Занимательная спектроскопия

Часто можно услышать рассуждения о плохой или хорошей цветопередаче в той или иной камере, о неудовлетворительном балансе белого. Попытаемся разобраться в этом вопросе не с субъективной физиологической точки зрения, поскольку все мы немного, если не лошади, то дальтоники, а с объективной, физической, т.е. разберемся, какие длины волн регистрирует камера и какие могут быть воспроизведены с помощью электронно-лучевого или жидко-кристаллического монитора. Поможет нам в этом та самая камера, чью способность воспринимать свет той или иной длины волны мы собираемся исследовать. Как повелось еще с самого рождения фотографии, камера для этого очень неплохо приспособлена. Спектрограф – прибор для регистрации спектров различных излучений - состоит из коллиматора, диспергирующего элемента и фотокамеры.

С физической точки зрения цвет определяется спектральным составом источников света и фильтрами, через которые он проходит или отражается. Воспроизводится свет тоже с помощью источников, которые либо сами формируют изображение, как в мониторе, либо освещают отпечатанные фотографии. Для того, чтобы изучить свет окружающих нас источников, нам нужно разложить его на составляющие. Чтобы разложить свет на составляющие, нам нужен диспергирующий элемент. Им может быть либо призма, либо дифракционная решетка. Призма использовалась Ньютоном уже триста лет назад, а решетка - Фраунгофером двести лет назад. С рождением фотографии она сразу же была использована для регистрации спектров. Уже в 1843 году Дрепер сфотографировал солнечный спектр и на полученном дагерротипе обнаружил новые темные линии в ультрафиолетовой области. К темным линиям мы еще вернемся в этой статье, а пока отмечу, что цифровая камера тоже неплохо приспособлена для съемки спектра. Хотя, конечно, фотографий, сравнимых по качеству с работами И.Ф. Усагина, с ее помощью не получишь.

За прошедшие столетия изменились разве, что названия фирм, выпускающих оптические приборы. Сегодня можно воспользоваться, например, дифракционными фильтрами и призмами французской фирмы Cokin. Наиболее подходят для наших целей P040 Diffractor Cosmos и призма Prism Ref.219. Она, естественно, не единственная, но ее изделия наиболее доступны и продаются во многих магазинах Москвы.

P 040 COSMOS. Цветной блик хорошо виден, поскольку решетка работает и в отраженном свете. Если у вас нет ни призмы, ни дифракционного фильтра, то можно воспользоваться обычным CD диском. О том, как это сделать, читайте в статье.

К сожалению, и решетки, и призмы этой фирмы не имеют маркировки, позволяющей их использовать хотя бы в научно-познавательных целях. Неизвестен ни шаг решетки, ни дисперсия призмы. Однако их можно попытаться определить самостоятельно. С решеткой работать проще. Во-первых, она дешевле, во-вторых, легче, в-третьих, оптическую схему можно соорудить из стандартных элементов той же фирмы, закрепив все оптические элементы вдоль оптической оси. Призма же оптическую ось ломает, и с креплениями элементов под углом друг к другу возникают дополнительные трудности. Калибровка в случае решетки тоже несколько проще. Зная угол отклонения и шаг решетки, можно вычислить длину волны. Угол, если в кадр одновременно попадает и источник, и его спектр, можно вычислить, зная размер пикселя и фокусное расстояние объектива. Однако, как уже было сказано, шаг решетки нам неизвестен, поэтому попытаемся его определить с помощью микроскопа. На нижеприведенных фотографиях изображены снятая под микроскопом решетка и объект-микрометр.

Хотя решетка и довольно посредственная, но 4 мкм все равно близко к пределу наших возможностей, поэтому хорошо бы проверить наши вычисления с помощью какого-нибудь источника с известной длиной волны. В принципе, если такой известный источник у нас есть, то мы могли бы и не считать штрихи решетки. Можно взять, например, гелий-неоновый лазер с известной длиной волны 632,8 нм, однако лазер не является самым доступным прибором. Лазерная указка тоже дает относительно монохроматическое излучение, но, как будет показано в дальнейшем, у разных лазерных указок длина волны несколько различается, хотя и лежит у всех вблизи 650 нм. Обращение с лазером и лазерной указкой требует соблюдения мер предосторожности. Однако самое доступное решение лежит на обеденном столе. Пуд соли нам не понадобится и есть его тоже. Нам надо взять совсем немного поваренной соли, растворить ее в воде, обмакнуть в раствор проволоку и внести ее в пламя газовой горелки. Линий там несколько, но реперную точку в 589 нм мы определим достаточно точно.

