Для чего нужны светофильтры в физике

Обновлено: 25.04.2024

Цель работы: Ознакомление с принципами действия основных типов светофильтров. Определение их основных параметров.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2; ртутная лампа; неоновая лампа; лампа накаливания; источники питания; набор абсорбционных светофильтров; набор интерференционных светофильтров C1, C2 и СЗ; гониометрический столик.

Краткая теория

Большое значение в оптике имеет проблема монохроматизации света, то есть выделение определенного интервала длин волн. Сравнительно узкие спектральные области излучения можно выделить с помощью монохроматических светофильтров. В отличие от более сложных спектральных приборов - монохроматоров, светофильтры обладают значительно большим сечением светового пучка и большей апертурой.

Светофильтры меняют спектральный состав или энергию падающего на них светового излучения без изменения формы его фронта. Основные характеристики (параметры) светофильтров следующие:

а) Спектральная ширина полосы пропускания δl, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света равна половине интенсивности в максимуме полосы пропускания (Рис.1).

б)Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания

где I₀ - интенсивность света, падающего на светофильтр, I_m - интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме полосы пропускания.

в)Длина волны l_m , соответствующая максимуму полосы пропускания.

г)Остаточное пропускание I_r, равное интенсивности света, пропускаемого светофильтром в области спектра, отстоящего от I_m на расстоянии много большем l_m. Вместо остаточного пропускания часто используют так называемый фактор контрастности светофильтра

Светофильтры называются серыми или нейтральными, если их пропускание в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, называются селективными. Селективные светофильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Светофильтры последнего типа называются монохроматическими. Они часто применяются вместо других спектральных приборов, так как обычно пропускают гораздо больший световой поток, чем приборы с диспергирующими элементами (призмами, дифракционными решетками и др.). Однако разрешающая способность светофильтров часто невелика - в большинстве случаев ширина полосы пропускания составляет десятки и сотни ангстрем. Лучшие узкополосные светофильтры имеют ширину полосы пропускания меньше 1 ангстрема, однако интенсивность пропускаемого ими света невелика. Поэтому основное назначение светофильтров - грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения.

Существуют несколько типов монохроматических светофильтров.

а)Абсорбционные светофильтры.

Применяются наиболее широко. Ослабление света в них происходит главным образом в результате поглощения веществом фильтра. Интенсивность света I_l₀, прошедшего через поглощающий слой светофильтра, уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

где k - коэффициент поглощения, l - толщина слоя.

Коэффициент пропускания (пропускание) абсорбционных фильтров определяется формулой

где R_l - коэффициент отражения света от поверхности фильтра. Задержанный фильтром световой поток полностью преобразуется в тепло, что приводит к их нагреванию и некоторому изменению оптических свойств.

В настоящее время наиболее употребительны стеклянные абсорбционные светофильтры, которые устойчивы к световым и тепловым воздействиям и имеют высокие оптические качества. Располагая друг за другом несколько стеклянных светофильтров, можно получить довольно узкополосные фильтры для всей видимой и ближней ультрафиолетовой части спектра.

Сравнительно реже применяются жидкостные и газовые абсорбционные фильтры. Например, для выделения ультрафиолетовой области спектра используют фильтр в виде кварцевой кюветы с насыщенными парами брома. Такая кювета практически непрозрачна в области длин волн 400-600нм. Воздух непрозрачен для области спектра с длинами волн короче 180нм благодаря главным образом поглощению кислорода. Поэтому воздух служит в спектроскопических исследованиях естественным газовым фильтром.

Известно, что полупроводники непрозрачны для излучения с длиной волны меньшей некоторого значения l₀ и прозрачны для более длинноволнового излучения. Положение края или границы поглощения определяется зонной структурой полупроводника и соответствует энергии перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, полупроводник - прекрасный светофильтр, резко ограничивающий спектр с коротковолновой стороны. Большинство полупроводников прозрачно лишь в инфракрасной области спектра. Некоторые стеклянные фильтры обязаны своими свойствами присутствию мельчайших полупроводниковых кристаллов.

б)Отражательные светофильтры.

К ним относятся тонкие металлические пленки и многослойные диэлектрические покрытия. Тонкие металлические пленки наносятся на кварцевую или стеклянную подложку испарением или катодным распылением.

На рис.2 приведены спектральные коэффициенты отражения R_l серебра и алюминия.

