Kate Dorn
Цифровые врата в невидимый мир
А.А.Бенедиктов *, И.М.Луцкер **
* энтомолог, МГУ им. М.В.Ломоносова, Россия
** физик-оптик, Израиль
На опушке леса и вдоль дорог с детства нам всем знакомы самые обычные бабочки – белые капустницы и жёлтые лимонницы, летающие над цветами – бело-жёлтым ромашками, жёлтыми лапчатками, розово-красной геранью. Для нашего глаза все они одинаково ярко и ровно окрашены: бабочки практически не имеют какого-либо рисунка на крыльях, а цветы – узора на венчике. Однако это не значит, что такая же картина наблюдается в выходящей за рамки нашего с вами зрения ультрафиолетовой (УФ) области. Человек ограничен в своём зрительном восприятии окружающих его предметов только видимой частью солнечного спектра (420-680 нм). Но с помощью фотографии реально проникнуть за пределы возможностей нашего зрения. Вратами в этот невидимый мир является фотографический аппарат, в наше время – цифровой. Однако, только зная некоторые нюансы «цифры», «стекла» и источника освещения, невидимая область становится легко доступной.
Зачем это нужно?
Насекомым свойственно цветное зрение. Для восприятия цвета у них имеются два-три приёмника, один из которых максимально чувствителен к УФ лучам. Таким образом, цвет в их глазах выглядит иначе, с поправкой на УФ. Например, белый предмет, поглощающий УФ лучи, по цвету будет отличаться от такого же белого, отражающего УФ. С другой стороны, красная область (после 650 нм) недоступна ряду насекомых (пчелы, осы, бабочки-сатиры). Однако, есть упоминания [3], что некоторые из них все же не только видят красный цвет (бабочки крапивница, капустница), но и заходят в ИК диапазон до 690 нм (жук-светляк).
Мы же, не видя части доступного насекомым спектра, воспринимаем мир иначе. Многие цветки кажутся нам просто равномерно окрашенными (белыми, жёлтыми, красными), но если посмотреть на них в доступном насекомым УФ, то картина совершенно меняется, раскрывая скрытый рисунок знакомых нам объектов.
Еще полвека тому назад профессор Г.А.Мазохин-Поршняков обобщил свои исследования и результаты других авторов [1], наглядно показав, что крылья некоторых бабочек и венчики цветов обладают скрытым рисунком (узором), проявляющимся в ближнем диапазоне УФ области света (от 280-300 до 400-440 нм), и этот рисунок играет немаловажную роль в жизни самих насекомых, способных видеть в этой области. Более коротковолновая область УФ, скорее всего, никак не влияет на них, поскольку фильтруется атмосферой на высоте уже в 30-50 км. Позже, на примере бабочек-лимонниц было продемонстрировано [2], что скрытые рисунки, действительно, большей частью специфичны не только у разных видов, но и у разных полов одного вида, и по ним можно проводить идентификацию таксонов.
В конце 1950-х годов Даумер показал, что скрытые узоры цветков помогают пчёлам не столько различать сами цветы, сколько быстрее обнаруживать путь к нектару. Он же разделил растения по их «пчелиному цвету» [цит. по: 1], учитывая поправку на смесь излучений, выделив «пчелиные жёлтые и пурпурные цветки», «пчелиные сине-зелёные цветки», «пчелиные ультрафиолетовые цветки» и др., которые в глазах человека могут выглядеть совсем иначе (к примеру, «пчелиные сине-зелёные цветки» для нас белые, а «пчелиные ультрафиолетовые цветки» – красные).
Фото 1. Цветок, снятый при естественном солнечном освещении. Снимок сделан одиночной линзой-моноклем из плавленного кварца. Правый снимок – с применением фильтра Schott DUG-11X.
В наше время при помощи цифрового фотоаппарата можно быстро и легко выявить скрытые узоры в УФ области зрения насекомых. Однако, поскольку изучение восприятия цвета насекомыми является отдельной трудной задачей, не входящей в тему нашей статьи, то мы будем рассматривать скрытые УФ узоры в градациях серого, как это имело место в научной литературе, публиковавшей сходную информацию в виде чёрно-белых фотографий, полученных при помощи фотоплёнки.