Попробуем рассчитать длину волны линии Натрия по этой фотографии. Размер пикселя 7,4 мкм, отклонение (на исходном снимке)1014 пикселей или 7,4 мм. Фокусное расстояние объектива 50 мм, шаг решетки 4 мкм. Рассмотрим дифракцию на шели; в этом случае длина волны относится к ширине щели так же как смещение линии a фокальной плоскости к фокусному расстоянию. Получим 592 нм. Столь точный результат ( линия Na 589 нм), конечно, случайное совпадение, обусловленное тем, что нам повезло и ошибки в измерении щели компенсировались ошибкой в определении дистанции фокусировки. Объектив был сфокусирован не на бесконечность и, следовательно, дистанция фокусировки не совпадала с фокусным расстоянием. Но коль скоро мы сумели снять линию натрия, то, зная ее длину волны, мы можем точно вычислить и другие линии спектра вне зависимости от наших знаний шага решетки, размера пикселя и фокусного расстояния объектива.

Чтобы повысить вдвое точность измерений, надо бы, чтобы на матрицу попадал только спектр, а не он и изображение щели. В этом случае для калибровки нужно уже две реперных точки. Как заметил Волластон в 1802 году, в спектре солнца есть черные полосы. Позже в 1814 их независимо заметил Фраунгофер, и его имя они и носят. Ну а объяснил их природу Кирхгоф в 1859 году. Как откалибровать полученные снимки, я более-менее пояснил. Теперь посмотрим, что и как можно сфотографировать.

Самый простой способ – просто поместить дифракционный фильтр перед объективом и снимать бесконечно удаленные источники света. В этом случае на одной фотографии мы сразу увидим и пейзаж, и спектры от источников, что весьма удобно для классификации установленных во дворе фонарей. Для более точных результатов можно перед фильтром поместить еще один объектив, в фокальной плоскости которого закрепить щель. Щель составлена из двух лезвий бритвы приклеенных к стеклу.

В этом случае расходящийся пучок света от щели превращается объективом в параллельный, а далее объективом камеры, наведенным на бесконечность, параллельный пучок сводится в точку на матрице. Между двумя объективами располагается дифракционная решетка. В данной конструкции использовались 2 объектива Гелиос 44.

Рассмотрим полученный спектр. Ниже приведена миниатюра исходного снимка.

Вырежем из нее интересующий нас участок, откалибруемся, наложив снимки спектров лазера и поваренной соли, внесенной в пламя горелки. Будем рассматривать одновременно и сам зарегистрированный камерой цветной спектр, и график изменения яркости, полученный с помощью программы Дмитрия Кузнецова "Levels ". Яркость в данном случае понимается как величина, пропорциональная сигналу на матрице, и без дополнительной калибровки по спектру источника с известной зависимостью энергии от длины волны не позволяет сравнивать энергию в соседних участках спектра.

На фоне шкалы в нм показаны реперные линии: натрия 589 нм, гелий неонового лазера ЛГН 207 632,8 нм и две линии, соответствующие двум имеющимся у меня лазерным указкам. Приведенные спектры отличаются временем экспозиции. Сверху вниз : 1/4 с, 1/8 с, 1/15 с, 1/30 с.

Глядя на экран, кажется, что на снимке спектра лампы накаливания желтый цвет отсутствует и появляется только в тех случаях, когда мы экспонировали снимок столь долго, что сигнал в красной и зеленой области уже ушел в насыщение. Спектр лампы накаливания гладкий, никаких провалов в желтой области не имеет. График яркости показывает вообще обратную картину: камера приписала области вблизи 580 нм большее значение, чем окружающей зеленой и красной области. Значит, проблема неправильного цветовоспроизведения не в камере, а в мониторах. И действительно, как будет показано ниже, на спектрах белого свечения ЭЛТ и ЖК мониторов мы видим полное отсутствие излучения с длинами волн в этой области спектра. Оттенки зеленого в диапазоне 530 - 560 нм камера не различает, в этой области сигнал зарегистрирован только в зеленом канале. Т.е. тема баланса белого относится исключительно к снимку серой карты и в случае регистрации цветных объектов никакого смысла не имеет.

Полученный прибор можно использовать и для оценки спектра пропускания имеющихся у вас фильтров. В этом случае, чтобы расширить диапазон, есть смысл воспользоваться камерой, у которой убран собственный корректирующий фильтр, отсекающий УФ и ИК области спектра. Функция, позволяющая снимать без ИК фильтра, есть у многих камер Sony, например: DSC-V1 или DSC-F828, но поскольку настоящего экспериментатора ничего не может остановить (прослушать гимн экспериментатора), то можно выломать фильтр и из любой другой камеры :-) Как это делал я, читайте здесь.

В случае сплошного спектра в диапазоне 400 - 900 нм уже возникает проблема спектра второго порядка, в районе 800 нм накладывается ИК часть от спектра первого порядка и УФ от спектра второго.

Результаты измерений

Калибровка

В этом разделе изучается только спектральный состав. Т.е. наличие света с той или иной длиной волны, сравнивать разные спектры по величине сигнала в тойи или ной области спектра нельзя. Снимки сделаны с разными выдержками.

На снимке приведены линии натрия, гелий-неонового лазера ЛГН 207, двух лазерных указок и синего светодиода из ручки с невидимыми чернилами. Последний позволяет нам увидеть, где начинается зона спектров второго порядка и, соответственно, если мы хотим изучать спектры в ИК области от источников, излучающих во всем спектральном диапазоне, то надо принять меры по отсечке с помощью, например, фильтров синей области спектра.

