунка видно, что для обычного объектива полоса пропускания ограничена снизу значением длин волн около 340-350 нм. Это означает, что он пропускает свет только ближнего УФ-диапазона. Для цифровых фотоаппаратов это не имеет значения, т.к. их матрицы дальний и средний УФ-диапазоны не воспринимают. А вот для при съемке пленочным фотоаппаратом использование такого объектива приводит к потере части информации, которая могла бы быть воспринята светочувствительным элементом – пленкой. Большинству фотографов это играет на руку – не видимое человеческим глазом ультрафиолетовое излучение, попав на пленку, вызывает излишнюю засветку и, как результат, искажение получаемого изображения. Те же из фотографов, кто желает делать фотографии в расширенном диапазоне, регистрируя полный спектр ультрафиолетового излучения, вынуждены использовать дорогостоящие специальные объективы (например, такие, стоимость $ 5 350) или не использовать их вовсе (съемка по технологии «пинхол» [9], на которой мы подробнее остановимся позже).

Есть еще одна часть оптической системы фотоаппарата, оказывающая сильное влияние на формируемое изображение – светофильтры, которых существует большое число разновидностей: ультрафиолетовые, поляризационные, нейтральные, инфракрасные и т.п. Нас интересуют только те из них, которые меняют спектральные характеристики света, попадающего в объектив:

  • UV – это фильтры, задерживающие излучение УФ-диапазона;
  • UV-pass – фильтры, пропускающие только УФ-излучение;
  • IR – фильтры, пропускающие только ИК-излучение.

Существуют также комбинированные фильтры, созданные из специального стекла Schott UG 1 и пропускающие излучение одновременно в УФ и ИК диапазонах длин волн (см рисунок 8).


Рисунок 8. Кривая пропускания фильтра на базе стекла Schott UG 1 [10]

По некоторым данным, в качестве комбинированного светофильтра также могут выступать два поляризационных фильтра, повернутых друг относительно друга таким образом, что все видимое излучение оказывается задержано [11].
При создании УФ и ИК-фотографий для достижения нужного эффекта фотографы часто используют UV-pass, IR или комбинированные светофильтры, чтобы устранить влияние на результирующее изображение излучения видимого диапазона.

Ну и напоследок осталось немного рассказать об обособленной технике фотографирования – так называемой пинхол-фотографии. Пинхол представляет собой упрощенный тип фотографической конструкции: это необычные камеры с отсутствием объектива – его заменяет небольшое отверстие (щель), имеющее диаметр около одного миллиметра. Четкость полученного изображения зависит от величины щели – чем она меньше, тем более резким получается изображение. Раньше эти отверстия делались с помощью булавки или иголки, откуда и пошло название самой техники съемки. Изображения, получаемые посредством пинхола, обладает бесконечной глубиной резкости, то есть объекты, расположенные близко и далеко от камеры, на изображении будут переданы одинаково резко. Все объекты, таким образом, сливаются в одну цельную картину, в которой нет разделения по планам. При этом само изображение часто получается немного замыленным, что объясняется необходимостью установки большой выдержки.


Рисунок 9. Изображение, полученное с помощью пинхола [12]

Как понятно из описания технологии, использование пинхола позволяет исключить влияние объектива и светофильтров на получаемое изображение и изготовить фотографии, в которых присутствуют результаты воздействия всех спектральных составляющих излучения, на которые способен реагировать светочувствительный элемент.

Заключение

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

  1. При съемке обычным пленочным фотоаппаратом можно зафиксировать только излучение ближнего УФ-диапазона. Для того, чтобы запечатлеть волны среднего и дальнего УФ-диапазонов, необходимо использовать специальные дорогостоящие объективы (либо снимать вовсе без объектива, используя технику «пинхол»). Для ИК-съемки необходимо использовать специальную фотопленку.
  2. При съемке цифровым фотоаппаратом, не подвергавшемся преднамеренной аппаратной доработке, может быть доступен (и то не всегда) лишь ближний УФ-диапазон. Если удалить из фотоаппарата установленный производителем фильтр hot-mirror, то становится доступна съемка в ближнем ИК-диапазоне. Фотосъемка в средних и дальних УФ и ИК диапазонах на цифровой фотоаппарат невозможна из-за ограниченной спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.
  3. Для того, чтобы получить фотографии только в УФ и/или ИК диапазонах, необходимо устранить видимое излучение с помощью специальных светофильтров.

Из этого следует, что на большинстве существующих фотографий зарегистрировано изображение, полученное на основе излучения видимого и ближнего УФ диапазонов. Излучение других диапазонов (ИК, УФ-С, УФ-В) может оказать влияние на изображение только в том случае, если фотограф приложил для этого какие-либо усилия – доработал фотоаппарат, использовал специальную пленку или объектив.

В следующей статье этой серии мы рассмотрим особенности изображений на фотографиях, сделанных в УФ и ИК диапазонах длин волн.

Орфографическая ошибка в тексте:
Чтобы сообщить об ошибке, нажмите кнопку "Отправить сообщение об ошибке". Также вы можете добавить свой комментарий.