Светофильтр

Оптические светофильтры

Спектр пропускания рубинового стекла. Все лучи с длиной волны выше 600 нм пропускаются.

Светофильтр (в оптике, технике) — оптическое устройство, представляющее собой тело, служащее для изменения величины и спектрального состава потока оптического электромагнитного излучения при прохождении последнего через него. Различают нейтральные и селективные оптические фильтры. В заданном участке спектра для различных монохроматических составляющих излучения нейтральные фильтры имеют постоянную, а селективные переменную величину спектрального коэффициента пропускания.

Светофильтр представляет собой окрашенную пластину из оптического стекла, или полимерного материала, окрашенного в массе или по поверхности. Реже в качестве светофильтров используют растворы различных окрашенных веществ.

Классификация по назначению

Светофильтры для фотосъёмки

Различные съёмочные светофильтры

Светофильтр в фотографии и кинематографе, съёмочный светофильтр — оптическое устройство, которое служит для подавления, выделения или преобразования части светового потока, обычно части спектра.

• Светофильтры воздействуют на световой поток, не ограничивая его апертуру или поле зрения, в отличие от апертурной диафрагмы, полевой диафрагмы.
• Светофильтры предназначены для воздействия на основной световой поток от снимаемой сцены, в отличие от бленды, ограничивающей действие паразитного светового потока.
• Светофильтры (кроме некоторых эффектных, призматических), в отличие от линз, не изменяют направления световых лучей в оптической системе.

Фотосъёмочные светофильтры устанавливается на объектив оптических приборов или фото-/кинокамер. В фотографии светофильтры применяются для корректировки цвета, изменения яркости и контрастности фотографируемых объектов уже в процессе фотографирования, а также в процессе цветной фотопечати. Светофильтры применяются также для создания различных цветовых и световых эффектов.

Крепление светофильтров к объективу осуществляется обычно резьбовым соединением (реже используется насадочные фильтры), перед передней линзой объектива. Для сверхширокоугольных объективов из-за особенностей их оправы часто предусматривают крепление за задней линзой объектива. В проекционных и осветительных системах фильтры (особенно тепловые) часто устанавливаются между источником света и остальной оптической системой.

Крепление светофильтров к киносъёмочному объективу, совмещённое со светозащитной блендой, называется компендиум.

Маркируются съёмочные светофильтры диаметром присоединительной резьбы, условным обозначением типа фильтра и необязательным указанием кратности экспозиции (1^x — не требуется изменение экспозиции, 4^x — требуется увеличение экспозиции на 2 ступени). Кратность фильтра зависит от спектрального состава света и от спектральной чувствительности фотоматериала. Например, светофильтр Ж-2^x имеет кратность около 6 для изоортохроматических и 2 — для панхроматических материалов при спектральном составе света, близком к дневному освещению.

Светофильтры в чёрно-белой фотографии

В чёрно-белой фотографии, до изобретения панхроматических и изопанхроматических фотоматериалов, светофильтры использовались для корректировки излишней светочувствительности плёнки к синему участку спектра, и недостаточной - к красному и жёлтому диапазону. Кроме того, цветные светофильтры, применявшиеся при съёмке на чёрно-белые плёнки, помогали управлять контрастом сюжета, выделять облака на небе, избавляться от веснушек на портрете, и так далее.

Обычные светофильтры

• Защитный фильтр - предназначен для предохранения передней поверхности объектива от механических воздействий. Часто в этой роли используется обычный стеклянный фильтр из силикатного стекла, или ультрафиолетовый фильтр.
• Нейтральный светофильтр (НС) служит для снижения эффективной светосилы объектива без изменения геометрической, а также для снижения эффективной светосилы объектива, не имеющего диафрагмы. Изготавливается из оптического стекла, практически равномерно поглощающего свет в оптическом диапазоне (см. серая шкала), или напылением металла на поверхность стекла.
• Солнечный фильтр — чрезвычайно плотный нейтральный фильтр, позволяющий без вреда для фотографа и фотоматериала снимать Солнце, ядерный взрыв и другие явления, значительно превышающие по яркости обычные предметы.
• Градиентный фильтр выравнивает яркость сцены, притемняя или меняя цвет части изображения. Обычно служит для компенсации избыточной яркости неба и для получения различных художественных эффектов. Также применяется термин «Оттенённый светофильтр».
• Спектральные (цветные) фильтры
  • Ультрафиолетовый фильтр (бесцветный фильтр) — предназначен для снижения воздействия ультрафиолетовой части спектра в горных, высотных и иных аналогичных условиях съёмки. Актуален только в случае, если объектив пропускает ультрафиолетовую часть спектра.
  • Инфракрасный фильтр — пропускает инфракрасную часть спектра, задерживая все остальные части спектра.
  • Корректирующие фильтры применяются в чёрно-белой фотографии — «жёлтый фильтр», «оранжевый фильтр» и «красный фильтр». Эти фильтры демпфируют синюю часть спектра и делают изображение более контрастным.
  • Конверсионный фильтр — общее название группы фильтров, служащих для преобразования (конверсии) спектра от одного типа освещённости - к другому
    • Для цветной фотографии применяются светофильтры всевозможных цветовых оттенков. Например, «красно-коричневые фильтры» и «синие фильтры» для создания эффекта искусственного освещения при дневном свете или эффекта дневного света при искусственном освещении. Светофильтры использовались также для приспособления чувствительности отдельных типов фотоматериалов к тому или иному освещению, чтобы цветопередача на фотографиях была нормальной и естественной.
    • Флуоресцентный фильтр — специальный корректирующий светофильтр, приводящий освещение лампами дневного света к балансу, близкому к лампам накаливания.

