Поляризационные светофильтры

С явлениями поляризации света мы часто встречаемся в природе. На поверхностях многих объектов съемки нередко можно наблюдать зеркальные отражения, рефлексы, блики, особенно на гранях и прогибах. В местах, где они появились, не только ухудшается проработка деталей, четкость рисунка и фактура поверхности, но под чрезмерно яркими бликами на фотоснимке исчезает и само изображение деталей предмета. Смягчить, ослабить или даже совсем заглушить эти помехи стало возможным лишь после появления особых поляризационных светофильтров.

При зеркальном отражении свет всегда в большей или меньшей степени поляризован, т. е. состоит из смеси естественного и поляризованного света. Степень поляризации отраженного света зависит от материала отражательной поверхности и угла падения лучей света на эту поверхность. Согласно основному закону поляризации, она становится полной, когда отраженный и преломленный лучи образуют прямой угол, т. е. а + в = 90° (рис. 32). В этом случае, если луч из воздуха проходит в среду с коэффициентом преломления п = sin a /sin в, то sin (3 = cos a и sin a /cos a = tg a = п. Отсюда следует, что угол полной поляризации света, угол Брюстера а, определяется коэффициентом преломления л материала. Например, п оконного стекла 1,5. Тогда tg а = 1,5, отсюда угол а = 56°20.

При отклонении угла падения от угла полной поляризации степень поляризации отраженного луча снижается. При угле падения лучен, равном 0 или 90°, свет не поляризуется.

Для водной поверхности и льда угол полной поляризации составляет 53°, эмалевой, лаковой, масляной погерх-ности — 55°, полированной деревянной — 54°, стеклянной— 56°, для глянцевой бумаги—58° (числа несколько округлены).

Широкое использование поляризационных светофильтров началось после появления поляризаторов из герапатита . Целлулоидная пленка, содержащая слой вытянутых узких плотно лежащих один возле другого кристалликов герапатита , является поляризационным светофильтром, который в зависимости от своего положения по отношению к плоскости колебания поляризованного света задерживает этот свет или пропускает его. Поляризация света и действие такого светофильтра схематически изображены на рис. 38. Луч неполяризованного света АЕ после отражения под углом полной поляризации а от зеркальной поверхности становится поляризованным (луч ЕВ). При светофильтре в положении /, когда плоскости колебаний света и ориентировка осей кристалликов совпадают, свет проходит беспрепятственно, а при скрещенном положении (II) свет блокируется. Рассеянные лучи ЕД частично поляризованы. Если свет частично поляризован, то будут блокированы лишь те световые волны, колебания которых происходят в плоскости, перпендикулярной к осям ориентированных кристалликов. Остальной свет пройдет.

Поляризационные светофильтры Пф-32, Пф-36, Пф-42 рассчитаны на наружные диаметры объективов 32, 36 и 42 мм. Кривая спектральной прозрачности поляризационных светофильтров приведена на рис. 33. Процент поляризации у всех типов поляризационных светофильтров на большой части спектра (500—625 нм) почти 100%-ный (98—99,8%). Некоторое снижение поляризации наблюдается в области синих, красных (после 625 нм) и особенно инфракрасных лучей. Ультрафиолетовые излучения поглощаются полностью.

Из-за потерь света при прохождении через поляризационный светофильтр необходимо увеличить экспозицию, независимо от цветочувствительности пленки и спектрального состава источника света, в 2,5—4 раза.

При определении экспозиции по яркости блики не должны влиять на результаты замеров. Это может привести к сильной недодержке негатива. Чтобы этого не случилось, измерять яркость объекта следует не в направлении аппарата, а несколько в стороне, где действие бликов не ощущается. Так, при съемке витрины магазина яркость измеряется при направлении экспонометра, перпендикулярном по отношению к витрине, а не в направлении фотоаппарата. В большинстве случаев предпочитают измерение освещенности объекта, а не его яркости.

Действие поляризационного светофильтра зависит от двух факторов: правильной ориентации фотоаппарата по отношению к отражающей поверхности и угла поворота фильтра в оправе. Прежде всего фотоаппарату следует придать положение, при котором оптическая ось как бы продолжает отраженный поляризованный луч, т. е. угол наклона ее по отношению к отражающей поверхности равен (90° — а), где а — угол полной поляризации отраженного света.

Для стекла этот угол равен 34°, полированного дерева — 36°, глянцевой бумаги — 32°, воды — 37°, эмали, масляной краски — 36°, т. е. угол наклона фотоаппарата по отношению к отражающей поверхности лежит в пределах 30—40°.

Угол наклона фотоаппарата находится при визуальном наблюдении объекта через поляризационный светофиль тр с пр едполагаемой точки съемки. Вращением светофильтра в оправе (состоящая из двух колец оправа поляризационного фильтра позволяет такое вращение) определяют угол поворота, при котором достигается желаемая степень гашения блика. В таком положении светофильтр устанавливают перед объективом дальномерных фотоаппаратов. На оправе светофильтра нанесены маркировочные штрихи или точки, облегчающие сохранение найденного поворота. Отклонение на 5—10° не имеет большого значения. Угол поворота легко находится, если контролировать действие светофильтра по матовому стеклу, например при съемке фотоаппаратом Зенит или Салют.

