Wissenschaft der Fotografie
Das Wissenschaft der Fotografie ist die Verwendung von Chemie und Physik in allen Aspekten von Fotografie. Dies gilt für die Kamera, ihre Objektive, der physische Betrieb der Kamera, die elektronischen Kamera -Interna und der Entwicklungsprozess Film Um Bilder richtig zu machen und zu entwickeln.[1]
Optik
Camera Obscura

Die grundlegende Technologie der meisten Fotografie, ob digital oder analog, ist der Camera Obscura -Effekt und ihre Fähigkeit, eine dreidimensionale Szene in ein zweidimensionales Bild zu verwandeln. Im grundlegendsten Kamera besteht eine Kamera -Obskura aus einer dunklen Schachtel mit einem sehr kleinen Loch auf einer Seite, das ein Bild von der Außenwelt auf die gegenüberliegende Seite projiziert. Diese Form wird oft als als bezeichnet Lochkamera.
Wenn das Loch in der Kamera durch ein Objektiv unterstützt wird, muss es nicht winzig sein, um ein scharfes und eindeutiges Bild zu erzeugen, und die Belichtungszeit kann verringert werden, wodurch Kameras Handheld sein können.
Linsen
Eine fotografische Linse besteht normalerweise aus mehreren Linsenelemente, was kombiniert, um die Auswirkungen von zu verringern chromatische Abweichung, Koma, sphärische Aberration, und andere Aberrationen. Ein einfaches Beispiel ist das Dreielement Cooke Triplet, immer noch über ein Jahrhundert nach dem ersten Entwurf, aber viele aktuelle Fotobinsen sind viel komplexer.
Die Verwendung einer kleineren Blende kann die meisten, aber nicht alle Aberrationen reduzieren. Sie können auch durch Verwendung eines dramatisch reduziert werden Asphärisches Element, aber diese sind komplexer als kugelförmige oder zylindrische Linsen. Bei modernen Fertigungstechniken nimmt die zusätzlichen Kosten für die Herstellung von Asphären -Objektiven jedoch ab, und es können jetzt kleine asphärische Objektive durch Formteile hergestellt werden, was ihre Verwendung in kostengünstigen Verbraucherkameras ermöglicht. Fresnel -Objektive sind in einigen Fällen aufgrund ihres sehr geringen Gewichts nicht häufig in der Fotografie verwendet.[3] Die kürzlich entwickelte fasergekoppelte monozentrische Linse besteht aus Kugeln, die aus konzentrischen halbkugelförmigen Schalen unterschiedlicher Brille bestehen, die durch Bündel von optischen Fasern an die Brennebene gebunden sind.[4] Monozentrische Objektive werden auch in Kameras nicht verwendet, da die Technologie im Oktober 2013 an den Grenzen der Optikkonferenz in Orlando, Florida, erstmals debütierte.
Alle Objektivdesigns sind ein Kompromiss zwischen zahlreichen Faktoren, ohne Kosten auszuschließen. Zoomlinsen (d. H. Objekte variabler Brennweite) beinhalten zusätzliche Kompromisse und entsprechen daher normalerweise nicht mit der Leistung von Hauptlinsen.
Wenn sich ein Kameraobjektiv darauf konzentriert, ein Objekt in einiger Entfernung auf den Film oder den Detektor zu projizieren, sind die Objekte, die sich in Bezug etwa im Fokus. Der Bereich der Entfernungen, die fast im Fokus stehen Tiefenschärfe. Die Feldtiefe nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Aperturdurchmesser (zunehmend Fnum) zu. Die unkonzentrierte Unschärfe außerhalb der Feldtiefe wird manchmal für die künstlerische Wirkung in der Fotografie verwendet. Das subjektive Erscheinungsbild dieser Unschärfe ist als bekannt als Bokeh.
Wenn das Kameraobjektiv auf oder darüber hinaus fokussiert ist Hyperfokalabstandund dann wird die Feldtiefe groß und bedeckt alles von der Hälfte der hyperfokalen Entfernung bis zu Unendlichkeit. Dieser Effekt wird verwendet, um "zu machen"fokusfrei"oder festgelegte Kameras.
