Fotografi · Fotografi, något om kursinnehållet • Optisk avbildning • Fotografiska objektiv...

Kursdelen Fotografi

Mera info på kursens hemsida!

Kompendium: Carlsson, K. Teknisk Fotografi, 6:e upplagan, 2008. ca. 150:-

Laborationsanvisningar:

Finns tillgängliga som pdf-filer på kurswebben.

Var går labbarna? Var köper vi kompendiet?

Maskin

KTHB

Jo, i Albanova!

Var i Albanova?

Till fotolabben i AlbaNova: Gå in genom huvudentrén vid Roslagstullsbacken 21. Gå sedan rakt fram nedför tre trapp-avsatser. Sväng vänster två gånger, sedan rakt fram så långt man kommer och in genom dörren till höger.

Kursexp. Fysik (i entré-planet) säljer komp. Öppet 11-13

Fotografi, något om kursinnehållet

• Optisk avbildning • Fotografiska objektiv • Fotometri • Kamerans uppbyggnad och funktion • Kvalitetsmått

”Hands on experience” på laborationerna!

Laborationsanvisningar:

Finns tillgängliga som pdf-filer på kurswebben. Varje student ska inför varje laboration skriva ut ett exemplar av aktuell laborationsanvisning och ta med denna till laborationen. OBS! Laborationerna innehåller läsanvisningar och förberedelseuppgifter som ska vara gjorda innan laborationen påbörjas.

Fotolabbar:

Lab. 1:

Lab. 2:

Färgfotografering med digitalkamera:

Färgtemperatur, skärpedjup, perspektiv, dpi-tal i utskrifter

Utvärdering av bildkvalitet: Upplösning, MTF Signal/noise ratio, Jämförelse mellan filmbaserad fotografi och digitalfotografi

Kamera

Sökare

Kamerahus

Lins

Bländare

Slutare Sensor: film eller CCD

Film CCD

Framkallning

Kopiering

Pappersbild

Datorbearbetning

Skrivare

Pappersbild

Varför använda olika brännvidder? Jo, man får olika avbildningsskala.

Inte bara avbildningsskalan påverkas av f utan även djupintrycket, dvs perspektivet.

Perspektiv

Fotograferingssituationen:

Betraktningssituationen:

α

Filmplan

h2

Objektiv

β α β

ff

h1

Framkallad film

Öga

β α

h1

h2

ff

Korrekt betraktningsavstånd = M x f

För stort avst. = Överdrivet djup

För kort avst. = Underdrivet djup

Blanda inte ihop perspektiv och skärpedjup!

Stort skärpedjup: Både förgrund och bakgrund skarp samtidigt. Litet skärpedjup: Bara motivdelar inom ett litet avståndsintervall är skarpa.

Förstoring sensor - slutbild

Objektivbrännvidd

Bländaröppningens storlek påverkar skärpedjupet

Film (sensor) plan

Objektiv

Skärpedjup

Inställt avstånd

Max. oskärpe-cirkel

Närgräns Fjärrgräns

Film (sensor) plan

Objektiv med bländare

Inställt avstånd

Max. oskärpe-cirkel

Flyttas rel. sensorn vid fokusering

Photometry is so confusing!!!

Don’t Panic!

There is

”The Hitchhiker’s Guide”

to

Radiometry & Photometry”

cd footcandle lux

stilb phot footlambert

apostilb

nit

lumen

Begreppet rymdvinkel

Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom formeln 2R

A=Ω .

Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr).

R

Sfärisk yta

Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis)

Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta.

Ω

P

Några grundbegrepp

Illustration av begreppet radians (“utstrålning”).

Radiansen kan skrivas som:

Sort: Watt per m2 och steradian. Om vi låter storleken på yt- och rymdvinkel- elementen gå mot noll får vi:

Ω

A

P

Utstrålningens riktningsberoende ges av

för “diffus” källa (= matt yta, t.ex. svartkropps-strålare). För att ta hänsyn till detta definieras radiansen enl. formeln:

För en svartkroppsstrålare beror R bara på temperaturen:

Exempel:

Hur stor strålningseffekt i watt sänder Vänerns yta ut mot månen en ljummen sommarnatt med 20 grader i vattnet? Månen står 45 grader över horisonten.

