Licht sterft snel af. Maar in hoeveelheid anders dan dat veel mensen denken. Hierdoor wordt iets wat teveel naar achteren of teveel naar voren staat al snel te donker of te licht. Hoe komt dit en wat kunnen we hiermee?
Snel weg
Uit een lichtbron zoals een lamp komen lichtstralen. In deze lichtbron beginnen deze lichtstralen dicht bij elkaar. Daarom is daar het licht het meest intens (sterk). Maar hoe verder de lichtstalen van de lichtbron af komen, hoe verder ze uit elkaar gaan lopen.
In afb 1 zien we hoe het licht bij A veel intenser is dan bij B of C. Als we een lichtbron zouden hebben die zou bestaan uit een klein puntje, dan zouden de lichtstralen naar alle kanten uitgezonden worden en daarmee naar alle kanten even snel afsterven.
Afsterven is misschien een wat vreemd woord, want licht sterft natuurlijk niet. Bij A is de lichtsterkte, liever de lichtintensiteit, hoger dan bij B en bij C is het nog lager. Er gaat dus geen licht dood, de lichtintensiteit neemt slechts af.
Wat er gebeurt
In afb 2 kunnen we zien waarom de lichtintensiteit afneemt. We zien namelijk hoe uit een flitser vanuit een punt van licht (voor het gemak doen we even alsof alle lichtstralen vanuit een minuscuul klein puntje vertrekken) licht produceert. Drie lichtstralen (A, B en C) zijn daarvan getekend.
Dichtbij de lamp bevinden de lichtstralen zich nog vlak bij elkaar. Zou zich daar een voorwerp bevinden, zoals V1 voorstelt, dan zullen op dit voorwerp de lichtstralen vlak bij elkaar terechtkomen. Dit vormt een kleine lichtvlek, A en C zijn immers nog niet ver uit elkaar gelopen, maar deze lichtvlek heeft wel een hoge lichtintensiteit juist omdat de lichtstralen dichtbij elkaar het oppervlakte raken.
Plaatsen we daarentegen het voorwerp verder weg, zoals positie V2 voorstelt, dan zullen de lichtstralen (zie A en C) inmiddels natuurlijk verder uit elkaar zijn gaan lopen en wordt hierdoor de verlichte plek groter, maar het licht wordt er ook minder intens door. Je zou ook kunnen zeggen dat het licht bij V2 over een grotere oppervlakte moet worden verdeeld en daardoor zwakker is geworden.
Net water
Wat dit betreft is licht best goed vergelijkbaar met water. Uit een douche komt bij V1 evenveel water per seconde als bij V2, maar omdat het water bij V2 over een grotere oppervlakte terecht komt, komt er per vierkante cm wel minder water terecht.
Het is daarom niet gek dat je bij het natspuiten met een douchekop van dichtbij iets sneller nat maakt, maar dat de oppervlakte die je hiermee nat krijgt wel kleiner is dan wanneer je iets van verder af nat zou spuiten.
Licht verspreidt
Het is dus niet zozeer dat het licht afneemt (al noemen we het ’t afsterven van licht), het licht wordt domweg meer verspreid waardoor er minder licht op een bepaalde oppervlakte terechtkomt. Door onder andere verstrooiing en absorptie zal het licht uiteindelijk overigens wel echt verdwijnen, maar dat houden we voor het gemak hier buiten beschouwing.
Over verspreiding
De lichtstralen uit een laser blijven dicht bij elkaar zodat het licht, ook op afstand, geconcentreerd blijft. Zie bijvoorbeeld afb 3. Als er niet iets als absorptie zou bestaan, dan komt het daardoor in principe op iedere afstand net zo geconcentreerd (en met dus dezelfde lichtintensiteit) terecht als dat het de lichtbron verlaat en hierdoor blijft dit licht even sterk op iedere afstand.