В цифровой фотографии цветные светофильтры используются реже, так как последующая обработки изображения на компьютере позволяет получить практически идентичные их применению результаты.

Эффектные фильтры

Имеется множество фильтров, которые в процессе фотографирования или киносъёмки производят различные световые эффекты на изображении. Например, светящиеся короны вокруг источников света или сверкающие в различных местах звёзды. Используются также различные цветные фильтры, которые изменяют цветовые переходы и соотношение цветов.

• Туманные — создают эффект дымки, тумана. Понижают контраст и насыщенность цвета
• Диффузные (софт-фильтр) — снижают резкость. Изготавливаются:
  • Рефракционные. Простейший вариант — вазелин на стекле
  • Дифракционные. Большое количество тонких штрихов, нанесённых на стекло
• Звёздные — превращают изображения точечных источников света и ярких бликов в «звёзды». Обычно используют явление дифракции. Обозначаются по числу лучей. Изготавливаются нанесением на стекло нескольких групп параллельных прямолинейных штрихов, создающих дифракционную картину. Число образуемых лучей всегда вдвое больше числа групп штрихов. Некоторые фильтры носят отдельные названия:
  • Солнечные — восьмилучевые
  • Астроиды — четырёхлучевые
• Радужные — образуют гало или радужное пятно дифракционного происхождения вокруг изображений точечных источников света.
• Цветные и многоцветные — изменяют цветовое решение снимаемой сцены или её части
• Множительные призмы — создают дублированное изображение
• Синтезированные голографические фильтры — Голографическое изображение оптической системы является оптической системой. Однако помимо съёмки существующих оптических систем, можно рассчитать технически не реализуемую в веществе оптическую систему, после чего синтезировать голограмму такой системы и напечатать такую голограмму (например, отштамповать её на прозрачном пластике). Таким образом изготавливаются «коронные», «спиральные» фильтры, результатом применения которых является создание определённой формы (не реализуемой никакими другими фильтрами)вокруг изображений источников света. В строго математическом смысле, звёздные фильтры являются частным случаем синтезированных голографических.
• Поляризационные фильтры — см. ниже

Насадочные линзы

Из-за одинакового способа применения и закрепления на объективе к съёмочным светофильтрам часто относят насадочные линзы:

• Полулинза — закреплённая в поворотной оправе половинка положительной линзы. Создаёт эффект различного расстояния наводки на резкость для частей кадра. Как правило, применяется в макросъёмке для получения резкого изображения двух различных участков кадра, при невозможности достичь диафграмированием необходимой глубины резко изображаемого пространства.
• Макролинза — служит для макросъёмки, применяется в основном на аппаратах с несменной оптикой. Обозначается оптическая сила в диоптриях или фокусное расстояние.

Светофильтры и методы цветной фотографии

Аддитивные фильтры

Аддитивные светофильтры (лат. additivus — прибавляемый) — цветоделительные зональные светофильтры, выделяющие из исходного светового потока белого света трёх пространственно разделённых (с помощью других оптических элементов) потоков: синего, зелёного и красного. Любые цвета в пределах цветового охвата системы этих трёх фильтров могут быть получены смешиванием этих трёх потоков в различных пропорциях. Это смешивание называется Аддитивный синтез цвета. Обычно применяются абсорбционные фильтры, а также комбинации из абсорбционных и интерфереционных, для получения высокой точности цветопередачи. Аддитивные светофильтры — важная деталь осветительных систем проекционных телевизионных систем. Применяются в кинокопировальной технике и в увеличителях для цветных материалов. С развитием цифровой фотографии широко применяются в CCD матрицах.