УФ на фотоплёнке
С ХХ века регистрация скрытых узоров проводилась при помощи плёночного фотоаппарата, как правило, на несенсибилизированную фотоплёнку, например на позитивную плёнку МЗ-3М. Она, обладая естественной спектральной чувствительностью галогенидов серебра к коротковолновой (УФ) части спектра, совершенно не чувствительна к длинноволновой его части – красному и инфракрасному (ИК) диапазонам. Это отличает её от обычной сенсибилизированной чёрно-белой фотоплёнки, также имеющей высокую чувствительность к УФ лучам, но окрашенной специальными красителями для достижения чувствительности к длинноволновой части спектра. Съёмка велась через объективы, пропускающие УФ излучение, со специальными светофильтрами, отсекающими видимый свет и пропускающими УФ, например, UG-1 немецкой фирмы Schott [1] или отечественный УФС-3 (ультрафиолетовое стекло, тип 3) [2]. В результате этого получалось, что при освещении Солнцем регистрировался узкий спектральный диапазон 350-410 нм, а при применении ртутной лампы – фактически монохроматическое излучение с длиной волны 365 нм.
Цифра – не фотоплёнка!
В настоящее время на смену плёночной пришла цифровая фототехника, став широко доступной. Очень часто возможности бытовых цифровых фотоаппаратов позволяют отчасти проникнуть в ИК и УФ области. В связи с этим даже рядовые любители перестали ограничиваться фотографированием в видимом диапазоне и более или менее успешно экспериментируют с УФ, и особенно с ИК фотосъёмкой [4, 5, 6], размещая свои материалы в интернете. Надо понимать, что псевдоцветные УФ изображения, публикуемые на популярных ресурсах интернета, имеют весьма далёкое отношение к демонстрации того, что реально видят насекомые. Модели зрения шестиногих тварей и людей отличаются настолько сильно, что простая замена одного цвета на другой, не создаст верного, научного, представления о видении мира насекомыми.
Однако цифровой фотоаппарат кардинально отличается от плёночного, и вход во «врата невидимого мира» осложнён специфическими нюансами, знать о которых необходимо. Это касается всех составных частей: самого фотоаппарата и, прежде всего, его главной части – светочувствительной матрицы, а также объектива, УФ светофильтра и источника УФ излучения. Рассмотрим всё это более подробно. При этом говорить мы будем в первую очередь о доступных методах наиболее сложной УФ фотографии, а ИК излучение рассмотрим в связи с помехами, которое оно вызывает из-за специфических характеристик матриц фотоаппаратов и некоторых светофильтров. Специальных объективов и ряда светофильтров, разработанных конкретно для фотосъёмки в УФ, мы не станем касаться, поскольку они не только редки, но и очень дороги.
Матрица фотоаппарата. Чувствительность кремневых фотоэлементов (пикселей) – основы матриц фотокамер, сильно отличается от чувствительности плёнки, располагаясь в ИК диапазоне, тогда как чувствительность к синему и УФ диапазону очень низкая. Так как вся современная любительская техника использует метод цветной фотографии, то для правильного цветовосприятия, как правило, используют фильтр-матрицу под названием «маска Байера». Эта маска представляет собой, расположенные перед каждым пикселем красный, синий или зёленый светофильтр с пиками чувствительности как у человеческого глаза.
Кроме маски Байера, на спектральную характеристику приёмника влияет особый многофункциональный фильтр, который не только защищает матрицу от пыли, но и срезает высокие пространственные частоты, предотвращая появление ализинга (муарных явлений) и, что особо важно для нас, отсекает большую часть невидимых УФ и ИК лучей. Производители сенсоров тщательно рассчитывают спектральные кривые, максимально подгоняя их под аналогичные характеристики глаза человека, не заботясь, естественно, об интересах исследователей, занятых съёмкой в невидимой части спектра.
Мы не будем рекомендовать никаких переделок и вмешательств во внутреннюю конструкцию фотоаппарата, например удаление защитного фильтра, как это практикуют энтузиасты съёмки в ИК и УФ диапазонах [7], так как демонтаж сделает вашу камеру малоприемлемой для обычной фотосъёмки.
Несовершенство внутрикамерных фильтров, через которые проникает малая доля УФ излучения, воздействуя на сенсор, всё же делает возможным использование бытовых цифровых камер для съёмки в УФ и ИК диапазонах.
Но мы должны заметить, что цифровая камера, несмотря на её относительно малую чувствительность к УФ, обладает одним огромным преимуществом – возможностью оценить качество картинки моментально после съёмки.
Объектив. Фотосъёмку удобнее всего проводить на зеркальный цифровой фотоаппарат. Он более предпочтителен в связи с возможностью использования сменной оптики, хотя можно использовать и обычную цифровую «мыльницу». Но именно в оптике заложена львиная доля успеха всего мероприятия.
