יסודות האור והחושך

הקדמה

הבנת האלמנטים של אור וחושך חשובה מאוד לצלם, העיניים שלנו משתמשות באור כדי לראות וכך גם המצלמה כדי לצלם. מלבד זאת, אחת ממשימותיו החשובות ביותר של הצלם היא לדעת כיצד לשלוט על האור על מנת להתאים את התמונה למטרות הסרט והסיפור שמועבר לצופה. במאמר זה נדבר על יסודות האור והחושך, נושא חשוב ביותר להבנה בעיקר לתפקידי מחלקות הצילום והתאורה.

כמה חשוך החושך?

דמיינו לרגע שאתם מתעוררים במיטתכם באמצע הלילה, כל האורות בבית כבויים. בשלב ראשון אתם לא רואים שום דבר, ולאט לאט העיניים מתחילות להסתגל לחשיכה ואתם יכולים להבחין בעצמים סביבכם, אתם לא רואים אותם בבירור מוחלט - אבל אתם רואים!

חשוב להבין שלמרות שכל הנורות בביתכם כבויות עדיין יש אור בחדר. האור סביבכם נהדף מהירח או ממנורות רחוב שדולקות בחוץ, הוא נהדף מקירות של מבנים ועצמים בחוץ עד שהוא חודר לביתכם דרך החלונות ומגיע אל העיניים שלכם.

לכן ניתן להגיד שבחדר שלכם חשוך אך אין בו חשיכה מוחלטת. דמיינו את עצמכם נמצאים בחדר אטום, ללא חלונות או דלתות, רק ארבע קירות מסביב, ואין לאור שום אפשרות לחדור פנימה, חשיכה מוחלטת. לא משנה כמה זמן היה חולף וכמה הייתם מתאמצים, לא היה ניתן לראות שום דבר מלבד חשיכה שחורה מוחלטת. ניתן אם כך להגדיר חשיכה כהעדר אור מוחלט. 

גלי האור וכיצד הם מופצים

אור הוא סוג של אנרגיה, ליתר דיוק גלי אנרגיה אלקטרומגנטיים. גלים אלו מורכבים בעצמם מחלקיקים שנקראים פוטונים. בטבע האור מגיע ממקורות שמפיצים אנרגיה, כאשר הדוגמאה הבולטת ביותר תיהיה השמש. לא נכנס לתהליך הפיסיקאלי שמסביר כיצד השמש מפיצה אור אך כפי שצויין גלי האור הם גלי אנרגיה והשמש מייצרת בכל שניה אנרגיה של מיליוני פצצות אטום שמתפוצצות בו זמנית ולכן ניתן להבין כיצד היא עושה זאת.

אש בדומה לשמש מייצרת אור (ואנרגיה), כמו כן ישנם בעלי חיים כגון גחליליות וסוגים מסויימים של דגים שמייצרים אור בתהלכים כימיים ע"י עירבוב של חמצן עם כימיכלים אחרים.

בני האדם למדו ליצור מקורות מפיצי אור בטכנולוגיות שונות (אש, מנורות שמן, אנרגיה חשמלית-חום, פלורסנט, לד). וככל שלמדנו יותר על אור כך למדנו לשלוט עליו יותר טוב ולהכווין אותו למטרותינו.

הקולנוע עושה שימוש נרחב באור ולא רק כדי להראות את המציאות כפי שהיא אלא כדי לשנות את המציאות ולהציג את המציאות שיוצר הקולנוע רוצה להראות לצופה. אך כדי שנדע כיצד לשלוט על האור בסרטים שלנו אנו חייבים תחילה להכיר את תכונותיו.

השדה האלקטרומגנטי

האור כפי שכבר אמרנו הוא גלי אנרגיה אלקטרומגנטיים אך הוא למעשה מהווה רק חלק מכל השדה האלקטרומגנטי שהעיניים שלנו מסוגלות לראות ולכן הדרך הנכונה לקרוא לאור היא "טווח האור הנראה" (visible light). השדה האלקטרומגנטי עצמו מכיל בתוכו סוגי גלים נוספים:

השדה האלקטרו מגנטי.

גלי קול לצורך העניין אינם שייכים לשדה האלקטרומטגנטי כלל מפני הם נעים דרך האוויר בעוד הגלים של השדה האלקטרומגנטי נעים בחלל הריק. עוד על גלי הקול במאמר יסודות הסאונד.