Для получения нейтральных металлических слоев обычно используют платину, палладий и родий, реже алюминий. Тонкие металлические пленки серебра и щелочных металлов служат для выделения разных участков в ультрафиолетовой области спектра (см. рис.2). Фильтры с металлическими пленками ослабляют свет главным образом в результате отражения от поверхности.

в)Селективные отражательные светофильтры.

К отражательным светофильтрам принадлежат также многослойные диэлектрические зеркала. В них отражение излучения определенных длин волн происходит в результате многолучевой интерференции. Этот метод позволяет создать отражательные системы с очень высоким коэффициентом отражения при малых потерях на поглощение, что является существенным преимуществом по сравнению с металлическими зеркалами. Необходимость изготовления зеркал с малым коэффициентом поглощения сильно возросла в связи с развитием лазерной техники.

На рис.За представлена схема, поясняющая увеличение коэффициента отражения стеклянной пластинки с показателем преломления n₀ за счет нанесения на ее поверхность диэлектрической пленки с показателем преломления n > n₀. Толщина такой пленки определяется из условия:

где n·d - оптическая толщина пленки,

l - длина волны, для которой коэффициент отражения будет максимальным.

Оптическая разность хода интерферирующих волн (отраженных от границ раздела воздух - пленка и пленка - стекло) составляет в этом случае

т.е. соответствует максимуму интенсивности.

Дополнительная разность хода волн появляется в связи с тем, что при отражении волны на границе воздух-пленка происходит потеря полуволны, поскольку n_возд 30%) таким образом однако не удается. Для достижения этой цели необходимо перейти к многолучевой интерференции, которая осуществляется в многослойных диэлектрических зеркалах.

Такие зеркала получают нанесением на прозрачную подложку тонких диэлектрических слоев с одинаковой оптической толщиной (четвертьволновые слои):

но с разными показателями преломления: между двумя слоями диэлектрика с высоким показателем преломления n₁ помешают слой диэлектрика с малым показателем. В этом случае все отраженные волны синфазны и усиливают друг друга в результате интерференции. Разность хода, которую отраженные лучи приобретают в каждом из слоев, составляет при нормальном падении:

Для некоторого интервала длин волн в результате интерференции всех взаимодействующих волн получается максимум, ширина которого тем меньше, чем больше число интерферирующих пучков.

Комбинируя слои различной толщины, можно получать нужные спектральные кривые для коэффициента отражения R_l. Для получения значений R_l. ~ 99% и более (такие коэффициенты необходимы в лазерной технике) необходимо нанести 11-13 слоев и более (рис.36). Такие интерференционные зеркала отражают в довольно узкой спектральной области, и чем больше коэффициент отражения, тем уже область длин волн, для которой реализуется такое значение R_l..

г)Интерференционные светофильтры.

Действие их основано на явлении многолучевой интерференции. Простейшие светофильтры состоят из плоскопараллельной пластинки типа интерферометра Фабри-Перо с очень малым расстоянием d между зеркалами (порядка нескольких длин волн или нескольких десятков длин волн). В настоящей работе применяются интерференционные фильтры, изготовленные следующим образом: на стеклянную подложку р (рис.4) методом электронно-лучевого напыления в вакууме нанесены последовательно диэлектрическое зеркало S₁ прозрачный разделительный слой D и второе диэлектрическое зеркало S₂. Центральный элемент фильтра D выполнен из SiО₂ и имеет толщину , где - длина волны, соответствующая максимуму пропускания фильтра (при нормальном падении лучей), =1,45 - показатель преломления слоя.

Каждое зеркало представляет из себя одиннадцать последовательных слоев ZrO₂- и SiO₂ с оптическими толщинами, равными . Зеркала S₁ и S₂ имеют коэффициенты отражения R близкие к единице.

Падающие на светофильтр лучи испытывают многократные отражения от зеркальных поверхностей S₁ и S₂, вследствие чего возникают лучи 1,2,3,4, которые, интерферируя между собой, дают в проходящем свете распределение интенсивности с резкими полосами пропускания. Это распределение зависит от разности хода между соседними лучами, от коэффициентов отражения и поглощения зеркал. Если луч падает на светофильтр под углом и испытывает в центральном слое многократное отражение, то два последовательно выходящих луча буду иметь разность хода (см. рис. 4):

где r - угол преломления.

