Зеркальные оптические системы

Зеркала характеризуются отсутствием цветовой и малой сферической аберрации. Подобно линзам, они создают кому, дистор-сию и астигматизм. Как и в случае линз, эти явления, а также сферическую аберрацию можно свести при надлежащем конструировании к допустимому минимуму. Для этих целей часто используют корректирующие пластинки Шмидта. Так как зеркала при соответствующем покрытии не обнаруживают ни цветовой аберрации, ни существенного поглощения в ИК-области, они успешно используются в широкоапертурных системах в сочетании с небольшими линзами. Такая комбинация катоптрических и отражающих элементов называется диоптрической. Зеркало как передний элемент диоптрической системы имеет небольшой недостаток. Оно теряет часть своего основного вклада, потому что другие оптические элементы должны располагаться на одной оптической оси относительно входящего излучения. Хили [3.82] описал конструкцию диоптрических систем для диапазонов 1,2—2,8; 3,3—5,5 и 14—16 мкм.

Для зеркал, применяющихся в ИК-области, испытаны различные отражающие покрытия. Одна из проблем заключается в сведении к минимуму отражения видимого света без ухудшения коэффициента отражения ИК-излучения. Хасс с сотр. [3.76] описали зеркала с нанесенным алюминиевым покрытием и покрытиями, полученными методом напыления пленок окиси германия и кремния. Зеркала оказались эффективными в области свыше 1,2 мкм.

Более сложные покрытия расширяют область эффективной работы зеркала далеко за пределы 3 мкм. В некоторых приборах дистанционного зондирования, например радиометрах и датчиках изображения, свет не особенно мешает нормальной работе прибора, тогда как инфракрасная эмиссия самого зеркала может вызывать искажения. (Для фотографирования в ультрафиолетовых лучах используется флуоресцирующее стекло.)

Беннетт и Ашлей [3.40] экспериментировали с получением пленок из серебра и золота методом напыления. Они обнаружили высокий коэффициент отражения в области свыше 32 мкм и низкую лучеиспускательную способность. Хакфорз [2.80] посвятил раздел своей монографии обсуждению различных форм лабораторных инфракрасных зеркал.

Помимо точной лабораторной аппаратуры, даже обычное оборудование можно иногда усовершенствовать с помощью соответствующих покрытий. Например, рефлекторы инфракрасных софитов или электронных вспышек можно сделать более эффективными в ИК-диапазоне, если нанести на них покрытие из золота.

ФИЛЬТРЫ

Действие оптического фильтра можно рассматривать с двух точек зрения — с точки зрения длин волн, которые он пропускает, и с точки зрения длин волн, которые он поглощает или отражает. Многочисленные виды инфракрасного фотографирования предполагают работу с выделенным инфракрасным излучением в различных областях спектра. Любой нежелательный видимый свет или ИК-излучение должны либо поглощаться, либо отражаться, тогда как излучение с необходимыми длинами волн пропускается.

ИК-фотографирование обычно требует поглощения видимого света и пропускания инфракрасного излучения. В инфракрасной цветной фотографии необходима несколько особая фильтрация. Требуется поглотить синий свет, а иногда незначительно уменьшить интенсивность других цветов для достижения окончательного цветового баланса. Инфракрасное излучение пропускается полностью.

В многоспектральных методах фотографирования, рассмотренных в гл. 9, отдельные изображения в некоторых выделенных участках видимого и ультрафиолетового спектров сравниваются или сочетаются с инфракрасными изображениями. Это вызывает необходимость использования в аппаратуре различных фильтров. Имеются также детекторы, чувствительные в узких участках спектра. При надлежащем выборе они выполняют функции фильтра.