אור לבן

כפי שאמרנו קודם - מקור האור היעקרי בעולמנו היא השמש. חשוב לדעת ולזכור שהשמש מאירה באור לבן בלבד. גם כאשר נראה לנו שהתאורה בחוץ כחלחלה או אדמדמה, האור שמפיצה השמש עדיין לבן. (על התאורה בחוץ נדבר בהמשך המאמר).

האור הלבן מכיל בתוכו את כל הצבעים שאנו מסוגלים לראות, הדוגמא המפורסמת ביותר לכך היא דוגמת הפריזמה (מנסרה), כאשר אור לבן פוגע בפריזמה הוא נשבר ומתפרק לצבעי הקשת (צבעי היסוד).

אור לבן שעובר דרך פריזמה נשבר לכל צבעי היסוד.

צבעי הקשת הם המרכיבים את טווח הצבעים של האור הנראה.

תכונות האור

התכונות החשובות ביותר של האור עליהן נדבר במאמר זה הן:

עוצמת האור (Intensity)

צבע האור (אורכי גל, תדר האור)

הסתפגות האור (Absorption)

הדיפות\השתקפות האור (Reflection)

העברת האור (Transmittion)

עוצמת האור

עומצת האור קובעת למעשה את בהירות האור. ככל עוצמת האור גבוהה יותר כך הוא יהיה בהיר יותר וככל שהיא חלשה יותר כך האור יהיה חלש יותר. על הדרכים למדידת עוצמת אור נדבר במאמרי תאורה מתקדמים יותר.

מדידה של תדר האור (צבע האור)

כאשר אנו מודדים גלי אור אנו למעשה בודקים מה יהיה הצבע של אותו הגל האור. העין האנושית יכולה לקלוט גלי אור רק מטווח מסויים, טווח זה נקרא "טווח האור הנראה". ישנן שלוש דרכים למדדוד גלי אור:

1. תדר

התדר במקרה של גלי אור, מודד את כמות הגלים שעוברים בנקודה מסוימת בכל שניה. כמות זאת נקראת גם סבבים ומסומנת כHz (הרץ). טווח גלי האור הנראה לעין האנושית נע בין 750 טריליון Hz ל 430 טריליון Hz. 

2. אנרגיה

כשאנחנו מדברים על מדידת גל אור ביחס לרמת האנרגיה שלו מספיק להגיד שככל שתדר הגל גבוה יותר כך אנרגיית הגל גבוה יותר ולהפך.

3. מרחק

אנחנו יכולים למדוד את אורך גלי האור גם לפי השיטה המטרית שאותה אתם מכירים, רק שבמקרה של גלי אור מדובר ביחד מידה בשם ננומטר (החלק הביליוני של מטר), שמסומנים בקיצור nm. זאת למעשה הדרך הנוחה ביותר למדוד גלי אור כי אנחנו לא מתעסיק עם חלקי המיליון. טווח גלי האור הנראה לעין האנושית בננומטרים הוא בין 400nm ל 700nm. (מתחת ל400 ננומטרים יש קרני אור אולטרה סגולות, קרני רנטגן וקרני גאמה, ומעל ל 700 ננומטרים יש קרני אור אינפרה אדומות, קרני מיקרו וקרני רדיו).

הטווח הנראה של האור.

כפי שניתן לראות ככל שאורך הגל קצר יותר (400nm) הצבע יותר סגול וככל שאורך הגל עולה (700nm) הצבע מגיע עד לצבע האדום. כאשר תחנות הצבעים העיקריות הן מג'נטה,כחול, סייאן, ירוק, צהוב, אדום. שימו לב שהיחס בין התדר והאנרגיה למדידה בננמוטרים הוא הפוך.

היחסים בין מדידית גלי האור.

הסתפגות של גלי האור (Absorption)

תכונה חשובה נוספת שעלינו להכיר בהקשר לגלי האור היא היכולת של שלהם להספג בעצמים שונים. היכולת של אור להספג באובייקט כזה או אחר תלויה למעשה באובייקט עצמו. פעולת ההספגות מתרחשת ברמה האטומית, לאלקטרונים מסביב לאטום ישנה אנרגיה מסויימת, או יותר נכון נמצאים ברמה אנרגטית מסוימת. במידה ואנרגיית הגל של האור הפוגע גדולה או שווה לזאת של האלקטרונים, הגל ייספג, אם לא, הוא יהדף בחזרה אל הסביבה.