Интерференция на максимум будет наблюдаться при условии:

из которого следует, что значение длины волны максимума пропускания светофильтра уменьшается с увеличением угла преломления r или угла падения i.

Таким образом, если оптическая толщина центрального слоя фильтра равна dn то имеется ряд полос пропускания, длины волн максимумов которых составляют соответственно (при нормальном падении):

Рис.5 схематически представляет полосы пропускания интерференционного светофильтра. Фильтры, предназначенные для выделения первой наиболее длинноволновой полосы пропускания, называются фильтрами первого порядка. Такие фильтры используются в данной работе. Они имеют оптические толщины d·n=l_т1 и нуждаются в подавлении лишь коротковолновых максимумов пропускания с длиной волны l_т2, l_т3 и т.д.

Обычно это легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо поглощением материала подложки самого фильтра.

Отметим, что спектр пропускания интерференционного фильтра наряду с l_т1, l_т2 будет иметь ряд других полос различной интенсивности, связанных со сложным характером интерференции на многослойном покрытии фильтра.

В работе используются интерференционные светофильтры C1, C2 и С3. Для них значения l_т1 равны 6290, 5670 и 4960 А соответственно.

д) Дисперсионные светофильтры.

Действие таких фильтров основано на дисперсии света - зависимости показателя преломления от длины волны. Они представляют собой кювету, наполненную порошком из прозрачного материала. В кювету заливается жидкость, зависимость показателя преломления которой от длины волны такова, что показатели преломления жидкости (1) и порошка (2) совпадают лишь для определенной длины волны (рис.6).

Тогда кювета оптически однородна для лучей света этой длины волны, но рассеивает излучение других длин волн, лежащих по обе стороны от заданной. Чтобы полоса пропускания фильтра была узкой, необходимо чтобы наклоны кривых дисперсии жидкости и порошка различались как можно больше.

В идеале при фотохимическом синтезе необходим монохроматический свет, так как квантовый выход реакции зависит от длины волны света. Большинство же источников света, исключая лазеры, которые в этой книге не рассматриваются, излучаю в некотором спектральном диапазоне и для выделения света с нужной узкой полосой длин волн применяют светофильтры.

Жидкостные (химические) светофильтры - это фотохимически стабильные растворы солей в воде или органических рас творителях, пропускающие свет нужного диапазона длин волн.

Раствор помещают в кювету 2, которая разбирается (рис 328,а). Для УФ-диапазона кювету делают из кварца, для видимого участка спектра - из стекла марки "пирекс" .

Светофильтр может состоять из нескольких сваренных ячеек кювет 7, 2, 3 (рис. 328,6), если для выделения нужного диапазона длин волн необходимо пропускать свет последовательно через несколько растворов различного химического состава. Ячейки светофильтра могут охлаждаться проточной водой (рис. 328,в).

На каждой дополнительной границе раздела фаз кварц -раствор энергия излучения из-за отражения света уменьшается примерно на 4%. Температуру жидкостных светофильтров следует поддерживать на уровне 20 - 30 °С и постоянно контролировать их пропускание с помощью спектрофотометра.

Рис. 328. Жидкостные светофильтры с одной кюветой (с), с набором кювет (б) и с охлаждаемыми кюветами (в): а. 1 - болт; 2 - кювета; 3 - фторопластовая прокладка; 4 - металлическое кольцо; 5 - кварцевое окно

Состав жидкостных светофильтров для ртутных ламп высокого давления приведен в табл. 45. Для выделения полосы

253.7 нм из спектра излучения ртутной лампы среднего давления применяют четырехкюветный светофильтр. В первую на пути светового потока кювету длиной 5 см наливают водный раствор [Ni(H20)6]SO4 *Н2О, содержащий 27,6 г соли в 100 мл раствора. Во вторую кювету такой же длины вводят водный раствор 8,4 г [Co(H20)6]SO4 в 100 мл раствора. Третью кювету длиной 1 см наполняют раствором состава 0,108 г I2 и 0,155 г KI в 1 л воды, а в последней, длиной 5 см, содержится хлор при давлении 1 атм (25 °С). Такой светофильтр служит не более 25 ч. После заполнения растворами всех четырех кювет светофильтр облучают светом указанного выше диапазона длин волн в течение 4 ч. Такая обработка стабилизирует оптические характеристики светофильтра.