Характеристики

Назначение фильтра состоит в изменении падающего излучения таким образом, чтобы пропущенное излучение удовлетворяло целям фотографирования. «Контур» спектральной кривой фильтра указывает длину волны, при которой начинается или заканчивается заметное пропускание фильтром. Отсчет длин волн начинается с короткой длины волны. Однако отсутствует прямоугольная конфигурация спектральной характеристики фильтров, которую можно было бы специально разработать. Вид спектральной кривой пропускания или поглощения зависит от оптических характеристик используемого красителя, минерала или интерференционного слоя так же, как и от подложки из этих материалов. На рис. 3.3 представлены вырезанные участки спектральных кривых двух желатиновых фильтров, пропускающих инфракрасное излучение. Эти фильтры имеют относительно крутой передний фронт на данных участках спектральной кривой, однако быстрый переход от полного поглощения к пропусканию отсутствует. То же самое можно сказать и о полосовом интерференционном фильтре, спектральная кривая которого показана также на рис. 3.3. Отсутствие чрезвычайно крутых переднего и заднего фронтов не препятствует использованию этих фильтров. Однако при точной количественной оценке результатов необходимо принимать во внимание заводские характеристики пропускания. Формы спектральных кривых устанавливают различными способами. Шарф [3.136] пытался детально рассмотреть такие факторы, как критерии пропускания, крутизна и размеры фильтров. Изготовители указывают для фильтров их особые характеристики.

Некоторые фильтры обладают очень пологими границами пропускания. Они редко используются при ИК-фотографировании, за исключением немногих фильтров, компенсирующих цвет и используемых для выравнивания цветового баланса инфракрасных цветных диапозитивов. Часть спектральной кривой для фуксинового фильтра такого типа изображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Характерные кривые пропускания фильтров, используемых в ИК-фотографии.

Фильтры фирмы Kodak № 25 (красный) и № 87 (инфракрасный) представляют собой желатиновые фильтры с крутыми фронтами и спектральной характеристики для пропускания ИК-излучения, которое они начинают поглощать на длине волны около 25 мкм. Интерференционный ЙК-фильтр № 560 фирмы Kodak является полосовым фильтром. Цветной компенсационный фильтр СС50М имеет постоянный спад. Цветной фильтр фирмы Corning Glass является фильтром с крутой границей пропускания для выделения ИК-лучей из излучения источника, используемого для фотографирования ИК-люминесценции.

Для сине-зеленого стеклянного фильтра предусмотрено также и другое применение. Этот отрезающий фильтр поглощает инфракрасное излучение от источника, используемого при фотографировании инфракрасной люминесценции (гл. 2). Гибсон [2.99] нашел сине-зеленое стекло подходящим и эффективным для этой особой цели. Оно меньше «упускает» инфракрасное излучение, чем ранее применявшийся фильтр из водного раствора сульфата меди. Обычный 13%-ный раствор сульфата меди, помещенный в кювету со стороной 25,7 см из люсита толщиной 0,6 см, поглощает приблизительно на 10% больше света, чем стеклянный фильтр, и имеет более плавный задний фронт спектральной кривой в красной области с заметным протяжением в ИК-область.

Фильтры характеризуются двумя параметрами: процентом пропускания Т и оптической плотностью D

T = (I’/I)*100%; D = lg(I/T)

где I — падающее излучение (без потери на отражение) в определенном интервале длин волн; I' — излучение, прошедшее через среду.

При измерении коэффициента пропускания комбинации двух или более фильтров применяют закон Бугера — Ламберта. Он устанавливает, что общее спектральное пропускание является произведением пропусканий отдельных фильтров, взятых на бесконечно малом интервале длин волн.

Изготовители приводят параметры фильтра на основании лабораторных данных и указывают необходимое основное увеличение экспозиции по сравнению с той, которую следовало бы давать без применения фильтра. Параметры относятся ко всей области излучения, пропускаемого фильтром. Следовательно, их нельзя учитывать при некоторых многоспектральных применениях фильтров, описанных в гл. 9, так как в этих случаях оптические приборы часто работают в более узких областях, чем полоса пропускания фильтра. Кроме того, объекты обнаруживают различные свойства по отношению к излучению, тогда как стандартный лабораторный источник имеет постоянный спектральный состав излучения. Метод, принимающий во внимание эти факторы, обсуждается в разд. 3.4.

Классификация

В дополнение к специфическим характеристикам, прилагаемым к фильтрам в соответствии с их предназначением, фильтры в целом можно классифицировать по изменениям, которые они производят в спектре падающего излучения. Кривые на рис. 3.3 иллюстрируют те фильтры, которые пропускают коротковолновое излучение (9780), длинноволновое (25, 87), часть излучения в виде полосы (560). Компенсационные фильтры (СС50М) модулируют пропускание в чрезвычайно широкой спектральной области. Дихроические фильтры пропускают в двух отдельных областях. Имеются также фильтры нейтральной плотности, которые ослабляют лучистый поток по всем длинам волн одинаково; их применение обсуждается в гл. 7.