Далеко не каждый объектив подходит для УФ съёмки. Имея в своей конструкции различные сорта стекол, объективы тоже могут поглощать УФ. Если простое «кроновое» стекло прозрачно в ближней УФ зоне, то активно применяемое для уменьшения хроматических аберраций стекло «флинт» имеет значительно более узкий спектр пропускания. Марок стекла очень много и каждая из них имеет разный спектр пропускания, причем при проектировании обычных фотообъективов пропускание в УФ области в расчет не берется. Кроме стекла на прохождение УФ сказывается также тип клея, используемый для склейки линз, а также тип покрытия линз, где в последние десятилетия всё чаще применяют полимеры. Многие органические материалы не просто поглощают УФ, а флуоресцируют при его воздействии, заливая сенсор рассеянным светом. С этим эффектом можно бороться, устанавливая отсекающий видимые лучи УФ фильтр после объектива, хотя это и значительно сложнее в практическом использовании.
Как часто бывает, на помощь приходит неспециализированная оптика, причем, чем старее, тем лучше. До 1960-1970-х годов фактически не применялись полимеры, использовались другие клеи, а количество линз и их склеек в объективах было в разы меньше, чем сегодня, а потому вероятность того, что старый объектив из кладовки фотографа окажется именно тем «вожделенным глазом», который подойдет для вашего УФ взгляда, весьма высока.
Фото 2. Старый советский объектив «Industar-50-2» с удлинительными кольцами на цифровой зеркальной камере «Canon EOS 400D» – не нонсенс, а необходимость макросъемки в УФ лучах. На объектив надет светофильтр УФС-3.
Из советских объективов хорошо зарекомендовали себя «Индустары» – четырехлинзовые объективы с одной склейкой, из них особенно удачен, а также широко распространён «Индустар-50-2». Присоединить этот объектив к зеркальной цифровой камере (фото 1) не составляет проблемы при наличии специального переходного кольца, которое приобретается в магазине. Этот вопрос на примере камеры «Canon EOS 400D» подробно рассмотрен нами в отдельной статье [8]. Из западной оптики экспериментально можно тоже выбрать подходящую, но лучше поискать уже рекомендованные объективы, воспользовавшись, к примеру, специальной базой данных [9].
Как альтернатива полноценному объективу может быть использован монокль – одиночная линза из заведомо пропускающего УФ свет материала (например, плавленый кварц, стекла К8 или ВК7), либо «пинхол» – безлинзовый объектив камеры-обскуры (отверстие, проколотое булавкой или сделанное лазером), который пропускает весь спектр, хотя и в очень малом количестве. Однако качество снимков с такой «оптикой» высоким не будет.
Фото 3. Пример снимка, сделанного одиночной линзой-моноклем из плавленного кварца. Справа - с применением фильтра Schott DUG-11X.
Вместе с тем, хорошее пропускание УФ всё же не гарантирует хорошего качества картинки и со сложными объективами, так как компенсации аберраций объектива делаются только на расчетную зону длин волн видимого диапазона и, вполне может оказаться, что самый резкий объектив даст размытое изображение в УФ. Иногда может помочь небольшая коррекция фокусировочным кольцом или перемещение камеры относительно объекта, компенсирующие хроматический сдвиг фокуса, но фактически всегда разрешение системы будет ниже, чем в видимой части спектра.
Светофильтр – это то, что позволяет при помощи обычной камеры и обычного объектива получить необычную УФ фотографию. Сразу оговоримся, что доступный фильтр УФ-1х – это не ультрафиолетовое стекло, а «анти-УФ», отсекающее нужный нам спектр. Подходят же для съёмки фильтры разных фирм, из которых наиболее известна серия UG фирмы Schott. Проще всего приобрести не фильтр в стандартной оправе, а квадратное стекло без оправы размером 50х50 мм, который необходимо закрепить на объективе рамкой. Вполне подходят для нашей задачи и советские светофильтры, тем более что к нашей с вами удаче старая отечественная микроскопическая техника, а именно некоторые осветительные приборы для микрофотографии с биологическими микроскопами, например «ОИ-18», комплектовались деревянными ящичками с набором различных светофильтров в карболитовых оправах. Чаще всего эти наборы давно пылятся за ненадобностью в кладовках учебных или исследовательских заведений, но иногда всплывают в продаже в интернете у частных лиц. Из такого вот набора у нас оказался УФС-3, с которым как раз фотографировали предыдущие исследователи [2]. При помощи самодельного переходника светофильтр был плотно закреплён на кольце диафрагмы объектива «Индустар-50-2» за выступающий бортик на своей оправе. Заметим, что при подготовке системы надо максимально эффективно исключить попадание рассеянного белого света в объектив, минуя светофильтр. Весьма полезна будет и внешняя бленда.