Чтобы выделить полосу при 265,2 - 265,5 нм из спектра ртутной лампы среднего давления также применяют четырехкюветный светофильтр. Первая кювета по ходу светового потока содержит 27,6 [Ni(H2O)6]SO4 в 100 мл водного раствора и имеет длину 5 см; вторая такой же длины наполнена водным раствором [Co(H2O)6]SO4•Н20 (8,4 г соли в 100 мл воды), третья аналогичной длины содержит газообразный хлор при давлении 1 атм и температуре 25 °С, а четвертая длиной 1 см заполнена раствором К1 (0,170 г соли в 100 мл воды).

Жидкостной светофильтр для выделения полосы при

435.8 нм из спектра излучения ртутной лампы среднего давления состоит из двух кювет длиной 10 см каждая. В первую заливают водный раствор состава: 0,44 г [Cu(H20)4]SO4* Н2O в 100 мл водного раствора аммиака (2,7 М), а во вторую - раствор, содержащий 7,50 г NaNO2 в 100 мл воды.

Продолжительность работы такого светофильтра без изменения оптических характеристик около 74 ч.

Стеклянные и интерференционные светофильтры. Фирмы некоторых стран выпускают наборы стеклянных светофильтров для выделения нужных длин волн из спектров излучателей. К этим наборам приложены подробные оптические характеристики. Пропускание стеклянных светофильтров после приобретения следует проверить, так как оно не всегда соответствует данным паспорта. Кроме того, проверять его пропускание нужно через каждые 100 ч работы светофильтра. Для больших интенсивностей излучения стеклянные светофильтры помешают в кварцевые кюветы, охлаждаемые водой, поскольку большинство светофильтров не является теплоустойчивыми.

В табл. 46 приведены оптические характеристики обычных стекол, которые могут служить светофильтрами.

Для выделения нужных полос пропускания из спектров разных излучателей применяют также интерференционные светофильтры, которые представляют собой многослойные тонкопленочные блоки, состоящие из стеклянных и кварцевых пластинок и полупрозрачных металлических и диэлектрических слоев.

Интерференционные светофильтры бывают двух типов: широкополосные с резким краем полосы пропускания и полосовые, пропускающие желаемый интервал длин волн. Полосовый светофильтр при наблюдение на отражение выглядит с одной стороны как блестящий металл.

Считают, что удовлетворительных интерференционных светофильтров для УФ-области спектра пока нет. Для видимой области спектра эти фильтры имеют ряд преимуществ: они не нагреваются во время работы, так как почти все непропускаемое излучение отражается; фильтры устойчивы при эксплуатации до 80 °С и почти не изменяют свои оптические характеристики со временем.

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. [1]

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.

Содержание

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.

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.

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

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
- Солнечные — восьмилучевые
- Астроиды — четырёхлучевые
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.
Основная статья: Методы цветной фотографии

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.

Основная статья: матрица (фото)

Основная статья: Дихроическое зеркало

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.

( 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.
Основная статья: Интерференционный фильтр

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

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.

Основная статья: Поляризатор

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.

(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.
- 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).

В начале 2018 года я разместил статью о светофильтрах. В ней упоминались поляризационные светофильтры, но я их не описывал, обещая вернуться к ним позже.

Сейчас лето, а значит, самое время поговорить об этих интересных приспособлениях.
Несмотря на то, что информации о поляризационных светофильтрах много, я, глядя по сторонам на фотографирующих людей, крайне редко замечаю, как используют поляризационный фильтр.

Между тем, грамотное применение поляризационного светофильтра во многих случаях позволит улучшить фотографии, добавить в них изюма.

Снимки для коммерческого использования часто, если не в большинстве случаев делаются профессионалами через поляризационные светофильтры.

Теорию понимать не обязательно. Я, например, очень поверхностно ее знаю. Если вам нужен просто результат, то теорию можно пропустить и заменить ее практикой, руководствуясь несколькими советами, которые привожу ниже.

Но все равно, немного теории.

Но вначале я хотел бы поблагодарить наших Патронов на платформе Patreon. Спасибо, что помогаете проекту развиваться.

Поляризация света – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией плоскости колебания волны.

Свет солнца не имеет поляризации, т.е. световые волны колеблются сразу во всех плоскостях. Однако, солнечный свет, будучи отраженным от некоторых поверхностей, — приобретает поляризацию, т.е. волна отраженного света колеблется уже только в одной плоскости.
Отраженный свет — это световые блики на различных гладких поверхностях, отражение на воде, на стекле и т.д.