Фильтров различных классов слишком много, чтобы здесь перечислить их и подробно обсудить. Их использование объясняется в главах, посвященных применению ИК-фотографии. Шарф [3.136] составил список большинства имеющихся желатиновых, стеклянных, неорганических и пластмассовых фильтров и их фирм-изготовителей. Он также рассмотрел некоторые теоретические факторы, которые влияют на их использование.

Типичные фильтры перечисляются в гл. 2. Инфракрасные обрезающие дихроические фильтры (Kodak № 301 и 304) используются для уменьшения инфракрасного излучения при освещении в цветной печати и дублирования цветных слайдов соответственно. Фильтр № 301 используется также для визуального наблюдения за красной флуоресценцией хлорофилла.

Для обращения с инфрапленками используются светозащитные фильтры. Однако для высокочувствительных инфрапленок в настоящее время рекомендуется абсолютная темнота.

Обычно поляризационные фильтры малоэффективны для поляризации инфракрасного излучения. Однако в настоящее время фирма Polaroid Corp. выпускает специальные инфракрасные поляризационные фильтры. Эти фильтры используются при определенных фотографических, микрофотографических и фотометрических работах, а также входят в состав некоторого радиометрического оборудования и оборудования для дистанционного зондирования. Книга Шарклиффа [3.23] содержит главу, описывающую инфракрасные поляризационные фильтры, обладающие различными характеристиками.

Конструкция

Краситель или неорганическое вещество обеспечивают эффекты фильтрации при введении их в соответствующую среду, например желатин, с последующим помещением в камеру или в аппаратуру. Вообще красители, имеющие довольно крутой фронт спектральных характеристик, можно выбрать для фильтрации в близлежащих интервалах на всем протяжении видимой и ближней инфракрасной областей спектра. Подходящей средой для этого может быть желатин, а его слои из предосторожности помещают между стеклами. То же самое можно сказать и о характеристиках пропускания неорганических окислов, вводимых в расплавленное стекло для фильтров, за исключением того, что фронт их спектральных характеристик более пологий в инфракрасной области и его можно растянуть дальше поглощения красителей.

С целью повышения точности получаемых результатов, а также надежности в работе и устойчивости к изменениям температуры для больших аэрофотообъективов используются фильтры из оптически полированного стекла. Чтобы компенсировать кэширование, вызываемое объективом, некоторые фильтры имеют градиентную плотность (очень большую в центре и наименьшую на периферии).

Фильтры для спектральных и чувствительных к инфракрасному излучению приборов можно выполнить из минералов, таких, как кремний, германий, теллурид кадмия (иртан-6), и из мышьяко-висто-селенового стекла. В работе [3.7] детально обсуждаются характеристики и способы обращения с такими материалами.

Иногда для специальных целей используются жидкие фильтры. Например, 50%-ный водный раствор сульфата никеля, используемый в сочетании с темно-красным фильтром, позволяет получить узкую полоску слабой интенсивности при 860 нм. Вода имеет резко выраженное пропускание при 1050 нм, однако затем поглощает при 1400 нм. Эту особенность необходимо принимать во внимание при работе с водными растворами. Следует учитывать и стеклянные стенки фильтра. Например, стекло, используемое в фотографических пластинках фирмы Kodak, начинает сильно поглощать при 2,8 мкм и становится совершенно непрозрачным выше 4,5 мкм. Джонс [3.97] разработал ряд сочетаний фильтров, пригодных для пропускания относительно узких спектральных областей в инфракрасном диапазоне. Такие сочетания использовали в биологических экспериментах Джонс [3.96], а также Джонс и Тутл [2.107].