Met een laserpen is dit al te zien, maar het blijft wel een beetje theoretisch omdat ook bij dit soort laserstralen de lichtstralen in praktijk toch altijd wel een beetje uit elkaar lopen, al is dat wel veel minder dan bij een normale lichtbron. En ook bij een dergelijke laserstraal treedt verstrooiing en absorptie op. Schijn maar eens met een laserpen op een object dat echt ver weg staat. Je ziet dan dat de lichtplek toch wat groter en daarmee zwakker is geworden.
Het licht van een flitser verlaat de flitser niet als een laserachtige straal en zal daarom, als het licht verder van de flitser verwijderd is, dus sneller afsterven. Plaatsen we echter een Fresnel-lens op een flitser, dan wordt de bundel van licht meer in dezelfde baan geleid en blijft daardoor ook meer geconcentreerd. Het gaat hiermee dus een beetje op een laserbundel lijken en zal daardoor minder snel afsterven.
Backdrop wel of niet verlicht
Als fotografen hebben we, zeker wanneer we met flitsers werken in een studio, veel te maken met het afsterven van licht.
In afb 4 hebben we een schematische tekening van onze studio gemaakt. We zien bovenin de backdrop waar een model voor staat. Een camera staat recht op het model gericht. We plaatsen onze flitser op plek A, zorgen dat het model goed belicht wordt, en maken een foto. De foto komt er uit te zien als afb 5A. De backdrop van stenen is goed op de foto te zien.
Nu verplaatsen we de flitser naar plek B, zorgen opnieuw dat het model goed belicht wordt en maken weer een foto. Hierdoor ontstaat afb 5B. De backdrop is nu erg donker geworden.
De truc
In afb 5A en 5B wordt het model even goed belicht en de afstand tussen het model en de backdrop zijn gelijk gebleven. Het is dus alleen de positie van de flitser die voor dit effect heeft gezorgd. Maar waarom?
Als een foto wordt genomen waarbij de flitser zich relatief ver van het onderwerp bevindt, zoals dat bij afb 5A het geval was, dan vervalt het licht minder snel. Het licht is achter het onderwerp daardoor nog niet voldoende afgestorven voordat het de backdrop raakt. Daardoor zien we de backdrop in afb 5A.
Maar licht dat zich nog dicht bij de lichtbron bevindt, sterft veel sneller af. Dus als dezelfde foto wordt genomen waarbij een flitser zich relatief dicht bij het onderwerp bevindt (zoals bij afb 5B), dan zal het licht achter het onderwerp sneller afsterven als bij 5A zodat de backdrop veel minder goed wordt belicht.
De omgekeerde kwadratenwet
Binnen de natuurkunde wordt een natuurwet gebruikt die men de “omgekeerde kwadratenwet” noemt en waarmee we kunnen laten zien hoe snel het afsterven van licht precies plaatsvindt. Deze wet gaat namelijk ook voor licht op en vertelt ons hoe we het verval van licht over een bepaalde afstand kunnen berekenen.
Bij de omgekeerde kwadratenwet gaat men uit van een punt waar de straling (lees het licht) vandaan komt en alle kanten op gaat. Voor ons is dit werkbaar omdat een flitser zonder bijzondere light modifier met een puntlicht vergeleken kan worden.
In dat geval geldt dat wanneer we de afstand tot een flitser in het kwadraat nemen en dit gebruiken om 1 mee te delen, dat we dan het percentage krijgen van de lichtintensiteit die we op die plek nog zullen mogen verwachten.
Oké, dat klinkt wat wiskundig, laten we dit daarom met behulp van een voorbeeldje bekijken. Stel we hebben ergens een flitser geplaatst (zie afb 6) en we meten de lichtsterkte van deze flitser met een lichtmeter op 1 meter afstand van die flitser. De gevonden waarden (deze lichtintensiteit) stellen we op 100%. Hoeveel procent van dit licht hebben we dan nog over op een afstand van 3 meter?