В конструкции цифровых фотоаппаратов

• Зональные светофильтры для цветоделения. Являются частью массива цветных фильтров и обычно являются неотъемлемой частью матрицы.
• АА-фильтр (англ. Antialiasing фильтр), называемый также «фильтр низких частот», «low-pass фильтр». Служит для устранения эффекта цветного муара, связанного с мозаичной структурой массива цветных фильтров. Обычно объединён с матрицей.
• ИК-фильтр — интерференционный фильтр, необходимый для устраниения влияния на изображение невидимой инфракрасной части спектра. Обычно располагается в непосредственной близости от матрицы.

Теплозащитные

Дихроическе фильтры

Тепловой фильтр или дихроический фильтр — избирательно поглощает или отражает инфракрасное излучение и пропускает с малыми потерями диапазон видимого света. Применяются в осветительной аппаратуре, в проекторах для защиты плёнки, а такжже при микросъёмке для защиты биологических объектов от нагревания. Ранее применялись слабо окрашенные голубые и зелёные абсорбционные фильтры (обозначение СЗС для выпускавшихся в СССР). Удешевление производства значительно более эффективных интерфереционных фильтров привело к их массовому применению.

Классификация светофильтров по принципу действия

Абсорбционные

(лат. absorbeo — поглощаю). Обладают спектральной избирательностью, обусловленной различным поглощением различных участков спектра электромагнитного излучения. Наиболее массовые фильтры. Производятся на основе окрашенных оптических стёкол или органических веществ (например, из желатины).

• Стеклянные фильтры отличаются стабильностью характеристик, высокой устойчивостью к температурным и иным воздействиям.
• Желатиновые фильтры, несмотря на большее разнообразие оптических характеристик, механически непрочны, быстро выцветают, и потому намного менее распространены, чем стеклянные.
• Пластмассовые фильтры находят применение благодаря намного большей лёгкости окраски и разнообразия получаемых свойств по сравнению со стеклянными. Они долговечнее желатиновых.
• Жидкостные светофильтры — сосуды со стеклянными стенками, заполненные растворами красителей. Используются редко, в основном в научных исследованиях, при наличии у используемого вещества уникальных характеристик.

Интерференционные

Отражает одну и пропускает другую часть спектра падающего излучения, благодаря явлению многолучевой интерференции в тонких диэлектрических плёнках. Также называется Дихроичный фильтр.

Отражательные

Действие отражательных фильтров основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала. Преимуществом отражательного фильтра перед абсорбционными является единственность участвующей в оптической системе поверхности и отсутствии хроматических аберраций, вносимых преломляющими прозрачными средами.

Поляризационные

Простейший съёмочный поляризационный фильтр линейной поляризации (англ. Linear Polarizer, LP) содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.

Дисперсные

(от лат. dispersio — рассеяние) основаны на зависимости показателя преломления от длины волны. В сочетании с отражающими и/или интерфереционными фильтрами, а также растром часто служат для создания расщепляющих оптических систем — дихроических призм. Находят применение в современных мультимедийных проекторах, где являются основным инструментом разделения светового потока мощной лампы накаливания на три спектральных диапазона. Применяются в качестве эффектных фильтров для получения радужных изображений.

По типу выделяемой части спектра

• Узкополосные
• Односторонние
• Двухсторонние
• Корректирующие

Корректирующие фильтры частично поглощают свет в одних участках спектра и пропускают в других. Например, фильтр BG34 снижает интенсивность излучения вольфрамовой галогенной лампы в районе 600 нм, пропуская при этом все излучение в красной и синей областях, где чувствительность детектора ниже.

Корректирующие фильтры выпускались для коррекции цветового баланса фотосъёмки, например для съёмки при свете ламп накаливания на фотоплёнку, предназначенную для дневного света (см. цветовая температура).

Специальные светофильтры

• Внутренние фильтры используются, например, для маскировки (коррекция светочувствительности фотоматериалов или их отдельных слоёв)
• Светофильтры для мокрого процесса цветной фотопечати (обеспечивают освещение фотолаборатории в узком диапазоне видимого света, к которому нечувствительна цветная фотобумага).

Светофильтры для источников света

• Светофильтры для сигнальных фонарей (стандартизованы, для отдельных областей человеческой деятельности - светофоров и пр.)
• Театральные светофильтры (используются для создания спецэффектов)

См. также

• Оптическая система
• Оптические устройства

Литература

• Хеймен Р. Светофильтры (Rex Hayman. Filters)
• Фотокинотехника. Энциклопедия. Гл.ред. Е. А. Иофис, М., «Советская Энциклопедия», 1981.
• Л. П. Ярославский, Н. С. Мерзляков. Методы цифровой голографии, М., «Наука», 1977.