υ = 45o

A = 5648 km2 Ω = 5106.6 −× sr

Måne

P = ?

Irradians handlar om “instrålning” (summerat över alla riktningar)

Sort: Watt per m2

A

P

Fotometri = Mätning av ljus

(ljus = det vi ser med ögonen) Steg 1: Omvandla effekt (Watt) till ljusflöde med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva.

Enhet Lumen (lm)

Ögats känslighet

λ (nm)

400 500 600 700

Spektralfördelning av strålningsflöde

λ (nm)

400 500 600 700

X

K(λ) R(λ)

Ljusflöde,

Steg 2: Byt ut effekt, P, mot ljusflöde, Φ, i alla radiometriska storheter ⇒ vi får motsvarande fotometriska storheter.

Strålningsflöde (W) ⇒ Ljusflöde (lm)

P ⇒ Φ

Radians (W m-2 sr-1) ⇒ Luminans (lm m-2 sr-1)

⇒

Irradians (W m-2) ⇒ Belysning (lm m-2 = lux)

Exempel:

En 60 W glödlampa har ljusflödet 710 lumen, och strålar isotropt i alla riktningar. Den hänger 2.0 meter över ett golv. Hur hög är belysningen på golvet rakt under lampan?

Lägg en sfärisk yta med radie 2.0 m runt lampan. Belysningen på sfäriska ytan blir

⇒

Golv

R = 2.0 m

lux

Formelblad: Radiometriska och fotometriska storheter (Hjälpmedel på tentamen)

Begreppet rymdvinkel

Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom

formeln 2RA

=Ω . Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr).

Radiometri

Utstrålning:

Radians, ϑΩ

=cos

2

dAdPdR ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

srmW

2 .

För svartkroppsstrålare är 481080.1 TR ××= − , där T = temperaturen i Kelvin. Instrålning:

Irradians, dAdPI = ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

2mW Vänd!

R

Sfärisk yta Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis)

Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta.

Ω

P

Fotometri

Handlar om hur starkt ögat uppfattar strålningen (t.ex. så uppfattar vi synligt ljus, men inte ultraviolett, röntgen och infrarött). Därför omvandlas strålningseffekten med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva. Istället för strålningseffekt, får vi då en storhet som kallas ljusflöde, Φ, och som har sorten lumen (förkortas lm). Utstrålning:

Luminans, ϑΩ

Φ=

cos

2

dAddL ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

srmlm

2 .

För en svartkroppsstrålare beror L bara på temperaturen. För en perfekt matt reflekterande yta beror L på reflektionsförmågan och hur kraftigt den belyses. Instrålning:

Belysning, dAdE Φ

= ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ = luxmlm

2

IRIS-bländare

Metall-lameller Öppning som släpper in ljus. Diametern kan varieras.

Centralslutare

Används framförallt i kameror som ej har utbytbar optik. Sitter inbyggd i objektivet.

Öppningsförlopp

• Lamellerna är utformade så att

bländaröppningens storlek så lite som möjligt ska påverka effektiva exponeringstiden.

Tidsaxel

Metall-lameller

Ridåslutare

Används framförallt i kameror som har utbytbar optik, typ spegelreflexkameror.

Kamerahus sett framifrån

• Hela filmrutan exponeras ej samtidigt ⇒ distorsion vid snabbt rörligt motiv.

• Blixtfotografering kräver ofta lite längre slutartider.

PENTAX PENTAX PENTAX

Ridå 1 1 2

Stängd Kort slutartid Lång slutartid

Objektiv

Bländare

Ridå-slutare

Sensor Rörlig spegel

Mattskiva med fältlins

Pentaprisma

Digital camera

Circuit board Memory card

Sensor

Vad menas med korrekt exponering?

Exponering

Pixelvärde

Överexponering. Högdagrar blir “urfrätta”

Underexponering. Mörka partier försvinner i bakgrundsbruset.

Användbart exponerings-område

Hur få korrekt exponering? Många exponeringsmätare kan ställas om mellan olika viktningsfunktioner, t.ex.

