Особенности интегральной и цветной фотографии Липмана

Особенности интегральной и цветной фотографии Липмана

Введение

Липман (Lippmann) Габриель (16.8.1845, Холлерих, Люксембург, - 12.7.1921, пароход «Франция»), французский физик, член Парижской АН (1886). Окончил Нормальную школу в Париже (1868), затем учился в Гейдельберге. С 1883 профессор Париж, университета. Исследовал электрокапиллярные явления, колебания маятника и камертона, явление обратимости пьезоэлектрического эффекта в кварце, поляризацию гальванических элементов и др. В 1891 разработал способ получения цветной фотографии, основанный на явлении интерференции света (Нобелевская премия, 1908), в 1908 - способ интегральной фотографии.

Целью данной работы является рассмотрение особенностей интегральной и цветной фотографии Липмана, и ее значения для развития науки.

липман интегральный фотография голография

1. Историческая справка

Липман Габриэль Йонас (дата рождения - 1845, 16 августа) - физик, доктор наук, профессор, изобретатель не выцветающей фотографии. Родился в Холлерихе, Люксембург.

В 1873 году работал в Гейдельбергском университете с физиологом Вильгельмом Кюне и физиком Германом фон Гельмгольцем.

В 1875 году Липман защитил в Сорбонне докторскую диссертацию.

В 1886 году Липман возглавил научно-исследовательскую лабораторию, в которой оставался работать до конца своей жизни.

В 1908 году Липман разработал метод интегральной фотографии.

За "создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции" Липман получил Нобелевскую премию по физике (1908).

Интегральная фотография по Липману позволяет получать объёмные изображения видимые невооружённым глазом.

Попытки получить объемное изображение чисто фотографическими методами предпринимались с начала прошлого века. Г. Липман в 1908 г. разработал метод интегральной фотографии, затем появились растровая и стереоскопическая съемки. И.И. Сафронов провел исследования в области применения стереоскопии в криминалистике и в 1949 г. защитил кандидатскую диссертацию «Стереоскопия и измерительная фотография в криминалистике и судебной медицине». Впоследствии это направление было продолжено А.И. Винбергом, Н.И. Герасимовым, В.П. Абросимовым, СП. Ивановым и В.Г. Коломацким, которым в 1967 г. была защищена кандидатская диссертация «Стереоскопическая фотография как средство фиксации и исследования судебных доказательств». В результате был создан комплекс стереофото-аппаратуры, обеспечивающий объемность отображения фиксируемого объекта. Однако недостатком методов стереоскопической съемки является необходимость применения специальных средств воспроизведения стереоскопического эффекта (очков, растровых экранов, стереоскопов). Это затрудняет использование стереоснимков.

. Интегральная фотография Липмана

Аналогом голографического изображения, получаемого в когерентном свете, является интегральная фотография, регистрируемая в некогерентном свете.

Интегральная фотография так же, как голография, характеризуется "полной записью" об объекте, его объемности, его относительном положении в пространстве. По части интегральной фотографии, по ее кусочку, можно воссоздать такую же картину, как и по целой фотографии.

Изображение интегральной фотографии может быть названо лучевой голографией, поскольку при использовании некогерентного света регистрируются лишь амплитуды, а не фазы волны, и описание процесса укладывается в рамки геометрической (лучевой) оптики.

Интегральная липмановская фотография предложена Г. Липманом в 1908 г. Это метод, позволяющий получать на плоском снимке объёмные изображения, которые можно рассматривать непосредственно глазами, без вспомогательных оптических приспособлений. Метод основан на применении так называемой интегральной пластинки, представляющей собой совокупность маленьких двояковыпуклых линз, располагаемых перед слоем светочувствительной эмульсии (рис., а). Съёмка объекта интегральной пластинкой производится без какой-либо вспомогательной оптики - каждый линзовый элемент является самостоятельным объективом, формирующим на эмульсии своё микроизображение объекта. Проявленная с обращением и отфиксированная интегральная пластинка просвечивается рассеянным светом со стороны эмульсионного слоя (рис., б). При этом в области пространства, занятой ранее (при съёмке) объектом, формируется его объёмное (стереоскопическое) изображение. Оно является результатом наложения друг на друга отдельных изображений, возникающих при обратном ходе лучей света через каждый из линзовых элементов. Для такого (интегрального) изображения характерны высокие стереоскопические свойства, игра светотени и бликов, а также разворот самого изображения при оглядывании его с разных сторон.