В однообъективных зеркальных камерах после наводки на резкость поляризационный светофильтр устанавливают перед объективом и поворачивают в оправе, пока не будет найден нужный угол поворота. В двухобъективных зеркальных камерах поляризационный светофильтр сначала устанавливают перед объективом видоискателя и во время медленного вращения определяют нужный поворот светофильтра, после чего в найденном положении закрепляют перед объективом.

Хорошие результаты дает применение поляризационных светофильтров в фотографии и кинематографии, особенно цветной. Они позволяют ослаблять, полностью гасить рефлексы, блики, отражения на гладких полированных, стеклянных (рис. 34) и водных поверхностях, улучшать передачу неба и выделять облака на нем, усиливать насыщенность синего неба и цветов наземных объектов, устранять синеву на зелени, ослаблять воздушную дымку, облегчать съемку под водой. Поляризационные светофильтры убирают и гасят блики, отражения на многих материалах — линолеуме, паркете, на темных поверхностях рояля, на мраморе, кафеле, керамике, фарфоре, ткани и бумаге. Но блики и отражения, которые появляются на металлических поверхностях, поляризационный светофильтр не удаляет, кроме случаев, когда они окрашены, как, например, кузов автомобиля, покрыты окислами или пленкой воды.

Поляризационные светофильтры с успехом используются, если необходимо приглушить яркость синего безоблачного неба, выделить на нем облака, самолеты. Такое действие светофильтра объясняется тем, что свет, отраженный небом, является поляризованным (но не в одинаковой степени и не по всему небосводу), а свет, отраженный облаками, самолетами, не поляризован.

Степень поляризации отдельных участков неба зависит от высоты солнца над горизонтом, удаленности их от солнца, состояния атмосферы (мутности) и изменяется от 0 до 85%.

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 располагается 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).

С появлением белесоватого оттенка поляризация неба снижается наполовину и больше. Если небо запылено (вблизи горизонта), серое или светло-серое, а также в пасмурную погоду, в туман, свет перестает быть поляризованным. При чистом и прозрачном воздухе, особенно в горах, вблизи моря, поляризация неба усиливается.

Воздушная дымка, возникшая в результате рассеяния света в атмосфере, частично поляризована и может быть в большей или меньшей степени ослаблена поляризационным светофильтром.

Наблюдая поляризованное небо через светофильтр, можно проследить за постепенным изменением его яркости и насыщенности. По мере того как плоскости поляризации неба и ориентации кристалликов герапатита все больше скрещиваются, небо все больше затемняется и при полном скрещивании выглядит, как ночное, т. е. светофильтр действует как оттененный нейтрально-серый светофильтр переменной плотности,

При черно-белой съемке такое же ослабление яркости неба можно получить, применяя желтые, оранжевые и красные фильтры разной плотности. Но в отличие от цветных светофильтров поляризационный не влияет на цветопередачу наземных объектов, не ослабляет освещенность теневых участков, хотя они освещаются поляризованным светом неба. Отраженный от предметов, находящихся в тени, поляризованный свет неба становится естественным или слабо поляризованным, и контраст светотени остается без изменения.

При низком или высоком стоянии солнца, снимая длиннофокусным объективом, легко охватить одинаково поляризованные участки неба; при съемке короткофокусным объективом в поле изображения попадают и менее поляризованные участки.

На фигуры людей, деревья, башни, паруса лодок, находящихся на фоне неба, действие светофильтра не распространяется, так как действие поляризованного света во много раз слабее солнечного.

Затемнение водной поверхности поляризационным светофильтром зависит как от степени поляризации отраженного от водной поверхности света, так и от угла поворота светофильтра. При освещении водной поверхности солнечным светом отраженный от нее свет может быть частично или полностью поляризован в зависимости от угла падения света. Почти 100%-ная поляризация отраженного от водной поверхности света возникает при угле падения, равном 53° (по отношению к водной поверхности — 37°). По мере приближения солнца к горизонту или зениту отраженный от поверхности воды свет становится все менее

поляризованным.

Для отчетливой видимости под водой съемку производят с помощью поляризационных светофильтров под углом 37° по отношению к поверхности воды. При этом угле отраженный свет гасится и становится возможной съемка ясно видимых подводных объектов (предполагается спокойная, без ряби, поверхность воды).

При соответствующем положении светофильтра достигается полное гашение отраженного света, вода плохо различается, а рыбы кажутся висящими в воздухе.

При съемке водной поверхности против солнца наблюдается яркая световая дорожка, состоящая из бесчисленных зеркально отраженных под разными углами от волнующейся водной поверхности бликов и отблесков. Яркость этой дорожки можно ослабить, но полностью погасить все блики на поверхности воды нельзя, как нельзя их погасить на глыбах льда, искрящихся снежных сугробах, вызванных светом, отраженным под разными углами, на статуях и других объемных предметах.

