CD как дифракционная решетка


Чувствительная матрица цифровой камеры регистрирует попадающий на нее свет. Каждый регистрирующий элемент матрицы обладает (должен, по крайней мере) чувствительностью ко всему видимому спектру. Для того, чтобы «создать» цветную цифровую картинку, нужно перед матрицей установить цветные фильтры и затем, зная координаты каждого из них, восстановить изображение. При этом, количество чувствительных элементов «делится» между всеми каналами, соответствующими используемым фильтрам. Обычно используются RGGB фильтры или CMY. Последние позволяют получить более чувствительную камеру (из светового потока вычитается только одна составляющая при CMY и две при RGB). Качество конечной цветной картинки определяется тем, насколько широк диапазон длин волн, регистрируемых матрицей, и насколько ее чувствительность постоянна к разным областям этого диапазона, качеством фильтров перед матрицей и работой электроники, восстанавливающей изображение. Если матрица обладает разной чувствительностью в разных областях видимого спектра, то сигнал нужно по-разному усилить и там, где требуется большее усиление, большим будет и шум.

Оценить качество цветопередачи камеры можно, сняв цветной эталон и сравнив результат съемки с оригиналом. Таким оригиналом может быть цветовая таблица или спектр, полученный разложением «белого света» призмой или дифракционной решеткой.

Для того, чтобы получить яркое и четкое изображение спектра, необходим источник «белого света» с непрерывным спектром, качественная решетка с шагом, соизмеримым с длиной волны (чем больше шаг решетки, тем сильнее сливаются цветные спектры с нулевым белым максимумом — предел простое отражение), «белый» отражающий экран. В качестве источника света можно использовать диапроектор с мощной галогенной лампой. А хорошей дифракционной решеткой может служить обычный лазерный диск. Шаг между соседними треками CD диска 1,6 мкм, а длины волн видимого спектра 0,4-0,7 мкм. Лучше использовать Аудио диск с хорошей металлизацией поверхности, хотя картинку можно снять и с записываемым «полупрозрачным».

Собираем установку. Экран на стену, CD на штатив (любую подставку), проектор на стол. В проектор в фильмовый канал нужно ввести тонкую щель, чтобы изображение на экране было как можно более тонким и в то же время ярким. В качестве щели можно использовать два лезвия, поместив их в рамку для слайдов в одной плоскости. Неточность расположения в одной плоскости и дефекты краев сильно влияют на качество получаемого спектра.   Ширина изображения щели на экране должна быть как можно уже (по крайней мере, уже отдельной «цветной» полосы), иначе «провалов» и прочих особенностей спектра не заметишь. Если используется узкопленочный проектор с короткофокусным объективом, то фокус надо наводить не по изображению «нулевого» максимума (белого), а по самому спектру (можно от решетки зеркалом спроецировать нулевой-белый максимум на то место, где находится цветной спектр и подстроить фокус).

Собрав установку приблизительно и наведя изображение щели на CD, гасим свет. В темной комнате легко найти радужные разводы на стенах и установить все элементы установки так, чтобы спектр оказался на экране и его можно было снять. После этого нужно подстроить фокусировку и снимать. Все цветные полосы спектра должны быть хорошо видны. Так как в качестве источника света используется лампа накаливания, то до съемки нужно вручную настроить баланс белого цифровой камеры по экрану, освещенному проектором.

Так как спектр источника света непрерывен, то и его разложенное изображение, полученное с помощью цифрового фотоаппарата не должно иметь провалов и прочих особенностей. Если камера воспроизведет весь спектр — отлично. Но, скорее всего, изображение, построенное по восстановлению сигнала с регистрирующей матрицы, за цветными фильтрами будет содержать не весь непрерывный спектр. И этот сфотографированный спектр будет демонстрировать реальные возможности камеры — то, что она видит и чего увидеть не может  в принципе.

Если камера не видит цветную «линию» из спектра, то это не значит, что такой цвет не может быть передан на конечной картинке. Цвета изображения синтезируются из RGB или CMY как на экране монитора. Иначе говоря, Ваш фотоаппарат может правдоподобно передать цвета картинки из жизни, но картинка «окрашенная» (освещенная) линией, к которой он слеп, воспроизведена не будет.

Для примера приведены спектры, полученные камерой Nikon Coolpix 880.

В зависимости от того, на какую долю CD спроецировано изображение щели, можно получить разные картинки.

DSCN0631a.jpg (9305 bytes)DSCN0645a.jpg (10055 bytes)

Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.

DSCN0631b.jpg (10145 bytes)
DSCN0645b.jpg (10220 bytes)

Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Приведены «полоски», соответствующие каналу L (яркость) из Lab Photoshop, RGB и каналов R G B в отдельности. Хорошо заметно, что при автоматической настройке баланса белого и использовании лампы накаливания в качестве источника света в синем канале информация почти не регистрируется. Видимые цвета RGB — такие же фильтры установлены перед чувствительной матрицей. В канале L хорошо заметно падение чувствительности на переходе красный-зеленый.

А вот по такому спектру легче навести фокус, но яркость его меньше и потому полученная картинка будет более «шумной».

DSCN0635a.jpg (12203 bytes)DSCN0644a.jpg (12365 bytes)

Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.

DSCN0635b.jpg (8865 bytes)
DSCN0644b.jpg (9036 bytes)

Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Шумов добавилось, так как яркость картинки уменьшилась. Заметны дополнительные зоны чувствительности красного канала в синей области. Этому может быть два не исключающих друг друга объяснения: технологическая сложность создания чистого «красного» фильтра и способ «закольцевать» спектр и сделать камеру аппаратно чувствительной к пурпуру-фиолету.






Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.