• Spot-mätmätning

• Centrum-vägning

• ”Multi-pattern” Välj utgående från vad som är viktigt i motivet

Generella tips ang. exponering. Vad händer om man följer exp. mätarens råd?

Motiv

Bildresultat

Medelljust (betongvägg)

Korrekt ljushet

Ljust (snölandskap) För mörkt Mörkt (svart panter) För ljust

Exponeringsmoder

• ”Aperture priority”: Fotografen ställer in

bländaren, kameran väljer lämplig tid. Bra för: Kontroll av skärpedjup.

• ”Shutter priority”: Fotografen ställer in

slutartid, kameran väljer lämplig bländaröppning. Bra för: Kontroll av rörelseoskärpa.

• ”Fully automatic”: Kameran väljer allt –

fotografen har ingen kontroll. Bra för: Enkla standardbilder.

• ”Manual”: Fotografen ställer in allt själv.

Bra för: Fullständig kontroll av allt!

Histogram

Utmärkt exponeringshjälpmedel

i digitalkameror!!

Korrekt

Överexp. Underexp.

Bildkvalitet (teknisk, inte konstnärlig)

• Skärpa • Brus • Dynamik

Skärpa

• Optiken (avbildningsfel, diffraktion) • Sensorn (pixelarea, laddningsdiffusion)

Ex. på optiska avbildningsfel (mer utförligt i kompendiet):

• Sfärisk aberration • Kromatisk aberration • Astigmatism • Bildfältskrökning • Koma • Distorsion

Avbildningsfelen yttrar sig i

• Oskärpa • Geometrisk förvrängning • Färgade kanter (t.ex. svart/vit övergång

kan få regnbågens färger). De flesta felen minskar ju mindre bländaröppning man använder (högre bländartal) MEN: Diffraktionen ökar ju mindre bländaröppning man har

Aberrationer (exempel)

Sfärisk:

Kromatisk:

Bildfältskrökning:

Vitt ljus

Röd

Grön

Blå

Diffraktion

Intensitet

R = radiellt avstånd till första minimat

2R

Upplösningstest med streckmönster

M O T I V

B I L D

1 linjepar

Upplösningsgränsen anges som linjepar/mm i sensorplanet (oftast)

MTF (Modulation Transfer Function) Fördelar: Objektiv, ger mycket

information Nackdelar: Komplicerad, dyr Idé: Avbilda streckmönster med olika

tätheter, och mät hur mycket lägre kontrasten är i bilden jämfört med motivet.

MTF (Modulation Transfer Function)

Linjemönster i motivet

Luminansprofil

Linjemönster i bilden

Belysningsprofil

MTF-kurva

s0

Ortsfrekvens = linjetäthet =

Enhet m-1 (el. mm-1)

Modulationsgrad, MinMaxMinMaxM

+−=

Mbild < Mmotiv (kontrastförlust)

MTF-värde = Mbild/Mmotiv

Min Max

Koordinat i motivet

Luminans i motivet

Min Max

Koordinat i sensorplanet

Belysning i sensorplanet

MTF-kurva visar hur kontrastförsämringen varierar med mönstertätheten. M = M3

M = M2

M = M1

ν3

ν2

ν1

Mbild = M1 x MTF(ν1)

Mbild = M2 x MTF(ν2)

Mbild = M3 x MTF(ν3) = 0

Motiv Bild

MTF(ν1)

MTF(ν2) ν (ortsfrekvens i sensorplanet)

ν3ν2ν1 0

0

1 MTF-värde

Gränsfrekvens

MTFoptik

Vid F = 8 är gränsfrekv. ≈ 200 mm-1.

1

MTF

Diffraktionsbegränsat objektiv (utan avbildningsfel)

Verkligt objektiv Ortsfrekvens

Gränsfrekvens = Fλ1

Våglängd

Idealt

Bländartal

Mätning av MTF för digitalkameror.

Fotografering av kant + datorbearbetning.

a) b)

c) d)

e) f)

Luminans Pixelvärde

psf = Derivata av d) MTF = Fouriertransf. av psf

Sharpening = Problem vid MTF-mätningar

Bild av svart/vit kant

x

Pixelprofil i x-riktning

MTF

Sharpening = Nonsens-MTF

MTF ska bara visa kamerans hårdvaru-prestanda, och inte inbegripa ”pixel-pushing”.

