Московский государственный университет печати

Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В.


         

ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ

Учебник для вузов


Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В.
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Введение

2.

Общие свойства излучений и их преобразование

2.1.

Энергетические и световые характеристики оптического излучения

2.1.1.

Природа и свойства излучений

2.1.2.

Оптическая область спектра излучения

2.1.3.

Основные энергетические и световые (фотометрические) величины

2.2.

Источники излучения

2.2.1.

Типы источников излучения. Принципы их классификации

2.2.2.

Точечные и линейные источники излучения

2.2.3.

Симметричные и несимметричные источники излучения

2.2.4.

Источники с различным спектральным распределением энергии

2.2.4.1.

Тепловые источники излучения

2.2.4.2.

Газоразрядные источники

2.2.4.3.

Источники излучения на основе явления люминесценции

2.2.4.4.

Оптические квантовые генераторы (лазеры)

2.3.

Преобразование излучений оптическими средами

2.3.1.

Понятие об оптической среде

2.3.2.

Преобразование оптическими средами мощности излучения и его спектрального состава

2.3.2.1.

Оптические и световые коэффициенты

2.3.2.2.

Оптическая плотность

2.3.3.

Закон Бугера-Ламберта-Бэра

2.3.4.

Изменение пространственного распределения излучения при взаимодействии с оптической средой

2.3.4.1.

Преломление и отражение света на границе двух оптических сред

2.3.4.2.

Рассеяние света оптическими средами

3.

Приемники излучения. Их взаимодействие с излучением

3.1.

Общие сведения о приемниках излучения и их взаимодействии с излучением

3.1.1.

Понятие о приемнике излучения

3.1.2.

Понятие об эффективном потоке и спектральной чувствительности приемника

3.1.3.

Фотоактиничный поток

3.1.4.

Эффективные оптические коэффициенты. Копировальная плотность

3.2.

Глаз как приемник излучения. Закон Вебера-Фехнера

3.2.1.

Строение и работа глаза. Формирование оптического изображения на сетчатке глаза

3.2.2.

Контрастная чувствительность глаза. Закон Вебера-Фехнера

3.2.3.

Адаптация при восприятии яркостей. Спектральная чувствительность глаза

3.3.

Взаимодействие оптического излучения со светочувствительными материалами

3.3.1.

Типы светочувствительных материалов

3.3.2.

Фотографическое действие оптического излучения

3.4.

Фотографическое воспроизведение объектов на примере галогенидосеребряных фотоматериалов

3.4.1.

Галогенидосеребряныефотоматериалы как приемники оптического излучения

3.4.1.1.

Строение и состав галогенидосеребряных светочувствительных материалов

3.4.1.2.

Получение изображений на галогенидосеребряных фотографических материалах

3.4.1.3.

Основные представления о химико-фотографической обработке галогенидосеребряных материалов

3.4.2.

Фотографические свойства галогенидосеребряных фотоматериалов

3.4.3.

Факторы, влияющие на форму и положение характеристической кривой

3.4.3.1.

Типы фотоматериалов

3.4.3.2.

Влияние спектрального состава излучения на характеристическую кривую и светочувствительность фотографического материала

3.4.3.3.

Влияние уровня освещенности. Явление невзаимозаместимости освещенности и времени экспонирования

3.4.3.4.

Влияние химико-фотографической обработки на характеристическую кривую и сенситометрические параметры фотоматериала

3.4.4.

Воспроизведение градации объекта в изображении

3.4.4.1.

Градационные свойства объекта и изображения

3.4.4.2.

Типы градационной передачи

3.4.4.3.

Формирование градации изображения. Стадии градационного процесса

3.4.4.4.

Расчет градационного процесса с помощью системы градационных графиков. Управление градационным процессом

4.

Основы метрологии светочувствительных материалов

4.1.

Интегральная сенситометрия

4.1.1.

Общие сведения об интегральной сенситометрии

4.1.2.

Сенситометрическое экспонирование

4.1.3.

Сенситометрическое проявление

4.1.4.

Получение семейства характеристических кривых. Определение сенситометрических параметров фотографического материала

4.2.

Спектральная сенситометрия

4.2.1.

Понятие о кривой спектральной чувствительности

4.2.2.

Методика получения кривой спектральной чувствительности

4.2.2.1.

Получение спектросенситограммы

4.2.2.2.

Получение кривой спектральной чувствительности

4.3.

Структурометрия

4.3.1.

Общие сведения о воспроизведении мелких деталей

4.3.2.

Рассеяние света в эмульсионном слое

4.3.2.1.

Ореолы рассеяния

4.3.2.2.

Пограничная кривая и визуальная резкость изображения

4.3.2.3.

Функция передачи модуляции

4.3.3.

Ореолы отражения. Определение коэффициента противоореольности

4.3.4.

Зернистость и гранулярность изображения

4.3.5.

Разрешающая способность

5.

Основы учения о цвете: природа и психология цвета

5.1.

Основные понятия и определения

5.1.1.

Определение понятия "цвет"

5.1.2.

Спектральные цвета

5.1.3.

Явления метамерности

5.1.4.

Природа цветового ощущения

5.1.5.

Механизм цветовосприятия (упрощенный)

5.1.6.

Зрительный аппарат и цветное зрение

5.1.7.

Световая и спектральная чувствительность глаза

5.1.8.

Механизмы зрительного процесса. Адаптация. Инерция

5.1.9.

Основы теории цветового зрения

5.1.10.