Массовому применению интегральной Липмановская фотография препятствуют огромные технические трудности изготовления высококачественных интегральных пластинок. Широкое распространение получили методы, представляющие собой упрощения метода Липмана, например растровая стереофотография и интегральное кино, в котором на стадии проекции изображения используется радиально-растровый стереоэкран, состоящий из конических линзовых элементов.

Рис.1. Интегральная фотография по Липману: а - съёмка объекта О интегральной пластинкой ИП; б - восстановление объёмного (интегрального) изображения O1; П1, Л1 и П2 Л2 - положение правого и левого глаз человека при съёмке и рассматривании изображения, соответственно.

При рассматривании интегральной фотографии сбоку можно увидеть боковой вид предмета. При приближении панорама видимой картины расширяется, меняется перспектива и угловая величина предметов.

Осуществляемая в некогерентном свете интегральная фотография допускает съемку натурных пространственных объектов неограниченных размеров на произвольных расстояниях, позволяет получать цветные изображения.

Известны различные модификации интегральной фотографии. Так, например, съемкой интегральной фотографии через объектив (или линзу) большого диаметра имеется возможность за счет сужения апертуры системы увеличить пространственное разрешение получаемого изображения. Возможно получение синтезированной интегральной фотографии, когда натурный объект фотографируется на множество кадров с различных ракурсов, а затем с этих же ракурсов осуществляется проекционная печать этих кадров на линзово-растровую пластинку, как это представлено на рис.2.

Рис.2.

Интересные результаты дает перевод сфокусированной интегральной фотографии когерентным излучением в отражательную голограмму с измененным пространственным масштабом изображения.

. Цветная фотография Липмана

Липмановская цветная фотография - метод цветной фотографии, разработанный в 1891 г. Липманом. В Липмановской фотографии слой прозрачной мелкозернистой фотографической эмульсии наносится на зеркально отражающий металлический слой (например, ртутную амальгаму). Во время экспозиции объектив проецирует на эмульсию изображение предмета; при этом на каждый малый её участок DS попадают лучи определённого цвета, т. е. одной или нескольких определённых длин волн l. Отражаясь от металлического слоя, лучи вновь проходят через эмульсию.

В результате интерференции света между падающими и отражёнными лучами в слое эмульсии возникают стоячие световые волны. В проявленной фотопластинке серебро образует систему слоев, параллельных поверхности эмульсии и соответствующих пучностям стоячих волн экспонирующего света. Для монохроматического света оптического расстояния между этими слоями (плоскостями максимальной концентрации серебра) равны l/2. (Для дающей ощущение некоторого цвета смеси лучей с разными l распределение плотности серебра более сложно.) Если проявленную и отфиксированную липмановскую пластинку осветить белым светом, падающим нормально к её поверхности, то каждый участок DS (элемент цветного изображения) с максимальной интенсивностью отразит лучи тех длин волн, которые проинтерферировали в нём при экспозиции, т. е. лучи исходно осветившего его цвета. Пластинка в целом (множество DS) воспроизводит спроектированное на неё цветное изображение. Вследствие технических трудностей Липмановская фотография в её первоначальной форме не получила широкого распространения, но она открыла путь разработке (на сходном принципе) бурно развивающегося в настоящее время метода голографии.

. Значение работ Липмана для развития фотографии и голографии

С незапамятных времен люди стремились запечатлеть наш мир во всех его ипостасях. Что двигало человеком, который рисовал сраженного стрелой оленя на закопченных сводах гулкой пещеры? Трудно сказать.