Рассеянный свет неба и воздушная дымка это тоже, во многом, следствие множественного отражения солнечных лучей от водяной или иной пыли в воздухе.

Итак, солнечный свет не поляризован, а его отражения – часто поляризованы.

Человеческий глаз поляризованный и неполяризованный свет не различает. Свет и свет.

Поляризационный фильтр обладает уникальным свойством — способностью пропускать свет только поляризованный в одной конкретной плоскости. На картинке показан этот эффект.
Свет, прошедший через такой фильтр становится поляризованным.

С помощью поляризационного фильтра можно пропустить в объектив свет с колебаниями только в той или иной конкретной плоскости.

На практике в фотографии, эта способность фильтра используется как раз, чтобы отсечь некоторые волны, не пустить их в объектив.

Отражения являются поляризованным светом и потому их можно отсечь, повернув фильтр на определенный угол, который блокирует именно ту плоскость, в которой колеблется свет отражений.

При этом, солнечный свет через фильтр все равно пройдет, т.к. повторюсь, солнечный свет не поляризован в какой-то одной плоскости.

Конечно, солнечный свет пройдет через фильтр не весь. Та его часть, которая колеблется в той же плоскости, что и отсекаемый свет — также фильтр не преодолеет.

Поэтому, поляризационный фильтр всегда работает одновременно и как нейтральный, затемняя картинку на 2-3 ступени.

С теорией закончили.

В фотографии поляризационный фильтр, в частности, позволяет:

1. Убрать с неба белесую дымку и показать небо в насыщенном темно синем цвете. Облака при этом остаются ярко-белыми, контрастными и выразительными. Очень красиво.

2. Убрать из пейзажа воздушную дымку и показать пейзаж более яркими сочными цветами. Визуально увеличивается контраст и возникает ощущение возросшей резкости и четкости.

3. Убрать с поверхности воды (оконного стекла) отражения и показать то, что находится под водой (за стеклом).

Поляризационный фильтр визуально похож на нейтральный. Он навинчивается на объектив фотоаппарата спереди. Но есть отличие.

Оправа фильтра состоит из 2-х сцепленных колец, которые можно вращать относительно друг друга вокруг оптической оси.

После того, как фильтр прикручен к объективу, есть возможность произвольно поворачивать само стекло фильтра вокруг оптической оси. Так, собственно, фильтр и настраивается на отсечение конкретной плоскости колебания световых волн.
Действие поляризационного светофильтра зависит от двух факторов:
1) правильной ориентации фотоаппарата по отношению к окружающей действительности;
2) угла поворота фильтра в оправе.

Есть формулы, позволяющие рассчитать углы, при которых сила действия фильтра максимальна, но проще выйти на улицу и поэкспериментировать.

Смотрим на объект съемки через видоискатель с разных направлений и вертим оправу фильтра. Влияние фильтра на картинку отлично видно визуально. Все основные закономерности сразу станут понятны.

При использовании поляризационного светофильтра нужно учитывать несколько моментов:

1. Существуют поляризационные светофильтры двух типов: Линейные и круговые (циркулярные).

Линейные появились существенно раньше и для целей фото их сейчас, скорее всего, не выпускают уже.

Линейные фильтры не очень удобно использовать с современными фотоаппаратами. С т.з. устранения бликов, отражения, дымки и т.д. — фильтр будет работать как и должен. Но в современном аппарате, скорее всего, будут врать экспозамер и автофокус.
Линейный фильтр поляризует свет, а датчики аппарата чувствительны к поляризации.

Естественный вывод, — если вы используете на современном аппарате мануальные объективы и умеете вводить экспокоррекцию в аппарат, можете смело использовать линейный фильтр, например, советский на цифрозеркалке. Все получится как нужно.

На советском объективе вполне уместно будет смотреться советский же поляризационный фильтр.

Ассортимент этих фильтров показан на рисунке. Например, самый распространенный объектив серий Гелиос-44Х-Х имеет резьбу для фильтра M52×0,75.
Круговые фильтры — более современные. Выпускают их как раз для того, чтобы на современных аппаратах корректно работали экспозамер и автофокус.

Круговой фильтр имеет 2 слоя. Первый слой это обычный линейный фильтр. Он отсекает все волны, кроме выбранных и поляризует свет.