Естественно, что в первую очередь гасятся наиболее мешающие блики. Избирательно гасятся блики, если водная поверхность сравнительно велика и, начиная с переднего плана, тянется в глубь кадра. Объясняется это тем что направления съемки для переднего и заднего плана оказываются под разными углами и не все блики гасятся в одинаковой степени, особенно при высокой точке съемки. При более низкой точке углы направления съемки для близких и задних планов сближаются и возникает более равномерное гашение бликов.

В цветной фотографии поляризационными светофильтрами пользуются сравнительно редко, хотя они могут применяться с большой пользой. При рассматривании пейзажа через поляризационный светофильтр уже можно получить представлен ие о е го действии. При медленном вращении светофильтра перед глазами видно, как постепенно темнеет синее небо, приобретая насыщенный темно-синий цвет, едва заметные облака начинают все отчетливее выделяться на голубом (синем) небе, постепенно пропадает синева на зелени растений, вызываемая отражением от поверхности листьев поляризованного света неба или наслоением воздушной дымки (но не цветовой температурой источника света или недостатками пленки), и зелень приобретает насыщенный теплый зеленый цвет.

Ослабевают нередко наблюдаемые на зелени деревьев, кустов, луга многочисленные мелкие рефлексы, разбеливающие зеленый цвет. Одновременно наблюдается усиление насыщенности других цветов. Снижая контраст между наземной частью объекта и ярким небом, поляризационный светофильтр облегчает съемку на обратимой цветной пленке, обладающей малой фотографической широтой.

Не всегда, однако, следует стремиться к полному удалению бликов. Лишенные бликов такие материалы, как стекло, фарфор, шелк, утрачивают свою подлинность, живость и выглядят даже неестественно, а объемные предметы теряют объемность. При сильном заглушении отражаемого зеленью синего света неба зелень может приобрести желтоватый оттенок. Поэтому при рассматривании объекта съемки через поляризационный светофильтр надо найти такую точку съемки и такое положение светофильтра, при котором наиболее сильные, мешающие блики были бы поглощены, а более слабые остались. Если действие одного светофильтра, укрепленного перед объективом, недостаточно для устранения бликов и рефлексов, устанавливают светофильтр и перед источником света. Совместное действие обоих светофильтров не только устраняет блики и рефлексы на неметаллических поверхностях, но заметно приглушает блики и на металлических поверхностях.

Размеры поляризационных светофильтров должны быть достаточными для перекрытия пучка света,- посылаемого осветительным прибором; к их оптическим качествам предъявляются меньшие требования.

Два поляризационных светофильтра в одной оправе, установленные перед объективом, действуют не только как поляризационный светофильтр, но и как серый светофильтр переменной плотности, заменяющий набор серых светофильтров разной плотности.

Подобно серому светофильтру, пара поляризационных светофильтров (обращенный к объективу съемки поляризует свет — поляризатор, обращенный к объективу — анализатор) позволяет изменять освещенность изображения. При этом резкость изображения и глубина резкости не изменяются. При последовательном прохождении пучка света через два светофильтра интенсивность прошедшего света будет зависеть от угла поворота одного светофильтра (анализатора) относительно другого (поляризатора). Начиная с параллельного положения плоскостей поляризации до скрещенного, прозрачность совмещенных светофильтров непрерывно уменьшается от наибольшей (при параллельном положении плоскостей поляризации) до нулевой (при скрещенном).

(закон Малюса ). При параллельном положении плоскостей поляризации обоих светофильтров их прозрачность равна 25—30%, т. е. пара светофильтров ослабляет проходящий свет так, как серый светофиль тр с пл отностью 0,6. Отсюда следует, что экспозиции следует увеличивать в 3—4 раза или уменьшать экспозиционное число на две единицы.

По мере увеличения угла поворота анализатора до 90° суммарная плотность обоих светофильтров растет от 0,6 примерно до 3. На рис. 35 показана кривая возрастания плотности D пары поляризационных светофильтров. При скрещивании их плоскостей поляризации интенсивность проходящего света уменьшается с 25 до 0,1%, т. е. в скрещенном положении светофильтров свет почти полностью блокируется.

С увеличением угла поворота одного светофильтра по отношению к другому увеличивается плотность, уменьшается прозрачность пары совмещенных поляризационных светофильтров, растет их кратность. Деления диафрагмы и световых чисел соответствуют углам поворота светофильтра (табл. 15).

Как видно из таблицы, начиная с угла поворота 60°, при дальнейшем его уменьшении прозрачность пары светофильтров стремительно падает.

Объединение пары поляризационных светофильтров в одной оправе, как видим, с успехом может быть использовано, когда объектив допускает ограниченное диафрагмирование , что часто встречается в любительских киноаппаратах, а также при портретных фотосъемках, если нежелательна большая глубина резкости, возникающая при сильном диафрагмировании .

Пара поляризационных светофильтров, помещенная перед источником света, позволяет регулировать его интенсивность, не изменяя цветовую температуру, что важно при цветной съемке и цветной печати.