Психологическая и психофизическая характеристики цвета

5.1.11.

Действие сложных излучений на сетчатку глаза

5.1.12.

Психология восприятия цвета

5.1.13.

Восприятие цвета при различных уровнях яркости

5.1.14.

Непрямые раздражения. Расстройства цветового зрения

5.2.

Синтез цвета. Методы образования цвета

5.2.1.

Синтез цвета

5.2.2.

Аддитивный синтез цвета

5.2.3.

Основные цвета аддитивной смеси

5.2.4.

Способы аддитивного сложения цветов

5.2.5.

Схема аддитивного синтеза цвета

5.2.6.

Цветовое уравнение, его анализ

5.2.7.

Цветность и ее выражение

5.2.8.

Основные законы аддитивного синтеза

5.2.9.

Субтрактивный синтез цвета

5.2.10.

Формы кривых поглощения идеальных и реальных красок

5.2.11.

Субтрактивный синтез идеальными красками в проходящем и отраженном свете

5.2.12.

Уравнение субтрактивного синтеза

5.2.13.

Особенность автотипного синтеза

6.

Представление цвета

6.1.

Цветовое пространство

6.1.1.

Общие сведения о цветовом пространстве

6.1.2.

Цветовой охват. Цветовое тело

6.1.3.

Определение цвета как векторной величины

6.2.

Системы спецификации

6.2.1.

Визуальные методы описания цветов по эталонным образцам

6.2.2.

Принципы построения цветового пространства систем спецификации

6.2.3.

Систематизация систем спецификации

6.2.4.

Пигмент-смесь

6.2.5.

Цвет-смесь

6.2.6.

Цвет-восприятие

7.

Колориметрические системы

7.1.

Основные колориметрические системы

7.1.1.

Принципы измерения цвета

7.1.2.

Основы построения колориметрических систем

7.1.3.

Основная физиологическая система КЗС

7.1.4.

Основы колориметрической системы (CIERGB)

7.1.5.

Основы стандартной колориметрической системы XYZ (CIEXYZ)

7.1.5.1.

Кривые сложения <?xml version="1.0"?>
. Диаграмма цветности ху

7.1.5.2.

Определение характеристик цвета по диаграмме ху

7.1.6.

Переход от координат одной колориметрической системы к координатам другой

7.1.7.

Расчет координат цветов излучений произвольной мощности и несамосветящихся тел

7.1.8.

Стандартные излучения и источники света

7.1.9.

Расчет характеристик цвета по спектральным кривым общим методом и методом избранных ординат

7.2.

Измерение малых цветовых различий

7.2.1.

Высшая метрика цвета

7.2.2.

Пороговые эллипсы. Понятие о порогах цветразличения

7.2.3.

Развитие равноконтрастных колориметрических систем МКО (CIE)

7.2.4.

Равноконтрастная система CIE-76

8.

Практические аспекты применения цвета

8.1.

Приборы для измерения цвета

8.1.1.

Условия рассматривания

8.1.2.

Классификация способов измерения цвета

8.1.3.

Цветные денситометры, особенности измерения цветовых величин

8.1.4.

Общая схема условий освещения и наблюдения в колориметрии

8.1.5.

Спектрофотометры, спектроколориметры, колориметры

8.2.

Стадии процесса цветовоспроизведения. Их сущность

8.3.

Основные принципы дубликационной теории

8.4.

Общие сведения о цветной фотографии. Цветные фотографические материалы. Их строение. Получение изображения на цветных фотоматериалах

9.