Пфунд [3.127] обнаружил, что насыщенный раствор иода в четыреххлористом углероде очень сильно поглощает видимое излучение, однако свободно пропускает инфракрасное излучение с крутым фронтом спектральной кривой при 800 нм. Он также обратил внимание на прозрачность водного ванадилсульфата в ближней инфракрасной области. Когда такая ячейка объединяется со стеклом Corning Signal Red, которое поглощает синюю и зеленую линии, пропускаемые раствором, образуется фильтр, через который нельзя увидеть диск солнца, однако излучение в ближней инфракрасной области пропускается свободно.

Фильтром, работающим на ином принципе, является порошковый фильтр Христиансена [3.34, 3.54]. Он состоит из мелко размолотого прозрачного кристаллического порошка, суспендированного в прозрачной среде, имеющей показатель преломления, обычно отличный от показателя преломления порошка. Если показатели преломления порошка и среды на данной длине волны становятся равными, излучение такой длины волны будет пропускаться, тогда как излучение других длин волн будет рассеиваться. Если длина волны равных показателей преломления оказывается в спектральной области видимого света, то свет, пропускаемый фильтром, будет иметь соответствующий цвет. Непосредственно пропускаемый луч окружен рассеянной дымкой дополнительного цвета, что препятствует его использованию при получении изображения. Для соответствующих материалов фильтра и задаваемой температуры длину волны излучения, пропускаемого нерассеянным, можно получить в любой части спектра от УФ- до ИК-диапазона. Длина волны излучения, пропускаемого фильтром Христиан-сена, зависит от температуры, поскольку показатели преломления жидкости и порошка изменяются с температурой неодинаково. Поэтому температуру используемого фильтра необходимо регулировать с помощью термостата. Используются также фильтры с сухим порошком. Генри совсем недавно опубликовал статью [3.78] на эту тему.

Кроме желатины и стекла, фильтрующие вещества можно также ввести в пластинки из пластмассы. Примером такого фильтра является поляризационный фильтр фирмы Polaroid. Шенк с сотр. [3.138] объяснили образование модифицированной мочевины и формальдегидов меланина присоединением азокрасителей. Такие фильтры весьма стойки к нагреванию и могут устанавливаться на горячих источниках излучения. Блоут с сотр. [3.44] описали поведение слоев поливинала, пропитанных соответствующими красителями и помещенных между стеклами.

Некоторые полированные кристаллы и минералы проявляют селективное зеркальное отражение в длинноволновой инфракрасной области — так называемый эффект вторичных или остаточных лучей. Они ведут себя подобно отражающим фильтрам. Шарф [3.136] составил перечень типичных материалов и длин волн, на которых их коэффициент пропускания очень резко возрастает, а максимальный коэффициент отражения уменьшается вдвое. К ним относятся плавленый кварц (8,5 мкм), сапфир (11 мкм), иртран (1,16 мкм), фторид лития (17 мкм), фторид натрия (36 мкм), хлорид натрия (52 мкм). Эти материалы пропускают излучение в диапазонах, в которых они его не отражают.

Разновидностью все чаще используемого фильтра является интерференционный фильтр. Фильтрующее действие вызывает интерференция между излучениями, падающим и отраженным от подложки и нанесенных покрытий, представляющих собой тонкие диэлектрические слои. Изменяя состав и толщину слоев, можно конструировать фильтры с широкими пределами характеристик отражения и пропускания. Подложка должна пропускать необходимые длины волн излучения. По этой причине интерференционные фильтры фирмы Kodak (рис. 3.3) покрыты слоем иртрана [3.8].

Все многослойные диэлектрические фильтры обнаруживают сдвиг длин волн в более короткую область, когда угол падающего излучения увеличивается. Экстремальные изменения температуры также служат причиной смещений длин волн. При конструирова нии приборов необходимо учитывать эти факторы. Баумайстер [3.37] посвятил обширную главу всем аспектам интерференционных фильтров и покрытий. См. также работы [2.69, 2.70, 10.10— 10.12].

Интерференционные фильтры выпускаются главным образом для того, чтобы обеспечить узкополосное пропускание во многих типах оптических приборов. Они используются также для контроля тепла ламп и осветительных систем. Фирма Bausch and Lomb Inc. выпускает интерференционные фильтры для микрофотографии. По вопросам выпуска и областям использования фильтров можно связаться с фирмами Photovolt Corp., Baird Atomic и Barr and Stround Ltd.