כיוצרי קולנוע, במיוחד צלמים ותאורנים, חשוב לנו להבין את התכונה הזאת מפני שפעמים רבות נשתמש במשטחים (קפאות, רפלקטורים, דלתות פנס) כדי להכווין את האור לכיוון אותו נרצה ולשנות את צורתו.  

גוון המשטח

משטחים בעלי גוון בהיר סופגים פחות אור ממשטחים בעלי משטח כהה - ואם פחות אור נספג במשטח עצמו משמע שיותר אור נהדף ממנו. מכך ניתן להסיק שמשטחים בהירים הודפים אור טוב יותר ממשטחים כהים.

חומר המשטח

משטחים סופגים יותר או פחות אור גם בהתאם לחומר ממנו הם עשויים, בד לצורך העניין יספוג הרבה יותר אור ממתכת ולכן הוא לא חומר אופטימלי להדיפת אור.

טקסטורת (מרקם) המשטח

משטחים חלקים סופגים פחות אור ממשטחים מחוספסים ולכן הודפים אור טוב יותר.

ספיגת האור והקשר לצבע האובייקט

כשאנחנו רואים תפוז צריך להבין שהתפוז לא באמת כתום, כפי שאמרנו קודם לאטומים של אובייקט ישנה יכולת לספוג או להדוף אורכי גל מסויימים, ואורכי הגל (תדרים) אחראיים על צבע האור שאנו רואים. במקרה של התפוז הוא סופג את אורכי הגל של האור שאינם כתומים והודף חזרה לעינינו רק את גלי האור הכתומים ולכן אחנו רואים את התפוז ככתום, כנ"ל עם כל אובייקט אחר בעולמינו, כולל אותנו עצמנו. כאשר אובייקט סופג את כל אורכי הגל שפוגעים בו הוא למעשה לא מחזיר שום אור ולכן אנו רואים אותו כשחור, המוח שלנו משלים אותו בריק במרחב ולא באמת רואה צבע שחור - חסר אור משמע חסר צבע.

פיגמנטים

אם נדבר ברמה הביולוגית\כימית ולא ברמה המולקולרית הדבר שמאפשר לאובייקט כזה או אחר לספוג אורכי גל כאלו או אחרים נקרא פיגמנט.  הפיגמנטים מצויים בתוך הגוף של ייצורים החיים וגם בטבע. בני האדם גם למדו לייצר פיגמנטים מלאכותיים ומשתמשים בהם למטרות שונות (צבעים שאנחנו מציירים איתם).

אבקות פיגמנט.

הדיפות\השתקפות של גלי האור (Reflection)

תכונה חשובה נוספת של האור היא היכולת של גלי האור לההדף ממשטחים, בסעיף הקודם כבר ציינו שאורכי הגל שלא נספגים באובייקט הם אלו שנהדפים בחזרה לחלל והם אלו שמאפשרים לנו לראות את הסביבה. קרן אור שפוגעת בחפץ נהדפת בחזרה אל החלל ופוגעת בשלב מסויים בעינינו, כאשר העין מתרגמת את האור לויזואליה.

יש לזכור כי גלי האור ינועו תמיד בקווים ישרים וגם יהדפו בקווים ישרים. ההבדל בהדיפות האור הוא בזווית לכיוונה הוא יהדף וביכולת המשטח להדוף אור. בעקרון האור יהדף טוב יותר ככל שלמשטח יש מאפייני מראה - משטחים חלקים ומשוייפים יהיו בעלי יכולת הדיפות טובה יותר, לצורך הדגמה מתכת מלוטשת תהדוף אור הרבה יותר טוב מקיר בטון. ישנם שני סוגים של הדיפות של אור.

החזר ראי (Specular Reflection)

התשקפות כזאת מתרחשת כאשר אור פוגע במשטחים ישרים. כאשר אור פוגע במשטח כזה הוא נהדף באותה הזווית בה הגיע אך בכיוון ההפוך.

כאשר אור פוגע במשטח ישר הוא נהדף בזווית זהה לכיוון הנגדי.

החזר מפוזר (Diffused Reflection)

החזר מפוזר מתרחש כאשר אור פוגע בשטח לא ישר. וכך האור מתפזר לכיוונים שונים ובזוויות שונות.

כאשר אור פוגע במשטח שאינו ישר הוא נהדף בזוויות שונות לכיוון הנגדי.