Источники света и фильтры

Солнце

На снимке видны фраунгоферовы линии. Приведенный снимок уменьшен примерно в два раза и усреднен по вертикали. (Исходный кадр -1,2 Мб). Линия Кислорода 762,1 нм просто бросается в глаза, но можно идентифицировать и еще несколько главных фраунгоферовых линий: Водорода - 486,1 нм и 658,3 нм; серию неразличимых между собой линий Магния - 516,7 нм, 517,3 нм, 518,4 и Железа - 616,7 нм, 516,9 нм; Железа - 527 нм; Натрия - 598,6 нм; Кислорода - 687 нм, 718,5 нм, 762,1 нм.

Лампа накаливания

Вспышка

Вспышка и фильтр 89B

Попробуем, перемещая щель, зарегистрировать спектр и в более длинноволновой области. Вспышку поместим существенно ближе к щели.

Чтобы избежать влияния спектров второго порядка, будем снимать вспышку через ИК фильтры. Еще раз напоминаю, что в данной серии можно сравнивать только относительный спектральный состав, но не амплитуду сигнала в разных снимках; условия съемки менялись и, чтобы более точно определить полосу пропускания плотных фильтров, источник подносился ближе к щели.

89В

Кстати, теперь понятно, почему в устройстве Flash remote-controlled transmitter используется вспышка как ИК источник

ИКС1

ИКС3

Теперь посмотрим, что видит камера в штатном состоянии.

Родной корректирующий фильтр Casio

Резельтаты хорошо согласуются с тем что мы в свое время получили на спектрофотометре "Specord". Хотя, в коротковолновой части есть расхождения, возможно, там чувствительность матрицы мала, возможно, у нас виньетируется эта часть спектра и надо сдвинуть щель, а возможно, проблема со спектром, излучаемым вспышкой, и пропусканием стекол объективов. Для очистки совести сместил щель и сделал снимок вспышки без фильтра

Хороший фильтр стоит перед матрицей, но маленький: ни перед линейкой в панорамной камере его не поставишь, ни перед объективом. Поэтому приходится искать ему альтернативу большого размера для быстрой установке перед объективом в полевых условиях для перехода к съемке только в видимом диапазоне. Основным возможным и доступным кандидатом являются теплофильтры, применяющиеся в диапроекторах и устанавливающиеся между лампой и пленкой.

Теплофильтр от диапроектора Киев 66.

Люминесцентные лампы

FLE 15TBX/827D04

Чтобы сделать это буйство линий более наглядным, увеличим в графическом редакторе яркость.

PHOENIX LIGHT

Рассмотрим спектр другой люминесцентной лампы с паспортной цветовой температурой 6400K, хотя о какой средней температуре по больнице здесь может быть речь :-)

Увеличим и в этом случае в графическом редакторе яркость.

Световой стол hama LP 554 с цветовой температурой 8000 К

Увеличим и в этом случае в графическом редакторе яркость.

В целом, спектр смотрится очень неплохо, хотя есть две ярко выраженных узких линии в синей и зеленой областях.

Белые светодиоды

Мониторы

ЭЛТ

ЖК монитор ноутбука Fujitsu LifeBook P2110

Как легко заметить, одинакового результата от ЭЛТ и ЖК мониторов добиться нельзя в принципе, да и воспроизводимые ими цвета могут показаться правильными только такому ущербному, в данном вопросе, прибору как человеческий глаз. Как я уже упоминал в начале, в истории мировой фотографии русская страница написана Иваном Филиповичем Усагиным в 1900 году. Его снимки спектров при проецировании их на экран невозможно было отличить от настоящих спектров. На мой взгляд, это самое крупное достижение русских фотографов, как-никак нобелевская премия по фотографии одна, а Липпман находил совершенными фотографии спектров, сделанные Усагиным по его методу. Возможно, то что сделал Усагин - это самое большое достижение в фотографии за всю ее историю, поскольку он не только добился идеальной цветопередачи, но и снял тот объект, который позволяет всегда проверить и убедится в этой идеальности.

P.S.

Приобретя за 400 рублей дифракционный фильтр, можно превратить цифровой аппарат в довольно точный прибор для изучения окружающего мира. По информативности результаты, которых можно достичь, превосходят возможности большинства цветоанализаторов, использующихся в фотографии, и приближаются к возможностям спектрофотометра. Конечно, полученными результатами не так легко и удобно воспользоваться, но и цены несравнимые. Итак, чего можно добиться с помощью дифракционного фильтра: определить спектральный состав источников света, которые вас окружают; выяснить, почему не удается добиться удовлетворительной цветопередачи; оценить способность монитора воспроизводить те или иные цвета; определить полосу пропускания имеющихся фильтров; снять красивые картинки и, наконец, влезть в шкуру гениев 19 века, повторив их эксперименты. Можно не только самому вспомнить школьный курс физики, но и, показав красивые опыты, заинтересовать им ваших детей.