ПЛЕНКИ И ПЛАСТИНКИ

Невозможно углубляться в подробности характеристик каждой эмульсии, чувствительной к ИК-излучению, поскольку фоточувствительные материалы периодически улучшаются. Все эти данные имеются у фирм-изготовителей. Поскольку некоторые основные свойства фотоматериалов определяют главным образом области их применения и получаемые результаты, важно хорошо знать их. К этим свойствам относятся физическая структура изображений, определяющая разрешение, сенситометрические и технологические характеристики, от которых зависит степень интенсивности окраски фотографии, и спектральная чувствительность, задающая режим отражения, пропускания и эмиссии фотографируемого объекта.

Факторы четкости

Фотографический объект состоит из мельчайших деталей, расположенных в виде площадок и линий. Они в свою очередь образуют детали все большего и большего порядка. Объекты различаются по разнице в интенсивности излучения и его спектральным: характеристикам. Основная функция фотографирования заключается в получении изображения объекта в виде оттенков и цветов, несущих информацию, а также в обеспечении необходимого для; данного исследования разрешения. Первое решение, которое должен принять фотограф, заключается в выборе системы, подходящей для фотографирования деталей в определенном порядке — от леса до деревьев, от деревьев до листьев, от листа до его жилок или от туловища пациента до рисунка вен, от участка ткани до капилляра. Масштаб фотографии не может быть произвольным, поскольку в отличие от объекта фотография не может приближаться к оригиналу настолько, чтобы путем увеличения открывать бесконечные подробности детали. На аэрофотографии леса невозможно увидеть листву даже в микроскоп. Чтобы выполнить это, необходима фотография большего масштаба.

Ограничения в получении качественных фотографий налагаются оптическими свойствами излучения и структурой проявленной эмульсии. Поэтому, если исходить только из характеристик эмульсии, то следует применять объектив отличного качества и обладать хорошим зрением.

Разрешающая способность. Имеется два общепризнанных подхода, которые указывают на способность проявленной пленки или пластинки фиксировать мелкую деталь. Первый подход основан на разрешающей способности, т. е. способности разделять близлежащие полосы стандартной тест-таблицы, используемой в качестве фотографического объекта. В такой таблице светотонированные полосы изображаются на темном фоне. Контраст между полосой и фоном точно определен отношением 1,6: 1 для низкой контрастности и 1000: 1 для высокой контрастности.

Значения разрешающей способности очень полезны для качественного сравнения эмульсий, однако разрешение, которое предлагают таблицы, не вполне соответствует подлинному разделению деталей на фотографии. Имеется несколько причин этого несоответствия. Линии на объектах редко располагаются равномерно через одинаковые промежутки или одинаково группируются по ширине. Контрастность по краям в различных частях объекта различна и редко соответствует постоянной контрастности тест-таблиц. Небольшие участки между краями могут различаться по оттенкам. Объективы, используемые в фотографии, не используются для определения разрешающей способности. Объектив, сфокусированный на максимальное разрешение на участках, которые близки по форме к участкам тест-таблицы, не обязательно обеспечивает максимальную резкость в остальной части изображения. Колебание камеры или движение изображения, например при аэрофотосъемке, снижает качество работы.

Передача модуляции. Более реальный способ оценки ожидаемой резкости изображения осуществляется при помощи функции передачи модуляции [2.67]. Он позволяет измерять размывающие эффекты рассеяния света на эмульсии и краевой эффект обработки (Нельсон [3.125]). Функцию эмульсии можно умножить на подобные же функции объектива с учетом движения для определения окончательной эффективности всей системы. При этом используется Фурье-анализ (Веландер [3.160]).

Функция передачи модуляции эмульсии измеряется путем экспонирования на ней образца при синусоидальном изменении освещенности в одном направлении. На рис. 3.4 представлено негативное изображение такого образца. Из рисунка следует, что промежутки между градациями все время уменьшаются, а их пространственная частота указывается в единицах Гц/мм. Только видимые ширины наиболее хорошо записанных модуляций будут довольно близко соответствовать мельчайшим деталям, которые можно выделить на изображении объекта.