Второй слой позволяет линейную поляризацию превращать в круговую. Т.е. до автоматики аппарата доходит как-бы уже не поляризованный свет. Подчеркиваю! Круговой поляризационный фильтр называется “круговым” не потому, что он вращается в оправе по кругу. Есть такое заблуждение. Вращаются и линейные тоже. А в круговых есть слой с круговой поляризацией. Причем, оба слоя нанесены на одно стекло.
По конечному влиянию на изображение круговые фильтры от линейных не отличаются.

Даже если на фильтре нет никаких надписей, сделать это очень просто. Подходите к зеркалу, включаете свет, хотя, лучше в обратной последовательности, так дешевле. Смотрите в фильтр, как в монокль. Внешняя сторона со стороны глаза, внутренняя со стороны зеркала. Если фильтр в отражении непрозрачный, превратился в чёрный круг, значит это фильтр с круговой поляризацией. Если фильтр в отражении прозрачный, значит либо вы его повернули не той стороной, либо это линейный фильтр.

Даже если вы точно знаете, что ваш фильтр круговой, — попробуйте сделать, как написано. Завораживает.

Если покупаете новый фильтр, то его тип можно понять по маркировке.
У круговых поляризаторов в маркировке имеются слова CIRCULAR, CIR или просто буква C (например, CIR-PL или C-PL).
Наглядно увидеть работу фильтра, любого, и линейного и кругового можно очень простым способом. Свет, который дают компьютерные мониторы — поляризован. Если смотреть сквозь фильтр на изображение монитора и вращать фильтр вокруг оптической оси, то можно подобрать такой угол, при котором изображение монитора совершенно не видно. Фильтр кажется непрозрачным.

Так можно грубо проверить качество пленки в фильтре (и в поляризационных солнечных очках, кстати). Плохая пленка будет давать не равномерное полное затемнение, а пятна светлых и темных участков.

Тут я привожу несколько забавных снимков, на которых фильтр полностью затемняет изображение с монитора, но через него видно разные предметы, или мою руку.

2. Если вы собираетесь фотографировать синее небо, то учитывайте следующее:

Когда солнце находится вблизи горизонта (на восходе и закате), наиболее поляризованными являются участки синего неба над головой (в зените) и перпендикулярные к направлению солнечных лучей. При этом оптическая ось объектива должна располагаться по линии север — юг.

В полуденные часы, когда солнце в зените, небо поляризозано во всех направлениях под углом 45° к линии горизонта. Кверху поляризация неба уменьшается.

Наиболее поляризованными являются те участки неба, которые попадают в поле изображения при освещении объекта боковым солнечным светом, т. е. когда направление солнечных лучей и направление съемки (оптической оси объектива) образуют прямой угол.

В этом случае светофильтр в наибольшей степени притемняет небо. Поляризация участков неба но мере приближения к солнцу уменьшается.

Участки неба, лежащие в направлениях на солнце, над и под солнцем, а также в противоположном от солнца направлении, не поляризованы или почти не поляризованы. Эти участки попадают в поле изображения при съемке против солнца (контровое освещение) или когда солнце находится сзади фотоаппарата (переднее освещение).

В пасмурную погоду поляризационный фильтр никак с небом работать не будет.

Левые (первые в паре) снимки сделаны без фильтра, правые (вторые в паре) – с фильтром. Неравномерность окраски сделана намерено дл примера..

3. Если вы собираетесь снимать прозрачную воду:

Для устранения отражения на воде нужно поворачивать фильтр на иной угол, нежели тот, который затемняет небо. Это значит, что одновременно добиться эффекта прозрачности воды и синего неба – невозможно.

Вариант применения нескольких поляризационных фильтров за раз я не рассматриваю как совершенно экзотический.

На воде не должно быть крупных волн, т.к. волны отражают свет под разными углами, а значит устранить все отражения при одном положении фильтра — не удастся.

Лично мне эффект прозрачности воды нравиться больше всего.

4. Если вы используете широкоугольный объектив:
В пункте про небо есть рекомендации по направлениям съемки в зависимости от положения солнца. При съемке воды тоже есть похожая зависимость по углу наклона объектива к поверхности воды для максимизации эффекта. Там все менее критично, поэтому подробно не останавливаюсь.

А говорю это все тут потому, что когда вы снимаете широкоугольным объективом, то в кадр вам попадает очень обширная область пространства.

