Аннотация: Теоретический обзор диапазонов излучений, пригодных для фотографии
Фотография в диапазоне невидимых излучений
Что лежит за пределами видимого диапазона?
Человеческое зрение воспринимает лишь узкий спектр излучений, лежащие за его пределами частоты могут оказывать некоторое воздействие на наши органы чувств, но зрительно не воспринимаются. Технические средства позволяют сделать видимыми и сфотографировать некоторые из скрытых от глаз излучений, являя взору "невидимый мир", в котором происходят интересные и важные для жизни процессы.
Некоторые из этих излучений могут быть восприняты непосредственно -чувствительной фотоэмульсией, либо электронными матрицами (это касается рентгеновских, инфракрасных и ультрафиолетовые лучей), другие становятся доступны после усиления и преобразования (например - волны терагерцового и радио диапазонов).
Стоит помнить, что цвета - субъективные характеристики восприятия видимого диапазона человеческим зрением. Для любых фотографий в невидимых лучах более применимо понятие тона - такое изображение состоит из темных и светлых тонов, соответственно частоте и интенсивности отраженного или испускаемого излучения. Зачастую используется искусственное раскрашивание подобных фотографий - различным тонам монохромной картинки в соответствие ставятся привычные нам цвета (как правило, низкие частоты передаются синими тонами, высокие - красными).
В данном обзоре рассмотрены принципы фотографирования невидимых излучений в различных диапазонах. Некоторые из них могут быть воспроизведены на любительском оборудовании и представляют потенциальный интерес для художественной фотографии.
Свойства электромагнитных излучений
В начале стоит вспомнить шкалу электромагнитных излучений и характеристики основных диапазонов. Главный закон, определяющий свойство излучения, заключается в том, что его энергия прямо пропорциональна частоте. Поэтому наиболее мощными в энергетическом плане являются коротковолновые гамма-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения; они оказывают наиболее сильное физическое и химическое воздействие на материю и легко регистрируются на фотографии.
Фотографирование в диапазоне инфракрасных волн, следующем за видимым спектром, также не представляет особых затруднений. Относительно низкоэнергетическими являются терагерцовые волны и радиоволны, производимые ими физические эффекты слабы, их запечатление требует использования электронных преобразователей.
Облик мира, наблюдаемый в том или ином диапазоне, в основном определяется следующими свойствами излучений соответствующего спектра: способностью проникать сквозь материю (определяет прозрачность предметов), а также способностью к отражению и поглощению различными видами материи (определяет яркость предметов). Например, инфракрасные лучи хорошо отражаются от хлорофилла, но поглощаются водой, поэтому на инфракрасных фотографиях листва выглядит практически белой, а водоемы - темными. Чем выше частота излучения, тем больше его проникающая способность (поэтому для рентгеновских и гамма-лучей многие предметы остаются прозрачными). Рассмотрим свойства излучений разных диапазонов и их применение в фотографии.
Гамма-излучение
Гамма-излучение - ионизирующее излучение с чрезвычайно малой длинной волны, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Образуется при радиоактивном распаде, оказывает губительное воздействие на живые организмы. Характеризуется высокой проникающей способностью - непрозрачными для него остаются только большие скопления плотной матери (для защиты используются свинцовые экраны). Оказывает сильное химическое действие, легко засвечивает фотоэмульсию (замечено, что при авариях с выбросами радиации происходит повреждение фотоматериалов).
В силу своей опасности излучения этого диапазона имеют ограниченное применение в научных исследованиях. Регистрация гамма-лучей при помощи фотоэмульсии ранее использовалось для определения их интенсивности. Значительный интерес для астрономии составляет наблюдение небосвода в данном диапазоне, позволяющие выявить мощные космические источники радиации.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение также обладает ионизирующие действием и высокой проникающей способностью, но характеризуется меньшей энергией. Частично поглощаясь, проходит через предметы, что позволяет делать рентгеновские снимки, отображающие их внутренне строение. Рентгеновские лучи засвечивают фотоэмульсию и вызывают интенсивную люминесценцию.
Длина волны этих лучей сравнима с размерами атомов, их невозможно сфокусировать оптическими линзами. Еще одна их особенность заключается в том, что при перпендикулярном падении на поверхность они практически не отражаются. Однако в ходе исследований были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей (в частности обнаружено, что их хорошо отражает алмаз).
Солнце является естественным источником рентгеновского излучения, однако большая его часть задерживается атмосферой (в противном случае не Земле не смогла бы развиться жизнь в тех формах, в которых существует). Для фотосъемки используются искусственные излучатели рентгена, сделанные по принципу "катодной трубки" - простого ускорителя заряженных частиц.
Запечатлеваются рентгеновские снимки на фотоэмульсию, существуют два способа фотографирования - непосредственное засвечивание фотопластин лучами, прошедшими через объект, и фиксация вторичного излучения от экрана, люминесцирующего под действием рентгена (второй способ дает более яркую картинку).
Помимо технического и медицинского применения, рентгеновская фотография используется в изобразительном искусстве - в качестве примера можно привести серии рентгеновских снимков цветов, созданные фотохудожником Бренданом Фицпатриком и фотографии рук моделей с ювелирными украшениями, выполненные Хельмутом Ньютоном.
Ультрафиолетовая фотография
Ультрафиолетовое излучение также оказывает сильное воздействие на материю, ионизирует воздух с образованием озона; эти лучи довольно опасны для живых организмов. Солнечный ультрафиолет задерживается озоновым экраном, однако наиболее длинноволновое УФ-излучение достигает земли и участвует в фотохимических процессах живых организмов. Фиксация излучения данного диапазона можно осуществлять при помощи фотоэмульсии и цифровых матриц, однако подобная съемка требует особой оптики, так как стекло не пропускает значительную часть УФ-спектра ( в идеале, необходимы кварцевые линзы).
Того количества ультрафиолета, что достигает земной поверхности в безоблачную погоду, вполне достаточно для съемки ультрафиолетовых фотографий при естественном освещении. При этом наблюдаются интересные эффекты - на венчиках некоторых цветов, снятых в УФ-диапазоне, можно обнаружить пятна, невидимые невооруженным глазом. Предполагается, что они служат "опознавательными знаками" для насекомых, которые обладают ультрафиолетовым зрением.
Изображения людей в УФ-дипапзоне также весьма своеобразны - кожа кажется темной, на ней появляются пигментные пятна (в особенности этот эффект проявляется при съемке и искусственным источником освещения).
В ультрафиолетовых лучах флюоресцируют некоторые минералы, растения, и гусеницы насекомых, что также можно использовать для фотографических целей.
Инфракрасная фотография
Инфракрасное излучение также называют "тепловым", так как ИК-излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагрева: чем выше она, тем короче длина волны и больше интенсивность излучения.
Фотографирование инфракрасных лучей ближней части диапазона можно осуществлять как на пленку, так и при помощи устройств с электронными матрицами. Обычная стеклянная оптика вполне подходит для этих целей. Однако для более широкого охвата диапазона требуются специальные устройства с электронными инверторами. Довольно причудливо выглядят инфракрасные образы природы, запечатленные на снимках. Солнце по-прежнему остается ярчайшим источником излучения. Небо выглядит боле темным, нежели мы привыкли его видеть, облака кажутся зловеще контрастными. Дело в том, что вода и водяной пар в значительной степени задерживают инфракрасные лучи - поэтому наблюдаемые в данном диапазоне водоемы кажутся черными, а скопления водяного пара приобретают контрастные очертания. Листва деревьев, напротив, кажется практически белой, т. к. хлорофилл хорошо отражает инфракрасные лучи. Пестрые венчики цветов теряют свою окраску, взамен которой остаются только разнообразные тона.
На ночном небе, наблюдаемом в ИК-диапазоне появляются звезды, не видимые невооруженным глазом, зато пропадают, либо тускнеют многие из привычных на светил, чей спектр смещен в синюю и фиолетовую область. Луны на таком небе практически не видно - отражаемый ею инфракрасный свет Солнца с трудом запечатлевается аппаратурой.
На инфракрасных снимках хорошо различимы искусственные источники излучения, в особенности лампы накаливания, значительную часть энергии излучающие не в видимом, а в тепловом диапазоне. Раскаленные предметы кажутся светлее, хотя визуальное различение температур в ближнем ИК-диапазоне недоступно.
Инфракрасные портреты, так же как и ультрафиолетовые, производят несколько пугающее впечатление. Человеческая кожа на них выглядит мертвенно-бледной, причем через нее могут просвечивать очертания венозной сети.
Специальные электронные устройства - термографические камеры (тепловизоры) обнаруживают излучение в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (приблизительно 0,9-14 мкм) и создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места (пленочные инфракрасные фотографии не позволяют получать столь явные термографические изображения). Подобные технологии реализуются в некоторых приборах ночного видения.
На изображении, передающем интенсивность теплового излучения, нагретые предметы выглядят светлыми, холодные - темными. Зачастую такие картинки подвергаются искусственному раскрашиванию программными средствами, причем низким температурам в соответствие ставятся синие, а высоким - красные цвета.
На термографических снимках отчетливо прослеживается разность температур между телами холоднокровных и теплокровных животных, между различными частями человеческого тела. При этом можно заметить, что глаза интенсивно излучают инфракрасный свет, отчего на тепловизорных снимках из них исходит яркое свечение.
Терагерцовое излучение
Тетрагерцовое излучение занимает относительно узкий диапазон на границе инфракрасного излучения и сверхвысокочастотных радиоволн. Легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода - нет. В связи с этими особенностями, фотография в терагерцовом диапазоне позволяет получать полупрозрачные изображения предметов, не пропускающих видимый свет - к примеру, с его помощью можно обнаруживать металлические предметы, скрытые под одеждой. Солнце активно излучает и в этом диапазоне, однако значительная часть лучей гасится в атмосфере.
Искусственными источниками терагерцового излучения малой мощности является квантовый оптический генератор (лазер). Для регистрации используются электронные приборы с особыми преобразователями (в таких устройствах применяются диоды Ганна).
В системах безопасности терагерцовое излучение используется для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, оно не является ионизирующим и не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров.
Радиоволны
Радиолволны завершают спектр электромагнитных излучений. Этот обширный диапазон излучений не обладает энергией, достаточной для произведения выраженного химического эффекта, поэтому слабые радиоволны не запечатлеваются фотоэмульсией. Для их фиксации используют электронное оборудование - детекторы и радиолокационные системы. Возможно построение радиоволнового изображения предметов, однако, принцип метода отличается от операций с другими излучениями, т.к. для фокусировки радиоволн неприменимы оптические линзы.
Аналогом фотографии в отношении радиоволн можно считать так называемое "радиовидение". В настоящее время разрабатываются и активно используются системы, позволяющие получать изображения отдаленных объектов в отраженных или излучаемых в радиоволнах. Таким образом была составлена карта поверхности Венеры, имеющей атмосферу, непроницаемую для видимых и инфракрасных лучей.
Невидимые излучения фотолюбительской практике
Подводя итог данного обзора, стоит отметить, что из перечисленных диапазонов электромагнитных излучений для фотолюбительской практики более всего пригодны инфракрасный и ультрафиолетовый. Пожалуй, не стоит экспериментировать в домашних условиях с радиоактивными излучениями, или пытаться собрать катодную трубку. Изготовление радиолокатора или радиотелескопа также являет собой трудоемкий процесс, хотя имеются и такие любительские технологии. Проще, безопаснее и интереснее всего будет поэкспериментировать с инфракрасной и ультрафиолетовой фотографией - при том что для этого можно использовать обычные цифровые камеры и минимум технических других средств.