Рис. 3.4. Негатив изображения передачи модуляции (вверху) и запись микроденситометра, полученная на основе негатива (внизу).

Чем больше разделение деталей на изображении, тем лучше передача модуляции. Также можно было бы качественно, а не количественно оценить элемент полосатой тест-таблицы. На рис. 3.4 представлено записанное микроденситометром изменение в передаче модуляции. Кривая на рис. 3.5 представляет собой типичную функцию. Значение разрешающей способности нельзя численно связать с частотами переноса модуляции. Различие между двумя типами данных можно оценить только в том случае, если бы разрешающую способность можно было представить на рис. 3.5 одной точкой.

Пониманию процесса передачи модуляции помогает анализ этих рисунков с другой точки зрения. Каждый элемент синусоидальной модуляции в тест-образце имеет максимальный и минимальный уровни освещенности, которые переносятся на пленку. При хорошей чувствительности эмульсии и условии, что она обеспечивает сенситометрическое воспроизведение объекта в отношении 1:1, такая же синусоидальная освещенность была бы пропущена освещенным негативом, но со смещением на полдлины волны. Однако рассеяние и другие факторы, создающие размывание в эмульсии, уменьшают фактическую амплитуду модуляции, увеличивая освещенность при минимуме и уменьшая ее при максимуме амплитуды. Чем выше частота колебания (чем уже интервалы между пиками), тем резче проявляется этот отрицательный эффект, который регистрируется микроденситометром и количественно определяется по характеристической кривой.

Рис. 3.5. Кривая передачи 1модуляции для высокочувствительной инфрапленки 4143 (на толстой основе Estar) фирмы Kodak.

Используется лампа с вольфрамовой нитью, фильтр № 25 типа Kodak Wratten и фильтр 3966 фирмы Corning Glass. Проявитель D -76 фирмы Kodak, время проявления 8 мин при температуре 20 °С.

Острота зрения. Следовало бы упомянуть, что острота зрения уже рассматривалась как альтернатива разрешающей способности. Концепция имела многие недостатки, так как в основу был положен критерий полосатой тест-таблицы. Однако из-за того, что предложенная концепция учитывала дифракцию и другие краевые эффекты, понятие «острота зрения» обеспечило более реальное восприятие действительных фактов, а также послужило переходным звеном к концепции передачи модуляции.

Зернистость. Проявленный фотографический слой не однороден и состоит из разрозненных частиц серебра, как показано на рис. 3.6. Такая зернистость, а также другие эффекты и являются причинами ограничений в резкости изображения.

Зернистость является объективной мерой субъективной визуальной оценки дискретного строения, когда изображение рассматривается в 12-кратную лупу. Она представляет собой статистическую оценку, основанную на данных микроденситометра. Хотя зернистость и не имеет прямого отношения к критериям резкости изображения, она является характеристикой качества эмульсии. Когда обязательна четкость изображения, необходимо использовать пленки небольшой зернистости и соответственно их обрабатывать. Передержка и превышение необходимого времени проявления приводят к возрастанию зернистости. Так как эмульсии, чувствительные к ИК-излучению, частично более зернистые, чем многие другие эмульсии, необходимо соблюдать особую осторожность при их использовании, особенно при получении изображений небольшого масштаба при аэрофотосъемке.

Рис. 3.6. Непроявленные и проявленные кристаллы в фотоэмульсии.

а — микрофотография типичных кристаллов галлоидного серебра высокочувствительной эмульсии; б — те же кристаллы после экспонирования и проявления; в — микрофотография проявленного зерна, полученная с помощью электронного микроскопа, на которой видна волокнистая структура, обнаруживаемая только при очень большом увеличении.

Рис. 3.7. Имитация негативного изображения белой линии на черном фоне.

Ширина линий соответствует уменьшению увеличения. Размер зерен поддерживается постоянным

Субъективное воздействие дискретного строения на четкость изображения можно оценить по рис. 3.7. Рисунок представляет собой негативное изображение белой линии на черном фоне, фотографируемой в различных масштабах. Когда увеличение линии в камере достаточно для воздействия на широкий ряд кристаллов фотографического слоя или линия достаточно широка, чтобы заполнить ряд кристаллов, плотность изображения проявленной линии высока. Это делает линию контрастной. Когда ширина линии уменьшается, реакция недостаточна, чтобы создать заполненный ряд проявленных зерен; действительная визуальная контрастность вдоль линии ухудшается.