Fotometriskt kvalitetsmått:

Signal/brus förhållande. SNR = Signal-to-Noise Ratio.

(Lab. 2)

Välj ut ett område med jämn gråton. Mät medelvärde och standardavvikelse.

Images with different signal-to-noise ratios

50 20 10

5 2 1

Dynamisk vidd, DR = Dynamic Range.

Anger hur stort kontrastomfång♣ hos motivet vi klarar av.

En bra kamera har DR > 3000 ♣ Förhållandet mellan högsta och lägsta motivluminans

Hög dynamisk vidd

Låg dynamisk vidd

Sensortyper i digitalkameror

• CCD (Charge Coupled Device)

• CMOS (Complementary Metal Oxide

Semiconductor) CMOS:

• Låg strömförbrukning • Låg tillverkningskostnad • Sensor + kringelektronik på samma chip • Lämplig för höghastighetsfoto

CCD:

• Högre bildkvalitet Eller, så var det!? Utvecklingen har gjort prestanda mer likvärdiga

Typiska sensorstorlekar Kompaktkamera: 5 mm x 7 mm

(7-12 Mpixel)

Pixelstorlek ca. 2 μm x 2 μm Spegelreflexkamera: 16 mm x 24 mm (10-12 Mpixel) eller 24 mm x 36 mm (10-24 Mpixel)

Pixelstorlek från ca. 5 μm x 5 μm upp till 9 μm x 9 μm

Antal Mpixlar inte bra kvalitetsmått Sensorstorlek bra kvalitetsmått!

CCD Pixel = Photogate

Depletion volume

p-doped silicon

Silicon dioxide (insulator)

Thin film electrode (semi-transparent) +

E+ -

Photon

No E-field outside depletion volume. Electron/holes formed here recombine

Pixel 1 Pixel 2

SiO2

p-doped silicon

Electrodes

Cross section thru CCD

+ + 0 0 0 0

After exposure

Charge transfer

+ 0 0

Total charge is a measure of exposure

- - - - - - -

-

+ + 0

- - - - - -

+ 0 0

- - - - - - -

CCD

(Charge Coupled Device)

Charge transfer efficiency, typ. 0.999995

Read-out register (Covered pixels)

To ADC (Analog-to-Digital Converter)

Charge is moved between pixels

Olika typer av CCD

Frame transfer

Buffert-matris

Full frame

Utläsningsregister

Interline transfer

Buffert-kolumn

Används i digitalkameror och videokameror. Exponering och datautläsning kan ske parallellt

Används mest i vetenskaplig utrustning

Gammakorrektion

Gammakorrektionen gör att vi klarar oss med färre bitar i den digitala signalen (t.ex. 8 bitar istället för 12)

Exponering

Pixel- värde

Utan gammakorrektion (RAW)

Med gamma-korrektion (JPEG, TIFF)

Spectral sensitivity

Typical quantum efficiency: 20 – 50 %

(Film approx. 1 %!!)

λ (nm) 400 600 800 1000

Sensitivity

B G R IR (removed by filter)

Active pixel in CMOS sensor

• Incoming photons create charge

• Charge is transformed into voltage locally in each pixel

• External commands decide which pixel

values that are read out

Photons

CMOS

(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

Individuellt adresserbara pixlar. Full flexibilitet ang. vilka pixlar som läses ut.

Snabbare än CCD. Används ofta i höghastighetsvideo.

Column select register (choice: m)

Row select register (choice: n)

n

m

Output = pixel value (m,n)

“Aktiva pixlar”. Laddning omvandlas till spänning som läses ut

Great flexibility due to CMOS sensor

RGB Bayer pattern in digital camera

Each pixel only detects one primary color. The other two primaries are obtained through interpolation

400 500 600 700

Wavelength (nm)

RGB response (arbitrary units)

Färgkamera med 3 CCD matriser (används mest i videokameror)

R G

B

r

g b

Objektiv Dikroiska stråldelare

3 st. CCD matriser

Ljus från motivet

g+b r+g+b

Effekter av färginterpolation

Avbildning av sned svartvit kant

Med färginterpolation Utan färginterpolation

The

End