И если центр этой области даже на 100% соответствует рекомендациям по углу оптической оси к солнечным лучам при съемке неба или по углам к поверхности воды, периферийная область будет принимать свет совершенно из другой части пространства.

И в этой области углы будут не оптимальные.

Поэтому, небо у вас может потемнеть неоднородно. Одна сторона сильнее другой. Или в центре кадра будет более темный участок неба.

У меня на фото домов видно, что левая часть неба темнее, чем правая. Чтобы небо окрасилось равномерно, нужно было сместить кадр левее. Но там некрасивый дом. Вот и выбирай.

Аналогично с водой. Отражение исчезнет в центральной области, а к краям понемногу проявится.

Все это видно в видоискателе и нужно просто обращать на эту особенность внимание. В каких-то случаях можно отзумировать в сторону увеличения ФР. В каких-то — повернуть немного фильтр и снизить силу эффекта.

Ну, или вписать эту особенность в сюжет.

Еще про широкоугольные объективы.

Для широкоугольника нужен фильтр с узкой оправой. Иначе, оправа будет попадать в кадр и вызывать виньетирование.

Это, вроде как очевидно, но конструкция фильтра предполагает два подвижных кольца и сделать их совершенно тонкими не очень просто.

5. Поляризационный фильтр работает как нейтральный с солидной такой кратностью.

В яркие дни это дает ряд преимуществ, но вот если съемка в тени, то могут возникнуть сложности.

Фильтр снижает количество света, попадающее в объектив на 2-3 стопа. Я ранее снимал широкоугольником Tokina 17-35 f/4. Объектив не очень светосильный, но достаточно доступный по цене.

Так вот, при такой светосиле, да при надетом поляризационном фильтре камера в некоторых ситуациях затененных сцен просто не желала фокусироваться автоматически. Ручной фокус выручал, да и широкоугольник лоялен к промахам фокуса, но все-таки, имейте в виду.

Итого в завершение:

Я рекомендую попробовать поляризационный фильтр. Сейчас лето и самая пора его испытать.

Не заморачивайтесь с теорией. Просто попробуйте. Шедевры не гарантированы. Не всегда и не все можно снять с максимальным и идеальным эффектом. Но интересные фотографии гарантируются.

Любительский

В этой записи я буду говорить о средне-статистическом фотографе любителе и надеюсь информация будет полезной.

Светофильтры в фотографии применяется довольно давно. Светофильтры, выпускаемые Hoya, Dicom, Kenko, Sunpak, Cavei, Marumi, Tiffen чаще всего накручиваются прямо на объектив фотоаппарата.

Есть светофильтры, которые устанавливаются в специальный держатель, который крепится на объектив. Существуют фотофильтры, предназначенные для установки прямо на источник освещения.Однако, независимо от конструкции светофильтра работа любого светофильтра в фотографии основана на отсечении определённого типа световых лучей. В плёночной фотографии чаще всего применяются цветные сфетофильтры (фильтры цветокоррекции), которые отсекают лучи свет определённого спектра (света), однако в цифровой фотографии гораздо удобнее использовать цветные фильтры уже во время послесъёмочной обработки фотографии.

Поговорим о наиболее часто встречающихся типов светофильтров

а) Поляризационные фильтры (LPL и CPL), б) UV-фильтры, в) ND-фильтры, г) Градиентные фильтры

Поляризационный светофильтр (полярик) так же довольно часто применяется в цифровой фотографии. Поляризационный фильтр предназначен для уменьшения бликов и отражений от неметаллических поверхностей.

Кроме уменьшения отражений, поляризационный фильтр усиливает цвета. Например, при пейзажной фотосъёмке в солнечный день, поляризационный фильтр делает небо более синим, облака белее, а зелень более сочной.

При использовании поляризационного фильтра следует учитывать, что его нужно настраивать перед съёмкой, поворачивая на угол от 0 до 90°. Для достижения максимального эффекта усиления цвета угол поворота поляризационного фильтра обычно составляет 90°, а для максимального удаления отражений и бликов угол поворота поляризационного фильтра составляет 30°-45°, в зависимости от характеристик поверхностей.

Поляризационный светофильтр влияет на экспозицию снимка, уменьшая светосилу объектива примерно на 1,5-2 шага. Из-за этого и автофокус вашей камеры может давать сбои.