Разные УФС могут иметь различный спектр пропускания в УФ области. Особенно критичной в цифровой фотографии является граница между УФ и синей частью спектра. Поскольку пропускание системы фильтров (внешнего УФС и встроенного в камеру, отрезающего большую часть невидимого излучения) – есть произведение составляющих для каждой длины волны, то при небольшом наложении зон «прозрачности» возможна очень узкоспектральная зона чувствительности в районе 410-430 нм. При этом чувствительность в других диапазонах УФ будет пренебрежимо мала при широком спектре освещения, обусловленным характеристиками источника света.
Источник УФ освещения. Хотя универсальным источником УФ лучей является Солнце, однако при использовании цифрового (а не плёночного!) фотоаппарата, им можно пользоваться с большой осторожностью. Кроме описанной проблемы переходного участка между видимым диапазоном и УФ, УФС-3, как и другие абсорбционные УФ светофильтры пропускает ИК лучи, как раз в той области, которая регистрируется сенсором цифрового фотоаппарата (напомним, что несенсибилизированная позитивная фотоплёнка не была чувствительна к ИК диапазону волн). Более того, процент прохождения ИК лучей через абсорбционные светофильтры хоть и меньше процента прохождения УФ лучей, но с учетом высокой чувствительности сенсора к ИК излучению их воздействие может оказаться выше, чем УФ. В результате этого получится не УФ, а ИК фотография! Здесь стоит сказать, что одним из способов избавиться от ИК излучения является использование специальных УФ фильтров, у которых ИК часть отрезана интерференционным покрытием, но такие фильтры недешевы и относительно редки. Существует возможность использования совмещенных пар фильтров – пропускающего УФ и отрезающего ИК область. В качестве последнего часто используют hot-mirror – фильтр.
Фото 4. В УФ лучах лампы NE 3U через УФС-3 у самца бабочки-лимонницы (Gonepteryx rhamni L.) из Московской обл. регистрируется скрытый темный рисунок на передних крыльях, причем задние крылья, кроме центральных пятен, полностью поглощают УФ. Отражение УФ лучей зависит от угла падения источника УФ света, вызывая «эффект гинандроморфизма» (крылья самок лимонницы полностью поглощают УФ лучи). При фотосъемке через фиолетовый фильтр ФС-1 степень отражения УФ лучей резко снижается, хотя скрытый рисунок все еще заметен. А вот применение УФС-3 в солнечный день заставляет матрицу цифрового фотоаппарата регистрировать ИК излучение с минимальной долей УФ. Условия УФ и ИК съемки: ISO 1600, диафрагма 1:3,5, экспозиция 15 с.
В лабораторных условиях с применением искусственного света проблемы с ИК излучением нередко решаются на уровне источника. Вполне пригодны современные энергосберегающие УФ лампы, например, Nakai NE 3U (Black 20W E-27, CUV 20), или дуговые ртутные лампы высокого давления (ДРЛ-150(15)), используемые для уличного освещения и освещения больших производственных площадей. Цифровые снимки бабочек и цветков (фото 3, 4), освещенных этими лампами, полностью соответствуют результату, полученному другими исследователями на фотографическую плёнку [1, 2]. Спектры этих ламп захватывают как раз ближний УФ диапазон волн. Хотя область наиболее опасного для нашего зрения дальнего и среднего ультрафиолета фильтруется стеклом и люминофором, защиту глаз специальными очками мы всё равно бы настоятельно рекомендовали. В тоже время лампа Nakai NE 3U меньше нагревается и не дает такого «шума» на УФ снимке, как ДРЛ, похожая по этой характеристике на ИК снимок при солнечном освещении в пасмурную погоду. Кроме того, Nakai NE 3U не дает яркого видимого света, имеет меньшие габариты, вес и подсоединяется к сети без специального дросселя, что делает её более удобной в работе.
При фотосъемке с УФ источниками всегда надо принимать во внимание возможную флуоресценцию объектов, поэтому полностью пренебречь отрезающими видимый и ИК спектр фильтрами на камере нельзя.