De omgekeerde kwadratenwet vertelt ons nu dat dit moet zijn: 1 / 32 Immers, we moeten de afstand nemen (3 meter), die in het kwadraat nemen (32 = 3 x 3 = 9) en dit gebruiken om 1 mee te delen. We komen dan uit op 1 / 9 = 0,11 = 11%. We ronden natuurlijk af, wat voor het gebruik binnen fotografie prima is. We zijn er daarbij dus vanuit gegaan dat we op 1 meter (1 / 12 = 1 =) 100% licht hadden.
Maar hoeveel licht zouden we nog op twee meter hebben? Op twee meter hebben we nog 1 / 22 = 0,25 = 25% van het licht. De conclusie die je nu zou kunnen trekken klopt. Het verval van licht gaat snel! Want hebben we op 1 meter 100%, op twee meter hebben we daar nog maar 25% van over en op 3 meter nog maar slechts 11%!
Maar misschien is er ook iets anders opgevallen. Hoe verder we ons van de lichtbron af bevinden, hoe minder sterk het lichtverval per meter optreedt. Bij twee meter zien we dat we van 100% naar 25% terugvallen. Er is dus een verschil van 75% verlies opgetreden. Maar bij drie meter hebben we nog 11% over en vanaf een meter daarvoor is het verschil slechts 14% (25% - 11%). En zouden we ons op 4 meter bevinden, dan hebben we daar te maken met een lichtintensiteit van 1 / 42 = 0,06 = 6% en dan is een verschil van 11% naar 6% en dus van nog maar 5% verlies.
Hieruit blijkt dat dichtbij de lichtbron de lichtintensiteit het sterkst afneemt en hoe verder je van de lichtbron verwijderd bent, hoe langzamer dat verval plaatsvindt. In afb 6 zie je dit schematisch terug.
Gaan we terug naar het verschil tussen afb 5A en afb 5B dan begrijpen nu beter waarom we bij afb 5A de backdrop beter zien dan bij afb 5B. Het verschil tussen beide foto’s wordt bepaald door de afstand van de flitser tot het onderwerp omdat bij de flitser die ver weg staat het lichtverval achter het model procentueel veel minder is dan die waarbij de flitser dichtbij staat.
Met Lux rekenen
Lichtsterkte wordt in Lux uitgedrukt. Een lichtmeter meet dan ook het aantal Lux en werkt dat met zijn slimme algoritmes om naar ISO-waarden, sluitertijden en diafragma’s. We kunnen de kwadratenwet ook gebruiken om het aantal Lux te berekenen.
We weten dat als lichtstralen verder van de lichtbron verwijderd zijn, ze verder uit elkaar zullen wijken (zie afb 2) en dat daarmee de lichtsterkte (en dus het aantal Lux) zal afnemen. Maar hoeveel is dat eigenlijk en welk effect heeft dat?
We hebben de kwadratenwet tot nu toe gebruikt om percentages te berekenen, maar deze kan ook met Lux als eenheid worden gebruikt. Deze natuurkundewet vertelt ons immers dat een grootheid (in dit geval de sterkte van het licht) omgekeerd evenredig verloopt met het kwadraat van de afstand tot de bron van die grootheid. De grootheid van lichtsterkte is Lux.
Hoe gaat dit in praktijk? We gaan er hierbij opnieuw vanuit dat de lichtbron een puntlicht is waar vandaan de lichtstralen vertrekken. Stel dat het licht dat we meten op 1 meter afstand 500 Lux in sterkte zou zijn. Dan vertelt de kwadratenwet ons dat de lichtsterkte op 2 meter 500 / 4 zal zijn omdat we het kwadraat van de afstand (= 2 x 2) moeten nemen als deler. De lichtsterkte zou daar dus 500 / 4 = 125 Lux zijn. 25% van 500 dus. Iets wat we al eerder zagen toen we percentages berekende. Op drie meter zou dit nog slechts 500 / 9 = 55,56 Lux zijn. Het zal je dan ook niet verbazen dat 11% van 500 inderdaad 55 is. Met de kwadratenwet (of, zoals hij officieel wordt genoemd binnen de natuurkunde: de omgekeerde kwadratenwet) kunnen we dus zowel het percentage als de waarde in Lux berekenen.
