Свет, падая на поверхность, претерпевает физические изменения, характеризующиеся его переходом из одной среды в другую. При этом явлении происходит изменение его направления – преломление, разнообразие которого создает рассеяние света.
В зависимости от степени неровности поверхности предметов могут быть зеркальными или шероховатыми, а тела и среды – однородными и неоднородными.
В зависимости от физического строения тела или среды рассеяние проявляется в отражении, пропускании или поглощении светового потока.
Падающий на тело (среду) поток излучения Ф разделяется слоем материала на составляющие ФR, ФА, ФТ (рис.2.7):
Рисунок 2.7 – Падающий поток излучения разделяется слоем материала на составляющие ΦR, ΦА и ΦТ
Коэффициент отражения r равен отношению отраженного потока излучения ФR к упавшему потоку Ф
r = ФR / Ф
Коэффициент отраженияхарактеризует светлоту поверхности в процентах (ρ100) относительно идеально белой с ρ = 1, ρ =100%.
Коэффициент пропускания t равен отношению прошедшего через материал потока излучения ФТ к упавшему потоку Ф:
t = ФТ / Ф
Он характеризует прозрачность тел и сред.
Коэффициент поглощения a равен отношению поглощаемой материалом доли потока излучения ФА к упавшему потоку Ф:
a = ФА / Ф
Характеризует в основном оптическую плотность среды, ослабляющую поток излучения.
Рассчитанные таким образом коэффициенты являются оптическими.
Если коэффициенты определяются по преобразованию световых потоков (F, лм), то их называют световыми (фотометрическими).
Все изменения падающего света распространяются на точно определенную долю в его спектре и зависят от физического свойства тела и длины волны, но не зависят от силы падающего света. В фотографии оптические коэффициенты характеризуют в основном поверхности тел в соответствии со зрительными оценками их светлоты.
|
|
Если тела нейтрально-серые, т.е. имеют спектрально-неизбирательное поглощение, оптические и световые коэффициенты равны друг другу.
Для окрашенных тел оптические и световые коэффициенты не совпадают. Описанные выше коэффициенты – интегральные, они оценивают преобразование сложного излучения в целом.
Имеется еще два рода коэффициентов: монохроматические и зональные. Первые оценивают действие оптической среды на монохроматическое излучение.
Зональные коэффициенты оценивают преобразование излучения, занимающего одну из зон спектра (синюю с 
500 нм, зеленую с 
и красную с 
Эти коэффициенты используются при работе с цветом.
Оптическая плотность
Тела, пропускающие и поглощающие свет (кроме матовых и мутных сред), характеризуются оптической прозрачностью θ, непрозрачностью О и оптической плотностью D.
Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.
В фотографии оптическая плотность наиболее распространена для выражения спектральных свойств светофильтров и меры почернения (потемнения) негативов и позитивов. Величина плотности зависит от таких одновременно действующих факторов: структуры падающего светового потока (сходящихся, расходящихся, параллельных лучей или рассеянного света) структуры прошедшего или отраженного потока (интегрального, регулярного, диффузного).
|
|
Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t).
В определении оптической плотности иногда десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.
Понятие Оптическая плотность введено Р. Бунзеном; оно используется для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях.
Особенно широко оптическая плотность используются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов Оптическая плотность в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения
Различается плотность D для белого света, монохроматическая Dλ для отдельных длин волн и зональная Dзон, выражающая ослабление светового потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (Dc 3, D3 3, DK 3).
Плотность прозрачных сред (светофильтров, негативов) определяется в проходящем свете десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания τ:
D τ = lg(1/τ) = -lgτ
|
|
Плотность поверхностей выражается величиной отраженного света и определяется десятичным логарифмом коэффициента отражения ρ:
D ρ = lg (1/ ρ ) = - lg ρ.
Величина плотности D = l ослабляет свет в 10 раз.
Интервал оптических плотностей прозрачных сред практически неограничен: от полного пропускания света (D = 0) до его полного поглощения (D = 6 и более, ослабление в миллионы раз). Интервал плотностей поверхностей предметов ограничен содержанием в их отраженном свете поверхностно отраженной составляющей порядка 4-1 % (черная типографская краска, черное сукно). Практически предельные плотности D = 2,1...2,4 имеют черный бархат и черный мех, ограничиваемые поверхностно отраженной составляющей порядка 0,6-0,3 %.
Оптическая плотность связана простыми зависимостями с концентрацией светопоглощающего вещества и со зрительным восприятием наблюдаемого объекта – его светлотой, чем и объясняется широкое использование этого параметра.
Заменив оптические коэффициенты на потоки излучения – упавший на среду (Ф0) и вышедший из нее (Фτ или Фρ), получим выражения
Чем больше света поглощается средой, тем она темнее и тем выше ее оптическая плотность как в проходящем так и в отраженном 
свете.
Оптическая плотность может быть определена по световым коэффициентам. В этом случае ее называют визуальной.
Визуальная плотность в проходящем свете равна логарифму величины, обратной световому коэффициенту пропускания:
Визуальная плотность в отраженном свете определяется по формуле
Для нейтрально-серых оптических сред. т.е. для серых светофильтров, серых шкал, черно-белых изображений, оптические и световые коэффициенты совпадают, поэтому совпадают и оптические плотности: 
Если известно, о какой плотности идет речь, индекс при D опускают. Описанные выше оптические плотности – интегральные, они отражают изменение мощностных характеристик белого (смешанного) излучения. Если оптическая плотность измеряется для монохроматического излучения, то ее называют монохроматической (спектральной). Она определяется с использованием монохроматических потоков излучения Ф λпо формуле
В приведенных выше формулах лучистые потоки Ф, могут быть заменены на световые потоки Fλ, что следует из выражения
Поэтому можно записать:
Для цветных сред интегральные оптическая и визуальная плотности не совпадают, так как они рассчитываются по разным формулам:
Для фотоматериалов с прозрачной подложкой оптическая плотность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D0.
Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например, светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Графически характеристика поглощения выражается кривой зависимости оптической плотности D от длины волны белого света λ, нм.
Оптическая прозрачность Θ – характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления: Θ = Фτ/Ф.
Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием, и характеризует одновременно поглощение и рассеяние. Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.
Оптическую прозрачность определяет кривая спектрального пропускания для длин волн оптического диапазона излучений. Прозрачность объективов для белого света увеличивается при нанесении на линзы просветляющих покрытий. Прозрачность атмосферы зависит от наличия в ней мелких частиц пыли, газа, водяных паров, находящихся во взвешенном состоянии и влияющих на характер освещения и рисунок изображения при съемке. Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.
Оптическая непрозрачность О – отношение падающего светового потока к прошедшему через слой – величина, обратная прозрачности: О = Ф/Фτ = l/Θ. Непрозрачность может изменяться от единицы (полное пропускание) до бесконечности и показывает, во сколько раз уменьшается свет, проходя через слой. Непрозрачность характеризует плотность среды. Переход к оптической плотности выражается десятичным логарифмом непрозрачности:
D = lg О =lg (l/τ) = - lg τ.
Спектральные отличия тел. По характеру излучения и поглощения светового потока все тела отличаются от ЧТ и условно делятся на селективные и серые, отличающиеся избирательным и неизбирательным поглощением, отражением и пропусканием. К селективным относятся хроматические тела, обладающие какой-либо цветностью, к серым – ахроматические. Термин «серый» характеризуется двумя признаками: характером излучения и поглощения относительно ЧТ и цветом поверхности, наблюдаемым в обиходе. Второй признак широко используется при визуальном определении цвета ахроматических тел – белых, серых и черных, отражающих спектр соответственно белого света от единицы до нуля.
Серое тело обладает степенью поглощения света, близкой к поглощению ЧТ. Коэффициент поглощения ЧТ равен 1, а серого тела – близок к 1 и также не зависит от длины волны излучения или поглощения. Распределение энергии, излучаемой по спектру, у серых тел для каждой данной температуры подобно распределению энергии ЧТ при той же температуре, но интенсивность излучения меньше в несколько раз (рис. 23).
Для несерых тел поглощение избирательно и зависит от длины волны, поэтому они считаются серыми лишь в определенных, узких интервалах длин волн, для которых коэффициент поглощения приблизительно постоянен. В видимой области спектра свойствами серого тела обладают уголь (α = 0,8)< сажа (α = 0,95) и платиновая чернь (α = 0,99).
Селективные (избирательные) тела обладают цветом и характеризуются кривыми зависимости коэффициентов отражения, пропускания или поглощения от длины волны падающего излучения. При освещении белым светом цвет поверхности таких тел определяется по максимальным величинам кривой спектрального отражения илипо минимальной величине кривой спектрального поглощения. Цвет прозрачных тел (светофильтров) определяется в основном кривой поглощения (плотностью D) или кривой пропускания τ. Кривые спектрального поглощения и пропускания характеризуют вещество селективных тел только для белого света. При их освещении цветным светом кривые спектрального отражения или пропускания меняются.
Белый, серый и черный цвет тел – это визуальное ощущение ахроматичности, применимое к отражению поверхностей и пропусканию прозрачных сред. Ахроматичность графически выражается горизонтальной прямой или едва заметной волнистой линией, параллельной оси абсцисс и расположенной на различном уровне оси ординат в световом диапазоне длин волн (рис. 24, а, б, в). Ощущение белого цвета создают поверхности с наибольшим равномерным коэффициентом
отражения по спектру (ρ = 0,9...0,7 – белые бумаги). Поверхности серого цвета имеют равномерный коэффициент отражения р = 0,5...0,05. Черные поверхности имеют ρ = 0,05...0,005 (черное сукно, бархат, мех). Разграничение это приблизительно и условно. Для прозрачных сред (например нейтральных серых светофильтров) характеристика ахроматичности также выражается горизонтальной линией поглощения (плотностью D, показывающей в какой степени ослабляется белый свет).
Светлота поверхности – это относительная степень зрительного ощущения, возникающего в результате действия цвета отраженного излучения на три цветоощущающих центра зрения. Графически светлота выражается суммарной плотностью этого излучения в диапазоне белого света. В общей светотехнике светлота неправильно используется для зрительной количественной оценки различия двух смежных поверхностей, различающихся по яркости.
Светлота белой поверхности, освещенной белым светом. В качестве 100 %-ной принимается светлота идеально белой поверхности (покрытой сернокислым барием или магнием) с ρ = 0,99. При этом характеризующая ее площадь на графике (рис. 24, а) ограничивается линией светлоты на уровне ρ = 1 или 100 %. На практике белыми считаются поверхности, светлота которых соответствует 80-90 % (ρ = 0,8...0,9). Линия светлоты серых поверхностей приближается к оси абсцисс (рис. 24, е), поскольку они отражают часть белого света. Линия светлоты черного бархата, практически не отражающего света, совмещается с осью абсцисс.
Светлота цветных поверхностей, освещенных белым светом, определяется на графике площадью, ограниченной кривой спектрального коэффициента отражения. Поскольку бесформенная площадь не может отразить количественную степень светлоты, она переводится в площадь прямоугольника с основанием на оси абсцисс (рис. 24, г, д, е). Высота прямоугольника определяет светлоту в процентах.
Светлота цветных поверхностей, освещенных цветным светом, выражается на графике площадью, ограниченной результирующей кривой, полученной в результате перемножения спектральной характеристики освещения на спектральную характеристику отражения, поверхности. Если цвет освещения не совпадает с цветом поверхности, то отраженный свет изменяет свой цветовой тон, насыщенность и светлоту.