Эффект зернения можно заметить, изучая рис. 3.7 при все больших расстояниях до тех пор, пока негатив перестанет быть различим невооруженным глазом. Прерывистая зернистость становится все светлее и светлее и начинает сливаться с фоном. Однако даже в таком случае тонкую сплошную линию, которая воспроизводит изображение на пленке очень низкой зернистости, еще можно увидеть на краю справа. В существующих объектах контрастность между элементом линии и его окружением часто меньше контрастности, представленной на этом рисунке, и поэтому линия исчезла бы еще раньше.

Воздействие эффективного уровня излучения на кристаллы галоида серебра приводит к образованию на многих из них центров изображения; в этом случае кристаллы более склонны при проявлении к превращению в нити серебра. Обычно более крупные кристаллы требуют меньшей экспозиции. Недодержка вызывает появление центров изображения только в больших по размеру зернах. Цвик [3.171] нашел, что зернистость обратно пропорциональна квадратному корню из числа центров изображения.

Сенситометрические свойства

Тоновые оттенки, ожидаемые на фотоснимке, можно оценить по сенситометрическим кривым и по ним получить значение светочувствительности пленки. Такие кривые (рис. 3.8) показывают чувствительность эмульсии в единицах проявленной плотности в зависимости от логарифмически возрастающего облучения. Световая экспозиция выражается в единицах м-кд-с для панхроматических пленок и в единицах эрг/см2 для инфракрасных материалов.

Крутизна кривых возрастает при увеличении времени проявления. Эта взаимосвязь показана отдельной кривой на рис. 3.8. Такие кривые проявления построены в ординате времени. Необходимо отметить, что в инструкциях по обработке пленки часто указывается скорость машинной обработки пленки. Таким образом, время проявления контролируется скоростью движения пленки.

Рис. 3.8. Характеристические кривые высокочувствительной инфрапленки 4143 (на толстой основе Estar) фирмы Kodak.

Используется лампа с вольфрамовой нитью, фильтр № 25+1,0 типа Wratten; нейтральная плотность проинтегрирована в диапазоне 580—900 нм; экспозиция 1 с; проявитель D -76 фирмы Kodak, при температуре 20 °С.

 

При надлежащим образом выбранных экспозиции, времени и температуре обработки зависимость яркости объекта на пленке от освещенности при фотографировании можно представить соответствующей кривой. Чем круче кривая, тем лучше контрастность изображения, так как необходимый диапазон плотности достигается при меньшей экспозиции. Оттенки на фотографии получаются методом расширения, когда крутизна кривой превышает 45°. Следовательно, определение крутизны играет большую роль в фотографии.

В нижней левой части рисунка кривые образуют так называемую область «носка», где крутизна увеличивается постепенно. В верхней правой части находится так называемая область «плеча», в которой чувствительность пленки начинает уменьшаться. Между этими участками находится прямолинейная область. Для пленок, обладающих большой чувствительностью в прямолинейной области, коэффициент контрастности является исторически сложившейся мерой измерения контрастности негатива. Этот параметр все еще используется в аэрофотографии, когда диапазон освещенности объекта попадает в прямолинейную область. Многие современные эмульсии характеризуются продленной, но полезной областью «носка». Для таких эмульсий индекс контрастности является лучшим показателем качества негативов. На рис. 3.9 представлена геометрия двух критериев. В основном эмульсии, чувствительные к ИК-излучению, довольно быстро достигают области «плеча», поэтому необходимо избегать передержки при достижении наилучшей контрастности ярко освещенных участков, например вершины цитрусового дерева. Однако, когда важны темные детали, например рисунок вен у пациента, недодержка недопустима. Даже в этом случае экспозиция не должна быть настолько большой, чтобы сдвинуть изображение тончайших сосудов в область «плеча» кривой.

Фотографическая широта. Этот фактор определяется протяженностью линейного участка сенситометрической кривой, когда плотность света (ордината) от объекта с данным диапазоном яркости (абсцисса) в действительности располагается против участка кривой где-нибудь между областями «носка» и «плеча».

 

Рис. 3.9. Геометрия критериев коэффициента контрастности «гамма» и «индекса контрастности» для фотоэмульсий.

Пленки для тоновой фотографии обладают таким наклоном данной кривой, что используемые области между «носком» и «плечом» при проецировании на абсциссу заключают в себя диапазон логарифмической экспозиции намного больше, чем диапазон значений освещенности большинства объектов, т. е. примерно в отношении 150:1 при съемках на открытом воздухе и солнечном освещении. Этот диапазон частично сокращается из-за отблеска линз и дымки.

Отпечаток, сделанный с негатива, не имеет такой широты из-за сложных взаимосвязей, возникающих в процессе воспроизводства оттенков (Мис с сотр. [1.8], Джеймс [3.12]). Имеется лишь одна хорошая экспозиция для отпечатка, который будет рассматриваться при определенном уровне освещения. Глянцевый отпечаток в лучшем случае имеет коэффициент отражения около 50. Оттенки искажаются частично из-за влияния областей «носка» и «плеча» на эмульсию отпечатка. Качество отпечатка определяется субъективно. Диапозитивные материалы обладают большей широтой экспозиции, чем бумага для печати, однако все-таки уступают тоновым негативным материалам. Широта экспозиции инфрапленки Kodak Ektachrome составляет около ±¹/₂ диафрагмы.

Значения чувствительности. Как видно из характеристических кривых, заданные значения оптической плотности достигаются при меньшей экспозиции у пленок, проявленных в течение относительно долгого времени, чем у пленок с меньшим временем проявления. Устанавливаемые значения чувствительности рассчитаны по точке чувствительности на кривой необходимого контраста, которая обычно соответствует некоторому подходящему уровню оптической плотности для данного типа объекта. С другой стороны, более общие значения чувствительности по шкале ASA несколько отличаются и определяются по методике, изложенной в ANSI Standart РН 2.5—1972. Подробности обоих методов определения чувствительности приведены в работе [2.67].

Поскольку экспонометры не слишком чувствительны к ИК-лу-чам, они не используются для определения интенсивности излучения в этой области. Создавать специальный радиометрический экспонометр для такой цели невыгодно. Кроме того, такой прибор не получил бы широкого применения, так как относительные значения экспозиций, полученные с помощью обычных экспонометров, можно достаточно успешно использовать для инфрапленок. Эти относительные значения экспозиций определяются изготовителем пленок эмпирически путем сравнения с экспозициями, при которых получаются хорошие панхроматические негативы. Такая корреляция очень удобна для вольфрамовых ламп, поскольку для них известно отношение доли видимого излучения к инфракрасному. Такое отношение для дневного света является переменной величиной, зависящей от времени года, суток, облачности и окружающих условий. При определении надлежащей экспозиции можно исходить из имеющегося опыта и пробных экспозиций, сделанных с использованием опубликованных относительных значений.

Эффект взаимозаместимости. Закон взаимозаместимости, установленный Бунзеном и Роско для фотохимических реакций, гласит, что результат такой реакции зависит только от общего количества участвующей в реакции энергии, т. е. от произведения значений интенсивности излучения и времени экспозиции. Однако это неверно для фотоматериалов. Плотность, полученная при данной, экспозиции, зависит и от интенсивности излучения, и от времени экспозиции [3.12].

При длительных экспозициях в условиях слабой освещенности, что, например, имеет место в астрономии и при фотографировании инфракрасной люминесценции, отклонение от закона взаимозаместимости требует значительной компенсации экспозиции. В другом крайнем случае эмульсии становятся менее чувствительными при; применении мощных световых вспышек кратковременного действия. Эту особенность следует принимать во внимание при фотографировании с помощью электронных вспышек и лазеров. Кривые взаимозаместимости опубликованы фирмами-изготовителями.

Имеются некоторые другие эффекты, подобные эффекту взаимозаместимости и которые следует учитывать в особых случаях. К ним относятся эффекты Клайдена, Вилларда и эффект прерывистости [2.67, 3.12]. Последний эффект особенно важен в инфракрасных абсорбционных спектрофотометрах, в которых используются прерыватели луча.