Библиографический список

Указатели
176   указатель иллюстраций
Рис. 2.1. Явления, возникающие при поглощении оптического излучения средой или физическим телом Рис. 2.2. К расчету актиничности излучения: 1 - источник излучения, 2- оригинал, 3 -оптическая среда, 4 - светочувствительный материал Рис. 2.3, а. К выбору источника света для копировального процесса: а - спектральная кривая излучения металлогалогенной лампы Рис. 2.3, б. К выбору источника света для копировального процесса: б - спектральная чувствительность позитивного копировального слоя Рис. 2.4. Горизонтальное сечение глаза Рис. 2.5. Строение сетчатки глаза (по Сентьяго, Рамон-и-Кахалу): I - слой сетчатки, содержащий светочувствительные рецепторы (а - палочки, б - колбочки); II - слой сетчатки, содержащий биполярные (в), горизонтальные (г) и амакриновые (д) клетки; III - слой, содержащий ганглиозные клетки (в) Рис. 2.6. Светочувствительные рецепторы: а - колбочка, б - палочка Рис. 2.7. Передача импульса от одной клетки к другой: 1 - ядро клетки, 2 - клеточная мембрана, 3 - аксон, 4 - дендриты, 5 - синапс Рис. 2.8. Реакции ганглиозных клеток (по Куффлеру): а - с on-центром, т.е. клетки, реагирующей на светлое пятно; б - с off-центром, т.е. клетки, реагирующей на темное пятно; 1 - состояние покоя (стимула нет), 2 - реакция на небольшое пятно, покрывающее только центр рецептивного поля, 3 - реакция на большое пятно, покрывающее центр и периферию рецептивного поля, 4 - реакция на кольцо, покрывающее только периферию поля Рис. 2.9. Кривые Лаури Рис. 2.10. Кривые относительной спектральной световой эффективности: 1 - для глаза, адаптированного к дневным яркостям при двухградусном поле зрения; 2 - для глаза, адаптированного к ночным яркостям; 3 - для глаза, адаптированного к дневным яркостям при десятиградусном поле зрения Рис. 2.11. Получение пленочного изображения на негативном копировальном слое: 1 - копировальный слой; 2 - формная основа; 3 - оптическое излучение; 4 - сшитые светом участки копировального слоя; 5 - пленочное изображение Рис. 2.12. Стадии электрофотографического процесса: I - зарядка поверхности фоторецептора; II - оптическая запись изображения; III - проявление скрытого электростатического изображения заряженным порошком тонера; IV - перенос тонерного изображения на бумагу; V - закрепление тонерного изображения; VI - очистка фоторецептора; 1 - фотопроводящий слой; 2 - заземленная подложка фоторецептора; 3 - поверхностный заряд; 4 - оптическое излучение; 5 - скрытое электростатическое изображение; 6 - тонерное изображение; 7 - бумага с перенесенным на нее тонерным изображением 8; 9 - оплавленное тонерное изображение на готовой копии Рис. 2.13. Характеристические кривые фотографических материалов Рис. 2.14. Характеристическая кривая негативного копировального слоя Рис. 2.15. Кривые спектральной чувствительности ортохроматической фототехнической пленки (1) и копировального слоя (2) Рис. 2.16. Строение светочувствительного галогенидосеребряного фотографического материала Рис. 2.17. Характерные формы эмульсионных микрокристаллов Рис. 2.18. Расположение узлов в кристаллической решетке галогенида серебра. Зачерненными кружками обозначены узлы, занимаемые ионами серебра, светлыми - ионами галогенида Рис. 2.19. К получению характеристической кривой фотографического материала: a - экспонирование материала под шкалой-оригиналом; б - копия шкалы (негатив) Рис. 2.20. Типичная характеристическая кривая фотографического материала. Ее участки и особые точки Рис. 2.21. Характеристическая кривая фотографического материала и кривая градиентов характеристической кривой Рис. 2.22. К определению понятия 'светочувствительность фотографического материала' Рис. 2.23. Определение по прямолинейному участку характеристической кривой коэффициента контрастности и фотографической широты L Рис. 2.24. Полезная часть характеристической кривой Рис. 2.25. Кривые спектральной чувствительности галогенидосеребряных фотоматериалов: 1 - несенсибилизированного; 2 - ортохроматического; 3 - изопанхроматического; 4 - панхроматического Рис. 2.26. Взаимное положение характеристических кривых галогенидосеребряных фотоматериалов при использовании излучений с цветовыми температурами - 2850 К (1) и 10000 К (2): а - материал изопанхроматический, б - ортохроматический, в - несенсибилизированный Рис. 2.27. Зависимость оптической плотности изображения D от логарифма освещенности при постоянной экспозиции: 1 - закон взаимозаместимости не соблюдается; 2 - соблюдается Рис. 2.28 Рис. 2.29 Рис. 2.30 Рис. 2.31. Кривые кинетики проявления участков, получивших различные экспозиции (Н2 больше H1), и кривая кинетики проявления вуали (Н = 0) Рис. 2.32. Семейство характеристических кривых, полученных при различных временах проявления Рис. 2.33 Рис. 2.34. Типы градационных графиков при линейной градационной передаче: а - коэффициент контрастности воспроизведения равен 1,0 (график 1 построен для точного воспроизведения, график 2 - для плотности изображения, большей плотности оригинала); б - коэффициент контрастности воспроизведения равен единице (график 1) и отличен от нее (график 2- контрастная передача, 3 - мягкая) Рис. 2.35. Примеры нелинейной градационной передачи Рис. 2.36. Градационные графики процесса получения оптического изображения для контактной (1) и проекционной (2) съемки Рис. 2.37. К расчету выдержки по характеристической кривой фотоматериала Рис. 2.38. Расчет градационной кривой процесса получения негатива с использованием системы градационных графиков Джонса: 1 - градационный график оптического изображения; 2 - экспозиционная прямая; 3 - характеристическая кривая фотоматериала; 4 - градационная кривая негативного процесса Рис. 2.39. Получение градационного графика негативного процесса с использованием цепи градационных графиков Рис. 2.40. Общая цепь градационных графиков репродукционного процесса (получение позитивного изображения оригинала с использованием фотографического процесса)

Оптическое излучение обладает высокой энергией и поэтому воздействует на многие вещества и физические тела.

В результате поглощения света в средах и телах возникает целый ряд явлений, схематически представленных на рис. 2.1 Рис. 2.1. Явления, возникающие при поглощении оптического излучения средой или физическим телом.

Явления, перечисленные в схеме рис. 2.1, приводят к качественному преобразованию поглощенной энергии и к изменению свойств материалов и тел. При этом могут происходить следующие процессы.

• Тело, поглотившее излучение, само начинает излучать. При этом вторичное излучение может иметь другой спектральный диапазон, по сравнению с поглощенным. Например, при освещении ультрафиолетовым светом тело испускает видимый свет.

• Энергия поглощенного излучения переходит в электрическую энергию, как в случае фотоэффекта, или производит изменение электрических свойств материала, что происходит в фотопроводниках. Такие превращения называют фотофизическими.

• Другой тип фотофизического превращения - переход энергии излучения в тепловую энергию. Это явление нашло применение в термоэлементах, используемых для измерения мощности излучения.

• Энергия излучения переходит в химическую энергию. Происходит фотохимическое превращение поглотившего свет вещества. Такое преобразование происходит в большинстве светочувствительных материалов.