Abweichung
Aberrationen sind die verwischenden und verzerrenden Eigenschaften von a optisches System. Eine hochwertige Linse erzeugt eine geringere Menge an Aberrationen.
Sphärische Aberration tritt aufgrund der Erhöhten auf Brechung von leichten Strahlen, die auftreten, wenn Strahlen eine Linse schlagen, oder eine Reflexion von Lichtstrahlen, die auftreten, wenn Strahlen im Vergleich zu denjenigen, die näher in der Mitte schlagen, einen Spiegel in der Nähe seines Randes treffen. Dies hängt von der Brennweite einer kugelförmigen Linse und der Entfernung von seiner Mitte ab. Es wird durch das Entwerfen eines Multi-Linsen-Systems oder durch Verwendung eines ausgeglichen Asphärische Linse.
Chromatische Abweichung wird durch ein Objektiv mit einem anderen verursacht Brechungsindex für unterschiedlich Wellenlängen von hell und die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften auf Farbe. Blaues Licht biegt im Allgemeinen mehr als rotes Licht. Es gibt chromatische Aberrationen höherer Ordnung, wie die Abhängigkeit der Vergrößerung von Farbe. Die chromatische Aberration wird durch Verwendung eines Objektivs aus Materialien kompensiert, das sorgfältig ausgelegt ist, um chromatische Aberrationen abzubrechen.
Die gekrümmte fokale Oberfläche ist die Abhängigkeit des ersten Ordnungs in erster Ordnung auf die Position des Films oder CCD. Dies kann mit einem optischen Design mit mehreren Objektiven kompensiert werden, aber auch das Krümmung des Films wurde verwendet.
Fokus

Fokus ist die Tendenz, dass leichte Strahlen den gleichen Ort auf dem erreichen Bildsensor oder Film, unabhängig davon, wo sie durch die Linse gehen. Für klare Bilder wird der Fokus auf die Entfernung angepasst, da bei einem anderen Objektabstand die Strahlen mit unterschiedlichen Winkeln verschiedene Teile der Linse erreichen. In der modernen Fotografie wird die Fokussierung häufig automatisch erreicht.
Das Autofokus System in modern SLRS verwenden ein Sensor in der Mirrorbox, um den Kontrast zu messen. Das Signal des Sensors wird von einem analysiert Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), und das ASIC versucht, das Kontrastmuster durch bewegte Linsenelemente zu maximieren. Die ASICs in modernen Kameras haben auch etwas Besonderes Algorithmen Zur Vorhersage von Bewegungen und anderen fortgeschrittenen Merkmalen.
Beugungsgrenze
Seit Licht Propagate Als Wellen unterliegen die Muster, die es auf dem Film produziert Beugung, was die Bildauflösung auf Merkmale in der Reihenfolge der Wellenlänge des Lichts einschränkt. Die Beugung ist der Haupteffekt, der die Schärfe von optischen Bildern von Linsen begrenzt, die auf kleine Öffnungen (hohe F-Zahlen) gestoppt werden, während Aberrationen die begrenzende Wirkung bei großen Öffnungen (niedrige F-Zumber) sind. Da die Beugung nicht beseitigt werden kann, ist das bestmögliche Objektiv für eine bestimmte Betriebsbedingung (Apertureinstellung) eine, die ein Bild erzeugt, dessen Qualität nur durch Beugung begrenzt ist. Ein solches Objektiv soll sein Beugung begrenzt.
Die diffraktionsbegrenzte optische Punktgröße auf dem CCD oder Film ist proportional zur Fnummer (Etwa gleich dem F-Number-Mal die Wellenlänge des Lichts, das nahe 0,0005 mm liegt), wodurch das Gesamtdetail auf einem Foto proportional zur Größe des Films oder CCD geteilt durch die Fnummer geteilt wird. Für ein 35 mm Kamera mit f/ 11 entspricht diese Grenze etwa 6.000 Auflösungselemente über die Breite des Films (36 mm / (11 * 0,0005 mm) = 6.500.
Die durch Beugung verursachte endliche Punktgröße kann auch als ausgedrückt werden Kriterium Zur Unterscheidung entfernter Objekte: Zwei entfernte Punktquellen können nur separate Bilder auf dem Film oder Sensor produzieren, wenn ihre Winkeltrennung die Wellenlänge des Lichts überschreitet, geteilt durch die Breite der offenen Apertur der Kameraobjektiv.
Chemische Prozesse
Gelatine Silber
Das Gelatine-Silberprozess ist der am häufigsten verwendete chemische Prozess in der Schwarz-Weiß-Fotografie und der grundlegende chemische Prozess für die moderne analoge Farbfotografie. Als solche stützen sich Filme und Druckarbeiten, die für die analoge Fotografie verfügbar sind, selten auf ein anderes chemisches Prozess, um ein Bild aufzuzeichnen.
Daguerreotypen
Daguerreotype (/dəˈɡɛər(i.)əˌtaɪp, -(i.)oʊ-/ (Hören);[5][6] Französisch: daguerréotype) war der erste öffentlich verfügbar fotografisch Prozess; Es wurde in den 1840er und 1850er Jahren weit verbreitet. "Daguerreotype" bezieht sich auch auf ein Bild, das durch diesen Prozess erstellt wurde.
Collodion -Prozess und der Ambrotyp
Der Collodion -Prozess ist ein früher fotografischer Prozess. Der Collodion -Prozess, der hauptsächlich mit dem "Collodion Wet Plate Process" synonym ist, muss das fotografische Material innerhalb von etwa fünfzehn Minuten beschichtet, sensibilisiert, freigelegt und entwickelt werden, was eine tragbare Dunkelkammer für die Verwendung auf dem Feld erfordert. Collodion wird normalerweise in seiner feuchten Form verwendet, kann aber auch in trockener Form auf Kosten einer erhöhten Expositionszeit verwendet werden. Letztere machte die trockene Form für die üblichen Porträtarbeiten der meisten professionellen Fotografen des 19. Jahrhunderts ungeeignet. Die Verwendung der trockenen Form war daher hauptsächlich auf Landschaftsfotografie und andere spezielle Anwendungen beschränkt, bei denen die Minuten-Expositionszeiten tolerierbar waren.
Cyanotypen
Cyanotype ist ein fotografischer Druckprozess, der einen Cyan-Blau-Druck erzeugt. Ingenieure verwendeten den Prozess bis weit in das 20. Jahrhundert als einfacher und kostengünstiger Prozess, um Kopien von Zeichnungen zu erstellen, die als Blaupausen bezeichnet werden. Das Verfahren verwendet zwei Chemikalien: Eisen -Ammoniumcitrat und Kaliumferricyanid.
Platin- und Palladiumprozesse
Platindrucke, auch Platinotypen genannt, sind fotografische Drucke, die von einem monochromen Druckprozess mit Platin hergestellt wurden.
Kaugummi Bichromat
Gum Bichromat ist ein fotografischer Druckprozess des 19. Jahrhunderts, der auf der Lichtempfindlichkeit von Dichromaten basiert. Es ist in der Lage, malerische Bilder von fotografischen Negativen zu rendern. Zahnfleischdruck ist traditionell ein mehrschichtiger Druckprozess, aber zufriedenstellende Ergebnisse können aus einem einzigen Pass erzielt werden. Jede Farbe kann für den Zahnfleischdruck verwendet werden, sodass auch natürliche farbige Fotografien möglich sind, indem diese Technik in Schichten verwendet wird.
C-Prints und Farbfilm
A Chromogener Druck, auch bekannt als a C-Print oder C-Typ Druck,[7] a Silberhalogenid Druck,[8] oder ein Farbstoffkupplungsdruck,[9] ist ein fotografischer Druck aus a gemacht Farbe negativ, Transparenz oder digitales Bildund entwickelt mit a Chromogen Prozess.[10] Sie bestehen aus drei Gelatineschichten, die jeweils eine enthalten Emulsion von Silberhalogenid, das als lichtempfindliches Material verwendet wird und ein anderes Farbstoffkuppler von Subtraktive Farbe Was zusammen, wenn es entwickelt wird, ein Vollfarbbild bilden.[9][10][11]
Digitale Sensoren
Ein Bildsensor oder ein Bildgeber ist ein Sensor, der Informationen erkennt und vermittelt, die zur Erstellung eines Bildes verwendet werden. Dies geschieht durch die Umwandlung der variablen Abschwächung von Lichtwellen (während sie Objekte durchlaufen oder abgeleitet werden) in Signale, kleine Stromausbrüche, die die Informationen vermitteln. Die Wellen können Licht oder andere elektromagnetische Strahlung sein. Bildsensoren werden in elektronischen Bildgebungsgeräten sowohl analogen als auch digitaler Typen verwendet, zu denen Digitalkameras, Kameramodule, Kamera -Telefone, optische Mausgeräte, [1] [2] [3] medizinische Bildgebungsgeräte, Nachtsichtgeräte wie thermische Bildgebung gehören, gehören Geräte, Radar, Sonar und andere. Wenn sich die Technologie ändert, ersetzen die elektronische und digitale Bildgebung die chemische und analoge Bildgebung.
Praktische Anwendungen
Gesetz der Gegenseitigkeit
- Exposition ∝ Aperturfläche × Belichtungszeit × Szenenluminanz
Das Gesetz der Gegenseitigkeit beschreibt, wie Lichtintensität und Dauer zur Bekanntheit des Einsatzes kommen - es definiert die Beziehung zwischen Verschlusszeit und Öffnungfür eine bestimmte Gesamtzahl Exposition. Änderungen an diesen Elementen werden häufig in Einheiten gemessen, die als "Stopps" bezeichnet werden. Ein Stopp entspricht einem Faktor von zwei.
Halbierung der Menge Licht, die den Film enthüllt, kann entweder erreicht werden durch:
- Die Blende durch einen Stopp schließen
- Verringern Sie die Verschlusszeit (Erhöhen der Verschlusszeit) um einen Stopp
- Schneiden Sie die Szenenbeleuchtung um die Hälfte
Ebenso kann die Verdoppelung der Lichtmenge, die den Film entlarvt, durch das Gegenteil eines dieser Operationen erreicht werden.
Die Luminanz der Szene, gemessen an einem reflektierten Lichtmeterbeeinflusst auch die Exposition proportional. Die für die ordnungsgemäße Belichtung erforderliche Lichtmenge hängt von der ab Filmgeschwindigkeit; Dies kann in Stopps oder Brüchen von Stopps variiert werden. Bei einer dieser Änderungen kann die Blende oder Verschlusszeit mit einer gleichen Anzahl von Stopps eingestellt werden, um eine geeignete Belichtung zu erreichen.
Licht wird durch die Verwendung der Blende der Kamera am einfachsten gesteuert (messen Sie in F-Stops), aber es kann auch reguliert werden, indem die angepasst werden Verschlusszeit. Schneller oder langsamer verwenden Film ist normalerweise nicht etwas, das schnell erledigt werden kann, zumindest mit Rollfilm. Großes Format Kameras verwenden eine Person Filmblätter und jedes Blatt könnte eine andere Geschwindigkeit sein. Wenn Sie eine größere Formatkamera mit einem Polaroid -Rücken verwenden, können Sie zwischen den Rücken wechseln, die unterschiedliche Geschwindigkeitspolaroids enthalten. Digitalkameras kann die Filmgeschwindigkeit, die sie simulieren, einfach einstellen, indem sie die anpassen Expositionsindexund viele Digitalkameras können dies automatisch als Reaktion auf Expositionsmessungen tun.
Zum Beispiel beginnend mit einer Belichtung von 1/60 bei f/16, die Tiefe des Feldes konnte durch Öffnen der Blende zu flacher gemacht werden f/4, eine Erhöhung der Exposition von 4 Stopps. Um auszugleichen, müsste die Verschlusszeit ebenfalls um 4 Stopps erhöht werden, dh die Belichtungszeit auf 1/1000 anpassen. Das Schließen der Apertur begrenzt die Auflösung durch die durch die Beugungsgrenze.
Das Gegenseitigkeitsgesetz legt die Gesamtbelichtung fest, aber die Reaktion eines fotografischen Materials auf eine konstante Gesamtbelichtung bleibt bei sehr langen Expositionen bei sehr schwachem Licht nicht konstant als fotografieren die Sonne. Dies ist bekannt als als Gegenseitigkeitsausfall des Materials (Film, Papier oder Sensor).
Bewegungsunschärfe
Bewegungsunschärfe wird verursacht, wenn sich entweder die Kamera oder das Motiv während der Belichtung bewegt. Dies führt zu einem charakteristischen, streifigen Erscheinungsbild für das bewegende Objekt oder das gesamte Bild (bei Kameramakerschütteln).

Bewegungsunschärfe kann künstlerisch verwendet werden, um das Gefühl von Geschwindigkeit oder Bewegung zu schaffen, wie bei fließendem Wasser. Ein Beispiel hierfür ist die Technik von "Schwenk", wo die Kamera bewegt wird, so dass sie dem Motiv folgt, das sich normalerweise schnell bewegt, wie z. Dies ist eine der schwierigeren fotografischen Techniken, die meistern können, da die Bewegung reibungslos und bei der richtigen Geschwindigkeit sein muss. Ein Thema, das näher oder weiter von der Kamera entfernt ist, kann weiterhin die Fokussierung von Schwierigkeiten verursachen.
Leichte Pfade sind ein weiterer fotografischer Effekt, bei dem Bewegungsunschärfe verwendet wird. Fotografien der Lichtlinien, die in langen Belichtungsfotos von Straßen in der Nacht sichtbar sind, sind ein Beispiel für den Effekt.[12] Dies wird durch die Autos verursacht, die sich während der Exposition entlang der Straße bewegen. Das gleiche Prinzip wird verwendet, um Star Trail -Fotografien zu erstellen.
Im Allgemeinen ist eine Bewegungsunschärfe etwas zu vermeiden, und dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. Der einfachste Weg ist, die Verschlusszeit so zu begrenzen, dass während der Zeit, in der der Verschluss geöffnet ist, nur sehr wenig bewegt wird. Bei länger BrennweitenDie gleiche Bewegung des Kamerakörpers verursacht mehr Bewegung des Bildes, sodass eine kürzere Verschlusszeit erforderlich ist. Eine häufig zitierte Faustregel laut 35 mm äquivalente Brennweite der Linse in Millimetern. Beispielsweise sollte ein 50 -mm -Objektiv mit einer minimalen Geschwindigkeit von 1/50 Sekunden und einem Objektiv von 300 mm bei 1/300 Sekunde verwendet werden. Dies kann zu Schwierigkeiten führen, wenn sie in Szenarien mit schlechten Lichtverhältnissen verwendet werden, da die Exposition auch mit der Verschlusszeit abnimmt.

Bewegungsunschärfe aufgrund von Subjektbewegungen kann normalerweise durch eine schnellere Verschlusszeit verhindert werden. Die genaue Verschlusszeit hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich das Subjekt bewegt. Zum Beispiel wird eine sehr schnelle Verschlusszeit benötigt, um die zu "einfrieren" Rotoren eines Hubschraubers, während eine langsamere Verschlusszeit ausreicht, um einen Läufer einzufrieren.
A Stativ Kann verwendet werden, um Bewegungsunschärfe aufgrund von Kameraschütteln zu vermeiden. Dies stabilisiert die Kamera während der Belichtung. Ein Stativ wird für Expositionszeiten mehr als etwa 1/15 Sekunden empfohlen. Es gibt zusätzliche Techniken, die in Verbindung mit der Verwendung eines Stativs sicherstellen, dass die Kamera sehr still bleibt. Diese können einen Remote -Aktuator verwenden, z. B. eine Kabelfreigabe oder Infrarot Remote -Schalter, um den Verschluss zu aktivieren, um zu vermeiden, dass die Bewegung normalerweise verursacht wird, wenn die Taste zur Auslöser direkt gedrückt wird. Die Verwendung eines "Selbsttimers" (ein zeitgesteuerter Freisetzungsmechanismus, der nach einem Zeitintervall automatisch die Verschlussfreisetzung überträgt) kann den gleichen Zweck erfüllen. Am modernsten Einzellinsenreflexkamera (SLR) haben a Spiegelschloss Merkmal, die die geringe Menge an Schütteln beseitigt, die durch den Spiegel erzeugt wird, der sich aufgreift.
Filmkornauflösung

Schwarz-Weiß-Film Hat eine "glänzende" Seite und eine "langweilige" Seite. Die stumpfe Seite ist die Emulsion, eine Gelatine, die eine Reihe von einer Reihe von ausnutzt Silberhalogenid Kristalle. Diese Kristalle enthalten Silberkörner, die bestimmen, wie empfindlich der Film für die Lichtbelastung ist und wie fein oder körnig der negative Ausdruck aussieht. Größere Körner bedeuten eine schnellere Belichtung, aber ein körnigeres Aussehen; Kleinere Körner sehen feiner aus, aber es gibt mehr Belichtung, um aktiviert zu werden. Die Körnung des Films wird durch seine dargestellt ISO Faktor; Im Allgemeinen erzeugen ein Vielfaches von 10 oder 100. Niedrigere Zahlen erzeugen feinerer, aber langsamerer Film und umgekehrt.
Beitrag zum Lärm (Getreide)
Quanteneffizienz
Licht kommt in Partikeln und die Energie eines Lichtteilchens (die Photon) ist die Häufigkeit der Lichtzeiten Plancks Konstante. Eine grundlegende Eigenschaft einer fotografischen Methode ist, wie sie das Licht auf seine sammelt fotografische Platte oder elektronischer Detektor.
CCDs und andere Fotodioden
Fotodioden sind hinter vorgespannte Halbleiterdioden, bei denen eine intrinsische Schicht mit sehr wenigen Ladungsträgern verhindert, dass elektrische Ströme fließen. Abhängig vom Material haben Photonen genug Energie, um einen zu erhöhen Elektron vom oberen vollen Band bis zur niedrigsten leeren Band. Das Elektron und das "Loch" oder der leere Raum, in dem es sich befand, können sich dann im elektrischen Feld bewegen und Strom tragen, was gemessen werden kann. Der Anteil der einfallenden Photonen, die Trägerpaare produzieren, hängt weitgehend vom Halbleitermaterial ab.
Fotomultiplikatorröhrchen
Fotomultiplier Röhrchen sind Vakuum Fototubes Das verstärkt das Licht, indem die Photoelektronen beschleunigt werden, um mehr Elektronen frei von einer Reihe von Elektroden zu klopfen. Sie gehören zu den empfindlichsten Lichtdetektoren, sind aber nicht gut für die Fotografie geeignet.
Aliasing
Aliasing kann in der optischen und chemischen Verarbeitung auftreten, ist jedoch häufiger und leichter in der digitalen Verarbeitung verstanden. Es tritt immer dann auf, wenn ein optisches oder digitales Bild mit einer Rate abgetastet oder neu abgetastet wird, die für seine Auflösung zu niedrig ist. Einige Digitalkameras und Scanner haben Anti-Aliasing-Filter Reduzierung des Aliasings durch absichtlich verwischen des Bildes, um der Stichprobenrate zu entsprechen. Es ist üblich, dass Filmentwicklungsgeräte verwendet werden, um Drucke unterschiedlicher Größen zu erstellen, um die Körnung der kleineren Drucke durch Aliasing zu erhöhen.
Es ist normalerweise wünschenswert, beide Geräusche wie Getreide und Details des realen Objekts zu unterdrücken, die zu klein sind, um mit der Stichprobenrate dargestellt zu werden.
Siehe auch
- Astrophotographie
- Unterwasserfotografie
- Infrarotfotografie
- Ultraviolette Fotografie
- Silberbromid
- Fotografische Verarbeitung
- Bildbearbeitung
- Highlight Headroom
Verweise
- ^ "Wissenschaft der Fotografie". Fotography.com. Archiviert von das Original am 13. Februar 2008. Abgerufen 2007-05-21.
- ^ Kirkpatrick, Larry D.; Francis, Gregory E. (2007). "Licht". Physik: eine Weltanschauung (6 ed.). Belmont, Kalifornien: Thomson Brooks/Cole. p. 339. ISBN 978-0-495-01088-3.
- ^ "Phase Fresnel: Von der Wildtierfotografie bis zur Porträt | Nikon".
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- ^ Jones, Daniel (2003) [1917]. Peter Roach; James Hartmann; Jane Setter (Hrsg.). Englisch Aussprechen. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 3-12-539683-2.
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