In een studio met Lux
Stel we hebben een onderwerp in een studio en deze staat een meter voor de backdrop. We plaatsen de flitser recht voor het onderwerp. We willen dat de backdrop erg donker wordt. Als we de flitser 5 meter van het onderwerp plaatsen en we belichten het onderwerp goed, dan bevindt de backdrop zich op 6 meter afstand van de flitser. Hoeveel licht komt daar dan nog op?
We hebben voldoende licht aan de deling aantal lux / 25. Stel dat dit 1000 Lux op zou moeten leveren, dan is de sterkte van het licht dat uit de flitser moet komen op 1 meter 25 x 1.000 = 25.000 Lux. Dit is dan de eerder genoemde 100% op 1 meter. Beginnen we op 1 meter met 25.000 Lux, dan hebben we immers op 5 meter 25.000 / (5 x 5) = 1.000 Lux.
Hoeveel hebben we dan op 6 meter? Dat zou 25.000 / (6 x 6) zijn, wat neerkomt op ongeveer 695 Lux. Dus iets meer dan de helft van het licht dat we op 5 meter hebben. De helft van het licht betekent een stop minder. Dat zie je op de foto en dus zal de backdrop nog goed te zien zijn op de foto. Dit gaat dus niet werken.
Plaatsen we de flitser dichterbij het onderwerp, dan wordt het relatieve verschil tussen het onderwerp en de backdrop groter. Dat biedt mogelijkheden zagen we al eerder. Maar is dat genoeg? We plaatsen de flitser op 2 meter afstand van het onderwerp en stellen hem zo in zodat het onderwerp goed wordt belicht (dat houden we voor ons voorbeeld even op 1.000 Lux). Hierdoor is de lichtsterkte op 1 meter 1.000 x 4 = 4.000 Lux. Op 3 meter (de afstand van de backdrop) wordt het dan 4.000 / (3 x 3) = 444 Lux. De backdrop zal een stukje donkerder worden dan bij de eerste opzet, maar dit is nog niet genoeg. Hier valt immers nog best een groot deel (zowat de helft) van het licht op de backdrop.
Laten we daarom dit proberen. We kunnen het onderwerp verder van de backdrop af plaatsen. Zeg dat de afstand tussen het onderwerp en de backdrop 2 meter wordt, net zo ver als de flitser van het onderwerp. Hierdoor zou gelden dat de backdrop zich 4 meter van de flitser af begeeft en dan geldt dat het licht dat op de backdrop valt 4.000 / (4 x 4) wordt, hetgeen neerkomt op 250 Lux. Kijk, dat zet zoden aan de dijk, want dit is nog maar 25% van de hoeveelheid licht op 2 meter afstand waar zich het onderwerp bevindt. De backdrop wordt hierdoor aanzienlijk donkerder.
Oké, wat weten we nu?
Dat je veel kunt rekenen aan dit soort zaken maar ook dat fotografen geen natuurkundigen zijn. Dus al is het nog zo interessant en misschien ook leuk om dit soort zaken te weten, het moet natuurlijk wel tot praktische toepassingen binnen de fotografie leiden.
Laten we daarom niet meer rekenen maar een paar praktische tips geven die je als conclusies aan dit verhaal zou kunnen verbinden:
- Als de lichtbron zich dicht bij het onderwerp begeeft, zal er een snel verval van licht plaatsvinden achter het onderwerp;
- Wanneer de relatieve afstand tussen het onderwerp en de backdrop groter wordt, zal er minder licht op de backdrop vallen omdat veel licht al is afgestorven voordat het op de backdrop terechtkomt.
Nou, hoe simpel is dat?