Тела, в которых происходят такие преобразования под действием оптического излучения, получили в светотехнике общее название "приемники излучения".

Некоторые приемники излучения нашли практическое применение, и знание их свойств важно для светотехники и репродукционной техники.

Условно приемники излучения можно разбить на три группы.

1. Естественным приемником излучения является человеческий глаз.

2. Целую группу приемников излучения составляют светочувствительные материалы, служащие для оптической записи изображений. Запись может производиться традиционными или цифровыми методами: проекционной съемкой, контактным копированием, поэлементной записью изображения с помощью лазеров или светодиодных линеек.

3. Приемниками являются также светочувствительные элементы измерительных приборов (денситометров, колориметров, спектрофотометров и др.) и датчиков оптических контрольных устройств, используемых в полиграфическом оборудовании.

В данной главе будут рассмотрены основные закономерности взаимодействия света с приемниками различных типов, причем наибольшее внимание будет уделено светочувствительным материалам.

Под действием оптического излучения в приемнике происходит фотохимическое или фотофизическое превращение, заданным образом изменяющее свойства приемника. Это изменение называют полезной реакцией приемника.

Однако не вся энергия упавшего излучения расходуется на полезную реакцию. Часть энергии приемником не поглощается и поэтому реакции вызвать не может. Поглощенная энергия также не полностью преобразуется полезно. Например, помимо фотохимического превращения может происходить нагревание приемника. Практически используемая часть энергии называется полезной, а практически используемая часть мощности излучения (потока излучения Ф) - эффективным потоком <?xml version="1.0"?>
.

Отношение эффективного потока <?xml version="1.0"?>
к упавшему на приемник потоку излучения называют светочувствительностью приемника. Формула для светочувствительности, раскрывающая ее физический смысл, имеет вид

<?xml version="1.0"?>

если <?xml version="1.0"?>
и Ф имеют одинаковые размерности, например Вт.

В общем виде:

<?xml version="1.0"?>

где с - коэффициент пропорциональности, который может быть равен 1,0 или иметь другое значение.

Простую формулу <?xml version="1.0"?>
можно использовать только для неизбирательного (неселективного) приемника, имеющего одинаковую чувствительность к излучениям различных длин волн. Примером такого приемника является абсолютно черное тело (см. подразд. 2.2), поглощающее полностью падающие на него излучения. Неизбирательным приемником можно считать термоэлемент, используемый для измерения мощности излучения по количеству выделяемого тепла.

У большинства приемников спектральная чувствительность зависит от длины волны. Поэтому приведенные выше формулы можно использовать только для монохроматических излучений:

<?xml version="1.0"?>

Величины <?xml version="1.0"?>
называют соответственно монохроматическим потоком излучения и монохроматическим эффективным потоком, a <?xml version="1.0"?>
- монохроматической спектральной чувствительностью.

Зная распределение мощности по спектру <?xml version="1.0"?>
для излучения, падающего на приемник, и спектральную чувствительность приемника <?xml version="1.0"?>
, можно рассчитать эффективный поток по формуле

<?xml version="1.0"?>

Как правило, измерение относится к диапазону <?xml version="1.0"?>
, ограниченному либо спектральной чувствительностью приемника, либо спектральным диапазоном измерения.

Большая часть используемых в светотехнике и полиграфии приемников имеет ограниченную область спектральной чувствительности. Так, человеческий глаз чувствителен к "видимой" зоне спектра (от 400 до 700 нм), фототехнические пленки - к ближней ультрафиолетовой и видимой зонам, а копировальные слои - к ультрафиолетовой и синей зонам спектра.

В светотехнике и репродукционной технике используется два вида эффективных потоков: световой Ри фотоактиничный А.

Понятие о световом потоке было дано в подразд. 2.1.3. Напомним, что он связан с мощностью (потоком излучения Ф) следующим выражением:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- распределение мощности излучения по спектру, <?xml version="1.0"?>
- кривая относительной спектральной световой эффективности (кривая видности), а 680 - коэффициент, позволяющий перейти от ватт к люменам. Его называют световым эквивалентом потока излучения и выражают в лм/Вт.

Если световой поток падает на какую-либо поверхность, его поверхностная плотность называется освещенностью (см. подразд. 2.1.3). Освещенность Е связана со световым потоком формулой

E=dF/dQ,

где Q - площадь в <?xml version="1.0"?>
. Единица освещенности - люкс (лк).

Для светочувствительных материалов и фотоприемников измерительных приборов используют фотоактиничный поток А. Это эффективный поток, определяемый выражением

<?xml version="1.0"?>

Если спектральный диапазон, в котором проводится измерение, ограничен длинами волн <?xml version="1.0"?>
то выражение для фотоактиничного потока примет вид

<?xml version="1.0"?>

Единица измерения А зависит от единицы измерения спектральной чувствительности. Если <?xml version="1.0"?>
- относительная величина, измеряется в ваттах. Если <?xml version="1.0"?>
имеет размерность, например <?xml version="1.0"?>
, то это скажется на размерности фотоактиничного потока (см. подразд. 3.2.4 и пояснение к актиничности).

Поверхностная плотность фотоактиничного потока на освещаемой поверхности называется актиничностью излучения а,

a = dA/dQ. (2.1.6)

Если поверхность приемника освещена равномерно, то a = A/Q. Актиничность - аналог освещенности. Ее единица измерения зависит от размерности А. Если А - Вт, то а - <?xml version="1.0"?>
.

Для светочувствительных материалов, у которых S выражается в <?xml version="1.0"?>
, размерность актиничности определяется из формулы, связывающей актиничность со спектральными кривыми излучения <?xml version="1.0"?>
, объекта <?xml version="1.0"?>
, оптической среды <?xml version="1.0"?>
и приемника излучения <?xml version="1.0"?>
(рис. 2.2 Рис. 2.2. К расчету актиничности излучения: 1 - источник излучения, 2- оригинал, 3 -оптическая среда, 4 - светочувствительный материал):

<?xml version="1.0"?>

Заменив <?xml version="1.0"?>
на освещенность поверхности приемника <?xml version="1.0"?>
, получим

<?xml version="1.0"?>

<?xml version="1.0"?>
то размерность актиничности <?xml version="1.0"?>
будет <?xml version="1.0"?>

Чем больше актиничность излучения, тем эффективней используется энергия излучения и тем больше, при прочих равных условиях, будет полезная реакция приемника.

Для достижения максимальной актиничности желательно, чтобы максимальная спектральная чувствительность приемника и максимальная мощность излучения приходились на одни и те же зоны спектра. Этим соображением руководствуются при подборе источника света для получения изображений на конкретном типе светочувствительных материалов.

Возьмем в качестве примера копировальный процесс. Копировальные слои, используемые для изготовления печатных форм, чувствительны к ультрафиолетовым и сине-фиолетовым излучениям. На излучения других зон видимого спектра они не реагируют.

Поэтому для проведения копировального процесса применяют металлогалогенные лампы, богатые излучением ультрафиолетовой и синей зон спектра (рис. 2.3, а Рис. 2.3, а. К выбору источника света для копировального процесса: а - спектральная кривая излучения металлогалогенной лампы, б Рис. 2.3, б. К выбору источника света для копировального процесса: б - спектральная чувствительность позитивного копировального слоя).

При получении копий окрашенных изображений или при Использовании окрашенных сред, например цветных светофильтров, недостаточно знать оптические плотности указанных объектов. Необходимо учитывать, во сколько раз данная среда уменьшит актиничность излучения, чтобы компенсировать снижение актиничности увеличением времени экспонирования.

Отношение актиничности <?xml version="1.0"?>
излучения, проходящего через оптическую среду, к актиничности <?xml version="1.0"?>
излучения, падающего на приемник в отсутствие среды, называют эффективным коэффициентом пропускания <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

По аналогичной формуле рассчитывается эффективный коэффициент отражения

<?xml version="1.0"?>

В приведенных выше формулах <?xml version="1.0"?>
- соответственно спектральное распределение освещенности, отражения и пропускания оптических сред и кривая спектральной чувствительности приемника, например светочувствительного материала.

Величина, обратная эффективному коэффициенту пропускания оптической среды, показывает, во сколько раз уменьшается актиничность излучения при его прохождении через среду. Ее часто (особенно по отношению к светофильтрам) называют кратностью.

Кратность (светофильтров) рассчитывают по формуле

<?xml version="1.0"?>

По величинам <?xml version="1.0"?>
или f можно определить копировальную плотность среды

<?xml version="1.0"?>

Перейдя к спектральным кривым, получим

<?xml version="1.0"?>

На практике расчет величин <?xml version="1.0"?>
проводят с использованием метода численного интегрирования, т.е. заменяют интегрирование суммированием. Приведем в качестве примера формулу для расчета копировальной плотности:

<?xml version="1.0"?>

В этих формулах <?xml version="1.0"?>
- спектральная чувствительность материала, на который с помощью излучения копируют изображение, чья спектральная характеристика описывается кривой <?xml version="1.0"?>
.

Зрительный аппарат состоит из приемника излучения (глаз), зрительных нервов и зрительных зон головного мозга. В этих зонах сигналы, формирующиеся в глазах и поступающие через глазные нервы, анализируются и превращаются в зрительные образы.

Приемник излучения представляет собой два глазных яблока, каждое из которых с помощью шести наружных мышц может легко поворачиваться в глазнице как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. При рассматривании объекта глаза скачкообразно перемещаются, поочередно фиксируясь на различных точках объекта. Это перемещение носит векторный характер, т.е. направление каждого скачка определяется рассматриваемым объектом. Скорость скачка ("саккады") очень велика, а точки фиксации, на которых глаз останавливается на 0.2-0,5 с, располагаются в основном на границах деталей, где имеются перепады яркостей. Во время "остановок" глаз не находится в состоянии покоя, а совершает быстрые микроперемещения относительно точки фиксации. Несмотря на эти микросаккады, в точках фиксации происходит фокусирование наблюдаемого участка объекта на центральной ямке светочувствительной сетчатки каждого из глаз.

Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим строение глаза, схема которого показана на рис. 2.4 Рис. 2.4. Горизонтальное сечение глаза.

Глазное яблоко представляет шарообразное тело, состоящее из непрозрачной оболочки-склеры и жидкого стекловидного вещества с показателем преломления n = 1,336. В передней части глаза находится прозрачная выпуклая камера, заполненная жидкостью с тем же показателем преломления. С наружной стороны "передняя камера" покрыта прозрачной роговицей с n = 1,376, а с задней она отделена от стекловидного тела хрусталиком, прикрытым радужной оболочкой, определяющей цвет глаз. В середине радужной оболочки находится круглое отверстие переменного диаметра - зрачок. Роговица и хрусталик вместе образуют эквивалент объектива фотоаппарата, а зрачок - его диафрагму.

Свет, входя в глаз через переднюю камеру, за счет большой разницы показателей преломления воздуха и роговицы, а также за счет формы роговицы фокусируется и направляется через зрачок на хрусталик. Основное назначение хрусталика - фокусировка изображения предметов на центральной ямке сетчатки. Чтобы удаленные и близко расположенные предметы давали одинаково резкие изображения, эластичный хрусталик изменяет кривизну. Для этого служит система мышечных волокон, которые при рассматривании удаленных предметов натягивают связки, удерживающие хрусталик, и делают его более плоским. При рассмотрении близко расположенных предметов мышцы увеличивают кривизну хрусталика, уменьшая его фокусное расстояние. Такое изменение формы, называемое аккомодацией, производится автоматически, безучастия сознания. Группа радиальных и круговых мышечных волокон при изменении уровня освещенности наблюдаемых предметов меняет диаметр

зрачка и количество света, проходящего внутрь глаза.

На глазном дне находится светочувствительная сетчатка (ретина). Основной ее частью, где образуется отчетливое изображение объектов, является овальное "желтое пятно" размером 2 x 0,8 мм, в середине которого находится углубление, называемое центральной ямкой. Оптическое изображение предмета, образующееся в центральной ямке (или в другом участке желтого пятна сетчатки), воздействует на светочувствительную сетчатку. Формирующиеся в ней зрительные сигналы передаются по зрительному нерву в мозг. Рассмотрим подробнее строение и работу сетчатки глаза.

Строение сетчатки глаза

Собственно приемником излучения в глазу, его светочувствительной частью, является сетчатка. Это пленка толщиной около четверти миллиметра, выстилающая глазное дно. Ее главные компоненты - нервные клетки, отвечающие за зрение, - расположены в виде трех слоев (рис. 2.5 Рис. 2.5. Строение сетчатки глаза (по Сентьяго, Рамон-и-Кахалу): I - слой сетчатки, содержащий светочувствительные рецепторы (а - палочки, б - колбочки); II - слой сетчатки, содержащий биполярные (в), горизонтальные (г) и амакриновые (д) клетки; III - слой, содержащий ганглиозные клетки (в)).

На самом дне сетчатки находится слой фоторецепторов - клеток, содержащих светочувствительные пигменты (слой I). Под действием поглощенного света пигменты претерпевают обратимую фотодиссоциацию и в фоторецепторе возникает нервный сигнал. Сзади к фоторецепторам примыкает слой черного пигмента меланина. Он поглощает лишний свет, а клетки, его содержащие, способствуют переходу продукта фото диссоциации в исходную светочувствительную форму.

Фоторецедторы бывают двух родов - палочки и колбочки (рис. 2.6 Рис. 2.6. Светочувствительные рецепторы: а - колбочка, б - палочка). Колбочки (рис. 2.6, а) содержат по одному из видов зрительных пигментов. В зависимости от спектральной чувствительности пигмента они делятся на красночувствительные, зеленочувствительные и синечувствительные. Колбочки отвечают за цветное зрение (см. разд. 5). Поскольку чувствительность колбочек невысока, мы пользуемся цветным зрением только днем или при достаточно ярком искусственном освещении.

Палочки (рис. 2.6, б) все одинаковы и содержат высокочувствительный пигмент - зрительный пурпур. Они отвечают за сумеречное зрение. Цветов палочки не различают, и при наступлении сумерек окружающий нас мир становится серым.

Впереди слоя рецепторов находятся еще два слоя клеток, участвующих в зрительном процессе (II и III на рис. 2.5).

В среднем из них слое II располагаются биполярные, горизонтальные и амакриновые клетки. Биполярные клетки передают нервные импульсы от фоторецепторов к ганглиозным клеткам, составляющим слой III. Эта передача может быть прямой и через посредство клеток горизонтальных и амакриновых. Горизонтальные клетки соединяют множество рецепторов с одной биполярной клеткой, а амакриновые - множество биполярных с одной ганглиозной клеткой. Смысл прямого и непрямого путей распространения зрительных импульсов будет раскрыт ниже.

Ганглиозные клетки имеют длинные аксоны (отростки), соединяющиеся в зрительный нерв. Место выхода нерва из глаза называется "слепым пятном", так как здесь глаз светочувствительностью не обладает.

Передача импульсов от клетки к клетке осуществляется с помощью специальных химических веществ, медиаторов, через синапсы. Это - узкие просветы между разветвленными концами аксона одной клетки и дендритами или телом другой клетки (рис. 2.7 Рис. 2.7. Передача импульса от одной клетки к другой: 1 - ядро клетки, 2 - клеточная мембрана, 3 - аксон, 4 - дендриты, 5 - синапс). Свет падает на фоторецепторы через прозрачные слои биполярных и ганглиозных клеток. Однако в середине желтого пятна есть участок, где верхние слои раздвигаются и обеспечивают прямой доступ света к рецепторам. Это - "центральная ямка", имеющая диаметр около 0,5 мм (угловой размер ~2<?xml version="1.0"?>
(1,75<?xml version="1.0"?>
). Здесь расположены одни колбочки (около 50 тыс.), тесно прилегающие друг к другу. На ярком свету (летом за городом) глаз воспринимает объекты практически только центральной ямкой и острота зрения возрастает.

Восприятие яркостей объектов сетчаткой глаза

Под действием поглощенного света в зрительном аппарате формируется ощущение, характеризующееся цветностью и светлотой. Цветность определяется спектральным составом излучения независимо от его мощности. Светлота же связана с яркостью объектов, т.е. с мощностью излучения, попавшего в глаз. Формирование цветового ощущения рассматривается в разд. 5 данной книги. Здесь будет обсуждаться лишь восприятие яркостей.

Как было сказано выше, сигналы, возникающие в сетчатке, поступают в мозг через зрительный нерв, составленный из аксонов (отростков) ганглиозных клеток.

Каждая ганглиозная клетка получает сигналы от целой группы фоторецепторов, составляющих рецептивное поле клетки. Рецептивное поле неоднородно. Оно имеет центр и периферию. Центр отвечает за восприятие яркости рассматриваемого участка объекта, а периферия - за восприятие средней яркости фона вокруг рассматриваемого участка. На освещение центра и периферии поля клетка отвечает противоположными реакциями. Поэтому при одинаковой освещенности всего рецептивного поля клетка "молчит", т.е. на свет не реагирует. Реакцию вызывает лишь тот участок, яркость которого отличается от яркости фона. Рецептивные поля клеток перекрываются, т.е. центр поля одной клетки входит в периферию поля другой клетки.

Центр рецептивного поля включает один или несколько фоторецепторов. Их сигналы передаются ганглиозной клетке прямым путем через биполярную клетку. Диаметр центра может быть различным - от ширины одной колбочки в центральной ямке до нескольких десятков микрометров (несколько угловых минут) в удалении от ямки.

Большое количество рецепторов, составляющих периферию ганглиозной клетки, связано с ней непрямым путем. Ганглиозная клетка через амакриновую клетку принимает сигнал от нескольких биполярных клеток, а последние связаны с рецепторами периферии через горизонтальные клетки, имеющие множество отростков. Внешний диаметр рецептивного поля, определяемый размером периферии, также изменяется в широких пределах. Самые маленькие рецептивные поля - в центральной ямке, что объясняет повышенную остроту зрения при ярком освещении, когда в основном работают колбочки центральной ямки. По мере удаления от центральной ямки размеры центров и внешние диаметры рецептивных полей увеличиваются, что снижает остроту зрения, но повышает силу сигнала, передаваемого ганглиозной клетке.

Рис. 2.8. Реакции ганглиозных клеток (по Куффлеру): а - с on-центром, т.е. клетки, реагирующей на светлое пятно; б - с off-центром, т.е. клетки, реагирующей на темное пятно; 1 - состояние покоя (стимула нет), 2 - реакция на небольшое пятно, покрывающее только центр рецептивного поля, 3 - реакция на большое пятно, покрывающее центр и периферию рецептивного поля, 4 - реакция на кольцо, покрывающее только периферию поля

По Куффлеру, ганглиозные а (и биполярные) клетки бывают двух родов (рис. 2.8 Рис. 2.8. Реакции ганглиозных клеток (по Куффлеру): а - с on-центром, т.е. клетки, реагирующей на светлое пятно; б - с off-центром, т.е. клетки, реагирующей на темное пятно; 1 - состояние покоя (стимула нет), 2 - реакция на небольшое пятно, покрывающее только центр рецептивного поля, 3 - реакция на большое пятно, покрывающее центр и периферию рецептивного поля, 4 - реакция на кольцо, покрывающее только периферию поля). У одних редкие в состоянии покоя импульсы резко увеличиваются по частоте, если центр рецептивного поля освещен больше периферии (рис. 2.8, а). Сигнал возникает на светлое пятнышко на черном фоне. Если центр рецептивного поля такой клетки темнее периферии, импульсация подавляется и сигнал возникает только при рассматривании границы темного пятна и светлого фона. У другого рода ганглиозных клеток (рис. 2.8, б) сигнал (повышенная частота импульсации) возникает на темное пятнышко на светлом фоне. Из сказанного выше ясно, что глаз реагирует и на светлые, и на темные детали объекта.

Это явление может объяснить непонятный на первый взгляд эффект - появление черных участков изображения на светло-сером экране черно-белого телевизора. При включении изображения мы локально увеличиваем его яркость, но получаем наряду со светлыми участками участки черные. Глаз видит их черными только потому, что они много темнее фона.

Таким образом, глаз оценивает яркости деталей объекта и отдельных объектов путем их сравнения с фоном. Исследования нейрофизиологов показали, что у ганглиозной клетки появляется пороговая реакция, если разница яркостей центра и периферии фотометрического поля достигает 2%, независимо от яркости периферии. Для клетки существенна не абсолютная, а относительная освещенность центра рецептивного поля сетчатки.

Опираясь на сказанное выше, рассмотрим один из важных законов зрительного восприятия - закон Вебера-Фехнера.

Чтобы детали объекта и сами объекты были видимы, они должны отличаться по светлоте или цвету от окружающего их фона, т.е. составлять достаточный контраст с фоном.

Рассмотрим контраст на самом простом случае, когда объект и фон различаются только по светлоте (имеют одинаковые цветности). В этом случае излучения, попадающие в глаз, отразившись от объекта и фона, имеют одинаковый спектральный состав. Таков серый объект на белом фоне. Чем больше разница светлот объекта и фона <?xml version="1.0"?>
, тем больше контраст между ними и тем сильнее они различаются.