Еще в древности человек упорно искал возможность отобразить третье и четвертое измерения на скупой двумерной плоскости. Художники и ученые изобретали самые фантастические способы для того, что бы как можно полнее и объемнее запечатлеть действительность. И вот наступил день, когда фотография - самый реалистический способ сохранения изображений побледнела перед новым открытием.

Итак, начнем с истории. Девятнадцатый век готовил прорыв.

исследование волновой природы света Френелем - 1821

появление фотографии в виде первого дагеротипа - 1839

реализация первой цветной фотографии Липманом в методе регистрации трехмерных дифракционных структур вместе с фотографическим изображением - 1892

разработка принципов интегральной объемной фотографии тем же автором - 1908.

Далее, в середине двадцатого века (1947 год) Денис Габор, английский физик (венгр по происхождению), занимаясь поисками способа повышения резкости изображений электронного микроскопа, открыл поистине новый способ записи изображений - голографию.

Если фотография означает буквально светопись, то голография - полная запись.

Габор изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов.

Рис. 1

При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластиной. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения ртутной лампы.

Рис. 2

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение этого объекта. Результат был ошеломляющий, но мог взволновать пока только ученых. К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно, что мешало комфортному восприятию трехмерной сцены. Эти первые голограммы Габора назывались осевыми.

Рис. 3

Примерно в это же время свои первые голограммы получил в Советском Союзе молодой аспирант Юрий Дениcюк. Но способ их записи он позаимствовал у Липмана. Хоть эти голограммы так же, как и у Габора в силу низкой когерентности (монохроматичности) источников были осевыми, но в исполнении Денисюка свет интерферировал во встречном направлении.

Эта схема записи, когда фотопластина с прозрачной фотоэмульсией устанавливается между объектом и источником света до сих пор называется "запись голограммы во встречных пучках" или схемой Денисюка. Результат тогда мало кого впечатлил.

Рис. 4

Картина интерференции фронтов световых волн, бегущих навстречу друг другу позволяла фиксировать не только амплитуду и фазу волнового фронта (информацию о трехмерной сцене), но и частоту (цвет) волны. Это открывало перспективу записи цветных голограмм и восстановления их источниками "белого" цвета.

В 1960 году появились лазеры - удивительные источники излучения высокой когерентности.

С применением лазеров опыты Габора и Денисюка можно было повторить с большим эффектом. Результат не заставил себя долго ждать.

Рис. 5

В 1961 году на одной из фотовыставок ученые Лейт и Упатниекс в присущей американцам манере устроили, сенсацию. Они показали трехмерное изображение шахматной доски, записанное на плоской фотопластинке.

Это была первая внеосевая голограмма. Но качество ее способно было потрясти видавших всякое.

Рис. 6

Когерентность лазеров теперь позволяла разделить направления падения на фотопластину интерферирующих лучей опорного источника и волнового фронта, отраженного от объекта.

Рис. 7

Наблюдать трехмерную сцену, парящую за куском прозрачного стекла (имейте в виду, что голограмма отбеливалась), было сверх границ нашего сознания. Люди пытались нащупать фантом, изображение которого ничем не отличалось от материального оригинала.

Рис. 8

Мало того, изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Можно было сначала изготовить голограмму-оригинал по схеме Лейта - Упатниекса, а затем получить копию, парящую перед голограммой, записанную во встречных пучках (способ Денисюка). Голограммы второго типа позволяли использовать для восстановления трехмерного изображения не дорогостоящие и сложные в эксплуатации лазеры, а свет солнца или ламп накаливания.

Рис. 10 Голограмма лазерного луча, отражающегося от зеркал.

Так сенсация породила настоящий бум в области изобразительной голографии. Художники начали творить настоящие шедевры, открывая новые изобразительные возможности "полной записи".

Выставки, галереи, каталоги. Затем разработали новые фотоматериалы и технологии, экономичные лазеры и различные схемы записи голограмм. Голограммы появились в виде этикеток, открыток, защитных печатей, сувениров…

Так продолжалось бы бесконечно, если бы не ряд осложняющих моментов в технологии изобразительной голографии. Свет лазеров для регистрации трехмерных сцен - удовольствие дорогое.