Примечание: Сейчас камеры позволяют настраивать изображения для получения более контрастного изображения

Существуют два типа поляризационных фильтров: Светофильтр с круговой поляризацией (Circular Polarizer Filter - CPL) обычно используется в автофокусных фотокамерах, но стоит дороже поляризационного фильтра с линейной поляризацией. Более дешёвые светофильтры с линейной поляризацией (LPL - Linear Polarizer Filter) не позволяют датчикам автофокуса работать нормально, поэтому их можно применять только в ручном режиме фокусировки.

Поскольку поляризационный фильтр вращается при настройке, применять его можно только с объективами, имеющими так называемую внутреннюю фокусировку - когда внешняя линза не вращается в процессе наводки на резкость.

Использовать поляризационный фильтр с большинством китовых объективов с вращающейся передней линзой практически невозможно.

Лично я отказался от использования "полярника" - носить его постоянно нет необходимости, а снимать/одевать в процессе съемки в полевых условиях достаточно хлопотно , а нужный эффект получаю: а) предустановками в камере, б) в программе обработки изображения

Следующие в списке, Ультрафиолетовый светофильтр (УФ или UV - Ultra Violet) чаще всего используется для защиты внешней линзы дорогих объективов от царапин, загрязнений и попадания пыли внутрь объектива. Иногда, недорогой ультрафиолетовый светофильтр спасает переднюю линзу объектива даже при случайном ударе

Однако, ультрафиолетовый светофильтр кроме защитных функций также отсекает некоторое количество ультрафиолета (убирает излишнюю голубизну) и делает снимок немного контрастнее. Это особенно заметно при съёмке высоко в горах или на берегу моря.

UV-фильтры могу так же называться Protect (Защитный) или Haze (Невидимый), что не меняет их природы.

Мультипросветлённые (MC) и влагоотталкивающие (WPC) покрытия защищают оптические UV-фильтры, которые рекомендуемы для постоянного ношения на объективе для защиты передней линзы от нежелательных воздействий. Фильтры могут устанавливаться в узкие оправы (Wide)

Здесь следует заметить, что матрица современного цифрового фотоаппарата уже имеет встроенный UV светофильтр и, в отличие от плёночного фотоаппарата, эффект от применения внешнего UV светофильтра не столь очевиден. В большей степени недорогие UV светофильтры применяется для защиты.

Опять же мой опыт - данный фильтр одеваю при покупке объектива сразу в магазине..

Под аббревиатурой скрывается Neutral Density — то есть нейтрально-серый фильтр. Эти фильтры равномерно снижают интенсивность светового потока. Они различаются по плотности (2×, 4×, 6×, 8×). Увеличение плотности нейтрального фильтра в два раза эквивалентно увеличению экспозиции на одну ступень. ND-фильтры используются для получения длинных выдержек (река или водопад на пейзаже обретают эффект волшебной дымки) либо для съемки при ярком освещении на открытой диафрагме (цветок на размытом фоне, где пейзаж лишь угадывается). При слишком короткой выдержке вода выглядит неестественно, как стекло. Чтобы передать движение, но избежать смаза, выдержка должна составлять 1/30–1/60 для стоячей воды, 1/125 — при съемке реки с быстрым течением.

Самые распространённые нейтральные светофильтры позволяют уменьшить световой поток, поступающий в объектив фотоаппарата от 1 до 4 ступеней экспозиции.

Примечание: Лично Я предпочитаю регулировать выдержку/диафрагму

Работают так же, как ND-фильтры, но плотность плавно возрастает от одного края к другому или же плавно нарастает ближе к центру (центрофильтр). Первые используются, чтобы сузить динамический диапазон сцены (когда либо небо выходит пересвеченным, либо земля слишком темной). Центрофильтры используются на объективах, когда есть опасность виньетирования. К таковым относится, например, большинство широкоугольных шестилинзовых объективов-плазматов для камер большого формата.

Вот собственно, что хотелось рассказать. Конечно это далеко не весь перечень сфетофильтров есть еще: звездные, утепляющие, и т.д. но вот эти 4 наиболее распространены.

Главное требование к фильтру Фильтр должен быть из стекла, а не из пластика, и с многослойным просветлением. Оба условия — необходимые, но недостаточные для получения резкого изображения с чистыми цветами.

В статье использованы материалы: Дмитрия Башкова, портала FreeFotoHelp, FotoRu, обзоры фирм производителей.

Читайте также: