Спектральная чувствительность

Цветная и инфракрасная сенсибилизация эмульсий описывается в следующем разделе, здесь же приведены только результаты. Чувствительность в данном спектральном интервале определяется как величина, обратная экспозиции, обычно выражаемой в единицах эрг/см², которая требуется для получения определенной оптической плотности над вуалью. Экспозиции через каждые 10 нм устанавливаются с помощью спектрального сенситометра. Кривые, изображенные на рис. 3.10, были получены этим способом. Кривые для черно-белых инфрапленок очень похожи на кривую для циан-образующего слоя, чувствительного к ИК-излучению, за исключением того, что они расположены вблизи значения ординаты 1,0.

Цветная инфрапленка. Впервые идею о совместном применении панхроматических эмульсий и эмульсий, чувствительных к ИК-из-лучению, с использованием процесса цветной обработки пленок при обнаружении маскировки предложили в 1941 г. Спенсер и Морридж, сотрудники исследовательской фирмы Kodak в Англии. Их идея была затем еще более развита, и в исследовательской лаборатории фирмы Kodak в Рочестере, шт. Нью-Йорк, проведены экспериментальные исследования, в результате которых получили три различные структуры для многослойной пленки, содержащей слой, чувствительный к инфракрасному излучению, и разработали способ обработки в измененных цветах.

Первый полный доклад на эту тему сделан Маннесом, Джелли, Уилдером и Кларком 9 ноября 1942 г. и затем отослан в военное ведомство. Американский патент на основные структуры фотослоев выдан 24 октября 1942 г. на имя Джелли и Уилдера и опубликован 9 июля 1946 г. под номером 2403722.

В докладе также описывается двухслойный фотоматериал с узкой полосой чувствительности к ИК-излучению и пиками чувствительности при 680 и 740 нм — по обе стороны от точки резкого повышения пропускания хлорофилла (~700 нм). Цветное проявление изображений осуществляют либо непосредственно двойным проявлением, либо с помощью тонирующего проявления. Это был первый образец фотоматериала, который в СССР теперь называется спектрозональной пленкой. По своей природе это довольно низкочувствительная пленка. Фактически инфракрасные цветные фотоматериалы были разработаны для военных целей под названием «обратимая пленка Aero Kodacolar для обнаружения замаскированных объектов».

Современным существенно улучшенным вариантом являются инфрапленка Kodak Aerochrome и ее дубликаты, уже упоминавшиеся в данной главе.

Полковник Годдард из ВВС США с 21 июля по 7 августа 1942 г. испытал в полете над Рочестером три типа цветной пленки более раннего изготовления и затем передал результаты испытаний для оценки фотодешифровщикам. Такая проверка была выполнена на базе Райт-филд с 17 сентября по 28 октября 1942 г. с использованием окрашенных панелей на земле. В докладе от 26 января 1943 г. командование ВВС США рекомендовало использовать пленку «типа В» для обнаружения «широкодиапазонной» маскировки и отмечало, что наилучшие результаты были достигнуты тогда, когда пленка «типа В» использовалась в сочетании с пленкой Aero Kodacolor для сравнения. Однако было указано, что пленка «типа В» оказалась очень низкочувствительной.

Рис. 3.10. Кривые спектральной чувствительности для трех эмульсионных слоев инфрапленки Kodak Ektachrome.

Спектральная чувствительность выражается количеством энергии хроматического излучения, необходимой для доведения цветных изображений до эквивалентной плотности, равной 1,0, над минимальной плотностью. С — слой, образующий голубой цвет; У — слой, образующий желтый цвет; М — слой, образующий красный цвет.

В октябре 1944 г. фотографы базы Райт-филд сообщили результаты применения новых фотослоев с чувствительностью, увеличенной с 12 до 32 ед. по Вестону. Таким образом, оказалось возможным выполнять фотографирование с экспозицией 1/150 с при диафрагме f/8. В выводах доклада указывалось, что это соответствует военным требованиям, и рекомендовалось стандартизовать эту пленку. В докладе ВМС США указывалось, что пленка может широко использоваться в целях общей разведки, и рекомендовалось применить ее на тихоокеанском театре военных действий. С этого времени история данного типа пленки становится общеизвестной.

Возможности использования инфракрасной цветной аэрофотопленки в мирных целях были исследованы за несколько лет до< второй мировой войны. Первые ключевые работа в этой области рассматриваются в гл. 9. (См. специально работы Колвелла [9.116], Фишера [9.161], Хаака [9.194], Таркингтсона и Сорема [9.427], Нормана и Фритца [9.332], а также Страндберга [9.420.)

Примерно в 1960 г. фирма Kodak Eastman выпустила несколько пробных 35-мм аэрофотопленок в кассетах. Это позволило прежде всего проверить экономическую целесообразность проведения аэрофотосъемок с помощью небольших камер и легких самолетов.

В 1962г. Гибсон начал эксперименты по использованию такой пленки в медицине и биологии. В то же время, работая независимо, Уитмор получил фотографии варикозных сосудов на форматной пленке, вырезанной из рулонной аэрофотопленки Результаты исследований этих ученых опубликованы в работах [2.66, 5.167]. С тех пор инфракрасная цветная фотография широко применяется в полевых, лабораторных и студийных условиях. Современные обратимые пленки для фотографирования в измененных цветах (иногда называемые условно-цветными) предназначены для работы при освещении, подобном дневному. В отличие от обычных позитивных цветных пленок инфрапленка Kodak Ektachrome имеет слои, сенсибилизированные к зеленому, красному и инфракрасному излучениям. Для устранения синего цвета, к которому также чувствительны эти слои, применяется желтый фильтр. Рис. 3.11 иллюстрирует образование измененных цветов.

Рис 3.11 Диаграмма, иллюстрирующая образование цветов на инфрапленке Kodak Ektachrome.

Синий цвет может появиться на диапозитиве, даже если изображение было защищено желтым фильтром. Если желтое изображение является ярким (тонким) на слое, сенсибилизированном к зеленому цвету, то фуксин и циан преобладают и в комбинации дают синий цвет. В зависимости от соотношения зеленого, красного и инфракрасного излучений, исходящих из различных областей объекта, могут образовываться многочисленные другие цвета. Листва получается на фотографии красноватой, так как она отражает инфракрасные лучи, образуя таким образом светлое сине-зеленое изображение, при котором комбинация фуксина и желтого цвета дает красный цвет. Небо рассеивает достаточное количество красного и инфракрасного излучения, увеличивая яркость желтого слоя. Поэтому небо изображается в синем цвете. Вода, мокрые листья водяных растений и другие сверкающие поверхности имеют синеватый цвет при фотографировании под углом, который включает зеркальное отражение неба.

Таким образом, вода должна фотографироваться под углом 90° к ее поверхности, когда необходимо исследовать ее прозрачность, донный ил, взвешенные органические вещества и плавающие растения.

Образование инфракрасного цветного диапозитива происходит как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра. Резкость фотографии зависит в первую очередь от резкости синей компоненты. Это создается зеленым светом. Следовательно, визуальная фокусировка является практичной. Общее субъективное ощущение остроты диапозитива обеспечивается фуксиновым изображением, которое подвержено воздействию как инфракрасного, так и видимого света.

Другие аспекты. Пленки для аэросъемки рассматриваются в гл. 9 и работах [9.13,9.222]. Спектроскопические пластинки обсуждаются в работе [2.67]. Дальнейшую информацию о теории фотографии можно найти в работах Неблетта [3.20], Джеймса и Хиггинса [3.13] и Фронмейера и Вельте [3.67]. Теории цвета рассматриваются в работах Эванса с сотр. [3.9], а также Вышецки и Стайлса [3.27].

Заканчивая обсуждение фотоматериалов, чувствительных к инфракрасному излучению, необходимо отметить две работы. Объявление [3.30] сообщало о фотографировании на пластмассовые фотоматериалы. Такие фотоматериалы обеспечивают высокую четкость изображения и проявляются под действием тепла. Войтчак [3.165] описал нежелатиновые материалы с вкраплениями двухвалентной меди, сенсибилизированные различными ионами и восстановителями. Сообщалось, что эти фотоматериалы весьма чувствительны к инфракрасному излучению.

Инфракрасная сенсибилизация

Процесс фотографирования представляет собой фотохимическую реакцию. Из основного закона фотохимии, известного как закон Гротхуса — Дрейпера, следует, что только излучение, поглощенное какой-либо системой, может вызвать в ней фотохимические изменения. Иными словами, только излучение, поглощаемое галогенидом серебра фотографической пластинки или пленки, может вызвать химическую реакцию, в результате которой фотоматериал темнеет при проявлении. Излучение, поглощаемое галогенидом серебра, ограничено невидимым ультрафиолетом и примыкающей к нему более коротковолновой областью видимого спектра.

Практическая степень чувствительности галогенида серебра в видимой части спектра непостоянна. При использовании хлорида и иодида серебра область чувствительности распространяется на фиолетовый и частично на синий участки спектра, а область чувствительности бромида серебра включает полностью фиолетовый и синий участки и часть зеленого.

Увеличение чувствительности эмульсий в зеленом участке спектра и расширение границ чувствительности в область красного и инфракрасного излучения достигаются введением в эмульсию сенсибилизирующих красителей. В принципе такие красители поглощают излучение в различных областях спектра и определенным образом повышают чувствительность кристаллов галогенида серебра. Подробности механизма сенсибилизации еще полностью не изучены. Этот механизм обусловлен переносом энергии или электрона, а возможно, и тем и другим.

Однако не все красители обладают способностью увеличивать чувствительность эмульсий. Некоторые из них понижают свойственную эмульсии чувствительность, создавая в то же время небольшую длинноволновую чувствительность. Другие красители увеличивают чувствительность, однако вызывают появление вуали. Некоторые красители являются недолговечными. Была проделана большая работа по синтезированию нужных красителей и проверке их свойств. Достижения в этой области достаточно полно рассмотрены в работах Корнфелда [3.106], Брукера и Виттума [3.49], Гороховского [3.10], Гилмана [3.73], а также Спенса [3.141, 3.142]. Необходимая информация имеется также в первых экспериментальных работах, упомянутых в библиографии ко второму изданию этой книги.

 

Циановые красители оказались ключом к решению проблемы инфракрасной сенсибилизации. На рис. 3.12 представлены обобщенные итоги основных исследований. Формулы цианина, карбоцианина и пентакарбоцианина представлены на рис. 3.13. При удлинении метинового мостика между хинолиновыми ядрами путем введения дополнительных винильных групп (—СН = СН) n в эти красители граница области спектральной чувствительности отодвигается все дальше в инфракрасную область спектра. Например, для пентакарбоцианина при n = 5 с введением этого красителя граница области чувствительности отодвигается примерно до 1350 нм.

Значительное число вариантов таких красителей можно получить путем замещения других ядер. Так были достигнуты определенные успехи в инфракрасной области. В частности, Брукер [3.481 рассмотрел галополярный пентакарбоцианин с максимумом поглощения при 1240 нм.

В целом красители усиливают чувствительность вблизи той области, в которой они поглощают соответствующее излучение. Однако имеют место изменения, вызываемые эффективностью переноса энергии, появлением вуали и уменьшением чувствительности. Пики поглощения пентакарбоцианина находятся в диапазоне 780—995 нм, а максимум сенсибилизации сдвинут к 1050 нм. Корнфелд [3.106] исследовал возможности расширения границ области чувствительности за пределы, достигнутые к тому времени (1356 нм), Однако это оказалось невозможным из-за нестабильности красителей, а также термодинамических соображений. Кроме того, проблемы хранения пленки и зависимости свойств эмульсии от окружающей температуры сделали бы такую эмульсию непригодной к применению. Кажется маловероятным, что такая пленка может использоваться в областях, перекрываемых в настоящее время термографическими системами, описанными в гл. 5, 9 и 10. Необходимо отметить, что многие подобные системы нуждаются в криогенных камерах для защиты от внешнего излучения, однако практически проще охладить небольшой датчик, чем фотокамеру.

В то время как возможности красителей в увеличении области чувствительности пленок уже известны в течение нескольких лет, исследование физики этого процесса продолжается до сих пор. Подробности этих исследований были приведены в работах Кэрро-ла [3.52], Веста и Гилмана [3.161], Берримана и Гилмана [3.41], Джонса и Гилмана [3.95], а также Джеймса [3.92].

Фотограф имеет дело с обычной инфрапленкой. Однако астроному (см. работу Спенса [3.141]) и спектроскописту требуются специальные пленки и пластинки. На рис. 3.14 указаны области спектральной чувствительности таких материалов фирмы Eastman Kodak. Необходимо заметить, что спектральная чувствительность высокочувствительной инфрапленки фирмы Kodak близка к чувствительности комбинации пластинок типа N и F.

Слабые сигналы. Использование пластинок часто требует предельной чувствительности эмульсии, особенно в тех случаях, когда слабая яркость изображения влечет за собой заметное отступление от закона взаимозаместимости. Это, в частности, имеет место в астрономии. В работе [2.67] содержатся рекомендации по обнаружению слабых сигналов, а также в случаях недостаточной экспозиции, сверхсенсибилизации и усиления скрытого изображения (латенсификации). Недавно Вэбкок и сотр. [3.32] представили работу по этому вопросу, а Дженкинс и Фарнелл рассмотрели возможные механизмы этих процессов.

Сверхсенсибилизация представляет собой особый процесс. Определенные вещества можно добавить в эмульсию вместе с сенсибилизатором. Их действие состоит в увеличении количества излучения, поглощаемого сенсибилизатором. Эти вещества также обеспечивают более эффективное образование скрытого изображения за счет повышения квантового выхода в спектрально сенсибилизированной области по сравнению с собственной областью. В работе Веста и Гилмана [3.161] рассматривается этот аспект увеличения чувствительности эмульсии.