Виктор Григорьевич Комар, наш замечательный соотечественник, посягнул было на голографический кинематограф. Он практически решил все технические стороны записи и воспроизведения трехмерной картинки в четвертом измерении, но дальше впечатляющего демонстрационного аттракциона не ушел.

И тут пора вспомнить гениального Липмана, с его интегральной фотографией. Это не только некая альтернатива голограмме, не требующая дорогих импульсных лазеров, но и компромиссный путь в настоящую изобразительную голографию.

Давайте вспомним, в чем заключена природа стереозрения.

Мы с Вами имеем пару глаз, расположенных на расстоянии друг от друга примерно в 65 миллиметров.

Рис. 11

И каждый глаз видит чуть-чуть разную картину. Левому глазу дано видеть то, что спрятано за объектом слева для правого глаза, а правый получает обратное преимущество. Благодаря параллаксу мы можем довольно точно определить расстояния до различных точек сцены. Но параллакс - не единственный механизм стереозрения. Наши глаза направлены на рассматриваемый объект под разными углами, и хрусталик сфокусирован на рассматриваемом объекте, а не на заднем плане. Это еще два канала информации о пространстве сцены. И не дай бог что - то здесь нарушить! Наш мозг сразу заподозрит обман. Поэтому стереоскопы, стереопроекция на растровые экраны, поляризационные очки, и другие изобретения стереофотографии не дают комфортного и реалистичного восприятия трехмерной сцены. Здесь голография - вне конкуренции.

Но вернемся к Липману.

Рис. 12

Он предложил фотографировать сцену матрицей из огромного количества миниатюрных (до 1 мм в диаметре) микрообъективов. Каждая точка такой фотографии фиксировала свой параллакс, а множество точек этой фотографии могла восстановить трехмерную картину сцены. Практически получить совершенные интегральные фотографии удалось много лет спустя, советским ученым из ГОИ. (Этой технологией успешно занимался последнее время Б.К. Рожков).

К недостаткам интегральной фотографии можно отнести тот факт, что изображение, получаемое таким способом, было псевдоскопическим, т.е. вывернутым наизнанку и располагалось впереди фотографии. Для устранения псевдоскопии необходимо было изготавливать копию интегральной фотографии тем же интегральным методом, что снижало качество изображения и значительно усложняло процесс.

Но синтез принципов интегральной фотографии и голографии позволил найти эффективный способ записи трехмерных изображений.

Представьте себе забор из тонких металлических прутьев. Промежутки в этом заборе равны расстоянию между зрачками наших глаз. Если мы приблизимся к такому забору вплотную, то сможем сквозь пару соседних просветов наблюдать трехмерную картину сада. Перемещаясь вдоль нашего вымышленного "забора", мы сможем оглядывать сцену с разных сторон.

А теперь заменим просветы в заборе зонами, через которые мы сможем увидеть соответствующий фотографический ракурс нашей трехмерной сцены. Восприятие в этом случае пространства будет адекватным реальности, мы сможем видеть сад во всей его трехмерной красе. Чем уже промежутки между ракурсами, тем реалистичней ощущение пространства.

Установим на тележке, движущейся по рельсам вдоль нашего гипотетического забора, цифровую фотокамеру и будем фиксировать кадр за кадром через небольшие промежутки пути трехмерную сцену друзы опят.

Рис. 13

Таким образом, мы сможем зафиксировать все ракурсы, необходимые для восприятия трехмерного пространства сцены.

Рис. 14

Затем изготовим серию крупноформатных слайдов конечного множества ракурсов нашей сцены, и будем последовательно, меняя слайды-ракурсы в прецизионном держателе проекционного экрана, записывать их (согласно вышеприведенной схеме) на широкую полосу голографической пленки в виде узких вертикальных голограмм.

Рис. 15

Глядя сквозь голографический "заборчик" можно получить полное впечатление о пространстве сцены. Но разглядывать такие фотографии в свете лазера - удовольствие дорогое.

Для устранения этого неудобства остается все голографические полоски-ракурсы скопировать на голографическую фотопластину, которая должна быть расположена именно в том месте, где на первом этапе синтеза последовательно размещались слайды-ракурсы.

Рис. 16

Помните, что голографическое изображение можно записать снова на голограмму, будь-то, мы имеем дело с реальным объектом.

Для чего же понадобилось устраивать двухступенчатый процесс изготовления мультиплексной голограммы?

Рис. 17

Дело в том, что последовательно впечатывать ракурсы на всю площадь голограммы не эффективно, в этом случае яркость изображения будет падать пропорционально корню квадратному из числа экспозиций. Если это сделать единовременно, результат будет более качественным. К тому же, изображения каждого ракурса можно считать сфокусированным в плоскости голограммы, а это означает, что протяженность восстанавливающего источника света не будет сильно влиять на резкость восстановленного изображения. (Для настоящих трехмерных голограмм необходимость приближения восстанавливающего источника к точечному тем больше, чем больше глубина записанной на этой голограмме сцены, в противном случае, удаленные предметы окажутся размытыми.)

Подобный способ записи трехмерных сцен имеет ряд замечательных преимуществ, которыми не обладает ни интегральная фотография, ни голограмма:

можно масштабировать трехмерное изображение без искажения пространства

наблюдение трехмерной сцены в свете обычной лампы накаливания

становится возможной регистрация натурных сцен в естественном освещении и самосветящихся объектов.

мультиплексная голограмма может быть записана в цвете

возможна регистрация движения элементов сцены

лазеры используются только в процессе синтеза

использование голографических оптических элементов (ГОЭ) вместо крупногабаритной асферической оптики существенно снижает стоимость оборудования

использование цифровых технологий позволяет полностью автоматизировать процесс синтеза мультиплексной голограммы и исключить фотопечать серии ракурсов.

Пройдет немного времени, и трехмерные фотографические иллюстрации помогут нам лучше рассмотреть наш многоликий, полный удивительных парадоксов и явлений мир, а фотохудожники получат новое изобразительное средство.

Заключение

Таким образом, принцип интегральной фотографии был предложен в начале нынешнего века Г. Липпманом, более известным по его идее интерференционной фотографии, явившейся прообразом современной отражательной голограммы, обоснованной и разработанной Ю.Н. Денисюком.

Свой метод Г. Липпман назвал интегральной фотографией потому, что получаемое объемное изображение синтезируется из отображений огромного количества маленьких микроскопических изображений объекта, фотографируемых линзово-растровой фотопластинкой, и, можно сказать, восстанавливаемый волновой фронт интегрируется из множества элементарных пучков, отображаемых этими изображениями.

Практический интерес представляют системы квазиинтегральной фотографии, так называемые автостереоскопические изображения, которые находят применение в виде рекламных объемных изображений и в качестве массовой стереоскопической изопродукции.

Принципы лучевой голографии, осуществляемой с помощью растровых оптических систем, позволяют решать многие задачи, не доступные для реализации традиционными классическими средствами.

Известны растровые интегральные стереоэкраны, растровые объективы и окуляры. Растровые оптические системы обеспечивают фиксацию не только пространственных ракурсов объекта, но и его временных ракурсов. Наиболее высокие скорости киносъемки достигнуты с помощью растровых съемочных камер. Растровые оптические системы перспективны в компьютерной технике в качестве ЗУ, в качестве процессоров, управляемых транспарантов и т.п. Наконец, следует указать еще на аналогию растровых систем с голографическими в области интерферометрии. По существу, явление муара представляет собой интерференцию пространственных частот растровых решеток, что и используется в измерительной технике.

Список литературы

1.                  Lippmann G., Photographie des couleurs, «Comptes rendus de l'Acadйmie des Sciences de Paris», 1891, vv. 112, 114

2.      Валюс Н.А. Растровая оптика, М.-Л., ГИТТЛ, 1949.

.        Валюс Н.А. Матричный тип оптико-электронных вычислительных машин. Радиоэлектроника оптического диапазона, М., ВЗМИ, 1970.

.        Дудников Ю.А.Фотография Липмана. М., 1998