Цифровые фото в УФ
Для лабораторных исследований, взяв в качестве основы самый доступный отечественный объектив «Индустар-50-2», бытовую энергосберегающую УФ лампу Nakai NE 3U и светофильтр УФС-3 толщиной 3 мм из набора к микроскопному осветителю, мы попробовали посмотреть на результат цифровой фотосъемки в УФ лучах на камеру «Canon EOS 400D». Результат полностью себя оправдал. И у бабочек (фото 4), и у цветков (фото 5) мы увидели скрытые узоры, то есть, проникли за грань нашего восприятия окружающего мира.
Фото 5. Декоративное в наших садах растение рудбекия (Rudbeckia hort.) родом c Американского континента. Как считается, при «вырождении» его цветок теряет свою коричнево-красную центральную окраску лепестков. Однако этот участок поглощает УФ лучи, в связи с чем насекомые всё равно видят его. Московская обл. Условия фотосъемки те же.
Однако нужно помнить, что во время использования искусственного источника света необходимо учитывать некоторые особенности выявления полного скрытого УФ рисунка. Дело в том, что проявление или не проявление скрытого узора у некоторых насекомых может зависеть от угла падения УФ лучей. На это было обращено внимание при исследовании бабочек-лимонниц [2]. При освещении УФ источником света самца Gonepteryx rhamni L. * под углом справа или слева возникал эффект гинандроморфизма, когда передние и задние крылья одной половины имели характерный рисунок самца, а второй половины – самки (без рисунка, полностью темные). Этот эффект связан с оптической направленностью чешуй крыла, а также с их расположением, ориентацией относительно осевой линии тела и степенью отражения УФ лучей. Хорошо заметен и другой вариант, когда при освещении сверху и сзади центральное пятно на задних крыльях поглощает УФ лучи (тёмное), тогда как при съёмке в прямом свете оно светлое (отражает УФ).
Применение же фиолетового светофильтра (ФС-1 толщиной 3 мм) позволило понять, до какой верхней границы длины световой волны более или менее возможна фотографическая регистрация скрытого рисунка у цветков и насекомых (рис. 3). Получается, что уже в фиолетовой области, как раз на границе человеческого зрения, переход между отражением и поглощением УФ выражен очень слабо.
Много ещё интересного таится в невидимой для людей области света. Но когда на УФ фотографии вы увидите, что ошибались, думая что «светлые» бабочки сидят на «светлых» цветах, а на самом деле «тёмные» капустницы сидят на «тёмных» ромашках, вы поймете, как мы ещё мало знаем о нашей жизни. Не потому ли поглощающие и отражающие УФ лучи участки цветков привлекают некоторых бабочек в качестве опылителей, что имитируют сходные свойства крыльев их половых партнеров? Эти вопросы заставят ваше сердце биться ещё сильнее, так как вы почувствуете, что прикоснулись к великой тайне.
Источники:
[1] Мазохин-Поршняков Г.А. 1965. Зрение насекомых. – М.: Наука. – 264 с.
[2] Некрутенко Ю.П. 1968. Филогения и географическое распространение рода Gonepteryx (Lepidoptera, Pieridae). Опыт историко-зоогеографического исследования. – Киев: Наук. думка. – 128 с., 20 табл.
[3] Акимушкин И. 1975. Жизнь животных. Рассказы о насекомых. М.: “Молодая Гвардия”.
[4] Rorslett B. 2002. Enter the unreal world of ultraviolet colour photography. – http://www.naturfotograf.com/uvstart.html
[5] Щербаков С. 2004. Фотография за пределами видимого диапазона. – http://www.ixbt.com/digimage/inviz.shtml
[6] Катков Д. 2005. Мир глазами пчелы или секреты ультрафиолетовой фотосъёмки. – http://photo-element.ru/book/uv/uv.html
[7] Increase the red and infrared response of the DSLR Nikon D70. Procedure and Evaluation. – http://www.astrosurf.org/buil/d70/ircut.htm
[8] Бенедиктов А.А. 2008. Опыт макросъёмки цифровой зеркальной камерой «Canon EOS 400D» с отечественным объективом «Индустар-50-2». – http://www.macroclub.ru/how/benediktov_m42_canon
[9] Dr. Klaus D. Schmitt. 2008. The Macrolens Collection Database – http://www.macrolenses.de/objektive_sl.php
* Мы благодарны А.Л. Девяткину (кафедра энтомологии МГУ) за предоставление экземпляров бабочек для фотосъемки.
Источник: macroclub.ru