מעבר האור (Transmission)

תכונת מעבר האור מתרחשת כאשר אור פוגע בחפץ שקוף. במקרה כזה האטומים של החפץ מעבירים חלק מגלי האור מאטום לאטום ובכך מאפשרים להם לעבור דרך החפץ.

פילטרים משני צבע

בקולנוע נשתמש פעמים רבות בפילטרים צבעוניים כדי לשנות את צבע האור שפוגע בפילטר. לצורך העניין פילטר כחול ישנה את צבעו של האור הלבן לכחול כאשר יעבור דרכו, זה מתקשר ישירות לתכונת מעבר האור ולכן גם הדגשנו שאובייקט שקוף יעביר רק חלק מגלי האור שעוברים דרכו ויהדוף את החלק האחר. כך למעשה מתקיימות שלושת התכונות שדיברנו עליהן:

הדיפות

חלק מהאור נהדף מהפילטר ובכך אנו רואים את הפילטר ככחול.

מעבר

חלק מהאור עובר דרך הפילטר וממשיך האלה (בגלל שהוא שקוף).

הסתפגות

חלק מאורכי הגל (הלא כחולים) נספגים בפילטר (כי יש עליו פיגמנט כחול) ובכך האור שממשיך האלה יוצא כחול.

אור ירח

לעיתים אנו משתמשים בביטוי "אור ירח" כדי לתאר את התאורה הלילית. אך הירח הוא גוש של אבן ולמעשה אינו גוף פולט אור, הוא הודף את אור השמש אל כדור הארץ ומפני שהירח עשוי מחומר לא יעיל להדיפת אור (הוא עשוי מאבן שדומה מאוד לאדמה על כדור הארץ) האור שנהדף ממנו חלש משמעותית מאור ישיר שמגיע מהשמש ולכן נראה לנו כחלחל. (העין האנושית אינה מבדילה צבעים בחשיכה).

תאורת חוץ

בתחילת המאמר דיברנו על האור ולבן והדגשנו שהשמש מפיצה אור לבן, אם כך נשאלת השאלה למה התאורה בחוץ משתנה כל הזמן, האור בחוץ שונה בשעות השקיעה והזריחה, באובך, במזג אוויר מעונן ועוד.

השמיים ביום בהיר

הדבר הראשון שמאפיין יום בהיר הוא השמיים הכחולים, השמיים שאנחנו רואים הם למעשה האטמוספירה שלנו שמורכבת בעיקר מחמצן וחנקן. אטומים אלו מתאפיינים ביכולת להדוף תדרים גבוהים של אור (סגול וכחול) ולהעביר דרכם תדרים נמוכים (אדום, צהוב), מה שקורה אם כך שאורכי הגל הסגולים והכחולים מתפזרים לשמים ומכיוון שהעין שלנו רגישה לכחול הרבה יותר מסגול אנו רואים את השמיים ככחולים.

עננים

אנו רואים את העננים כלבנים מכיוון שהם מלאים בחלקיקי מים, חלקיקי מים עובדים כמו פריזמה ומפזרים את האור הלבן לכל צבעי היסוד, מכיוון שצבעי היסוד מרכיבים את האור הלבן כשהם מפוזרים לכל הכיוונים הם למעשה משתלבים שוב לצבע לבן וכך אנו רואים את העננים כלבנים.

ענני גשם נראים לנו אפורים מכיוון שככל שהם מתמלאים יותר במים וניהיים עבים, לגלי האור קשה יותר לעבור דרכם ולכן הם מקבלים גוון אפור. סיבה נוספת לצבעם האפור יכול להיות כאשר ענן אחד מטיל את צלו על ענן אחר.

שקיעה אדומה

כאשר השמש שוקעת היא למעשה מתרחקת מהנקודה בה אנחנו נמצאים ולאור לוקח יותר זמן להגיע אלינו, בזמן הזה האור נתקל ביותר ויותר חלקיקים שונים באטמוספירה (חלקם כתוצאה מזיהום האויר שיצרנו) ובכך מעביר אלינו דווקא תדרים נמוכים של אור (אדום וצהוב) ולכן אנו רואים את השקיעה כאדומה.

לסיכום

במאמר זה הצגנו לפניכם את המושגים של אור וחושך ועברנו על מספר תכונות חשובות של האור. במאמרים הבאים נדבר על תכונות נוספות של האור וכיצד אנו יוכלים לשלוט על האור כדי להכווין אותו למטרותינו הקולנועיות.