Светлота - субъективная оценка, связанная с ощущением, поэтому разность светлот трудно поддается точному количественному измерению. В качестве единицы измерения разности светлот был предложен порог различения светлоты dW. Это минимальная разница, замечаемая глазом. Любая конечная разность светлот <?xml version="1.0"?>
выражается числом порогов различения светлоты. Порог различения был определен в специальных колориметрических условиях (см. подразд. 5.1), так как он неодинаков у разных людей и зависит от условий рассматривания. Для практических измерений контраста он неудобен.

Светлота объекта определяется его яркостью. Поэтому для удобства измерения полезно связать между собой порог различения и разницу яркостей, ему соответствующую. Первым шагом на этом пути был открытый Вебером в 1851 г. закон, который он считал общим для всех органов чувств. Данная величина раздражения, по Веберу, является мерой замечаемости изменения раздражения. Это означает, что чем больше первоначальное раздражение, например вес или сила звука, тем больше минимальная пороговая разница веса или силы звука которую мы в состоянии заметить. Согласно Веберу, мы воспринимаем не абсолютное, а относительное изменение веса, силы звука, яркости.

В 1858 году Фехнер изучал зрительное восприятие яркости, используя метод пороговых приращений, состоящий в следующем. На двух половинках фотометрического поля I и II устанавливают одинаковую яркость <?xml version="1.0"?>
. Увеличивают яркость поля II до достижения едва заметного порогового различения по светлоте с полем I (яркость <?xml version="1.0"?>
). Далее увеличивают яркость поля I до тех пор, пока его светлота не станет на порог больше, чем у поля II. Получают яркость <?xml version="1.0"?>
. Затем увеличивают яркость поля II до <?xml version="1.0"?>
, при которой светлота этого поля станет на порог выше, чем у поля I, и т.д.

Сопоставив изменение светлоты с изменением яркости, Фехнер установил, что порогу различения светлоты <?xml version="1.0"?>
соответствует постоянное относительное изменение яркости

<?xml version="1.0"?>

названное им пороговым контрастом, или дифференциальным порогом. Им было установлено, что в диапазоне яркостей 1-1000 <?xml version="1.0"?>
порогу различения соответствует дифференциальный порог около 2%. Для обычного наблюдателя <?xml version="1.0"?>
может быть больше 2%.

Если принять пороговые приращения светлоты <?xml version="1.0"?>
и яркости <?xml version="1.0"?>
за бесконечно малые величины, получим формулу

<?xml version="1.0"?>

где k - коэффициент пропорциональности. Проинтегрировав это выражение, перейдем к конечному различию светлот:

<?xml version="1.0"?>

Полученная формула является математическим выражением закона Вебера-Фехнера, утверждающего, что приращение светлоты пропорционально приращению логарифма яркости.

Коэффициент k равен числу порогов различения, соответствующему десятикратному увеличению яркости.

Величина, обратная дифференциальному порогу,

<?xml version="1.0"?>

называется контрастной чувствительностью глаза. В дневных условиях она приближенно равна 50.

Закон Вебера-Фехнера позволяет объяснить, почему шкала кажется зрительно равномерной, если ее логарифмы яркости или оптические плотности изменяются от поля к полю на одинаковую величину, а также почему график зависимости светлоты от логарифма яркости - прямая линия. Закон строго соблюдается (k и <?xml version="1.0"?>
- const) лишь в некотором интервале яркостей. Границы этого интервала зависят от средней яркости, к которой адаптирован глаз (см. подразд. 3.2.3).

Для яркостей, много больших или много меньших средней, дифференциальный порог возрастает, а контрастная чувствительность глаза <?xml version="1.0"?>
падает, т.е. яркости различаются хуже. На рис. 2.9 Рис. 2.9. Кривые Лаури приведены кривые Лаури, иллюстрирующие отклонение от закона, выражающееся искривлением графика W(lg B) при больших и малых яркостях.

Исследования позволили установить более точную зависимость светлоты от яркости:

<?xml version="1.0"?>

Адаптация

Освещенности окружающих человека объектов (и следовательно, яркости объектов) колеблются в широких пределах. Человек способен видеть предметы при их освещенности от 0,2 до 50-120 тыс. люкс. Причина большого диапазона светочувствительности глаза кроется в способности зрительного аппарата настраиваться на средний уровень яркости и оценивать яркости всех предметов относительно этого среднего уровня. Это явление называют адаптацией. Адаптация возможна благодаря следующим особенностям строения глаза и нервных клеток зрительного аппарата.

1. Зрачковый рефлекс. Изменение диаметра зрачка от 2 до 8 мм способно компенсировать 16-кратные изменения освещенности объектов окружающей среды.

2. Двойственность световоспринимающей системы. Наличие колбочкового и палочкового зрения позволяет видеть в большом диапазоне освещенностей. В сумерки выключаются колбочки и работают палочки. На ярком свету палочки ослепляются, но начинают работать колбочки. При средних освещенностях работают и те и другие.

3. Механизм формирования зрительных импульсов нервными клетками сетчатки. Этот механизм таков, что в мозг поступают сигналы не об абсолютной яркости деталей объекта, а о соотношении яркостей детали и фона. При рассматривании окружающих предметов яркости последних сопоставляются со средним уровнем освещенности глаза рассеянным светом.

Перечисленные особенности зрения приводят к следующим закономерностям зрительного восприятия объекта:

• зрительный образ объекта практически не зависит от его освещенности;

• человек не способен непосредственно оценивать средний уровень яркости или освещенность объектов;

• человек с высокой точностью определяет тождество или различие светлот близко расположенных предметов или деталей.

Спектральная чувствительность глаза

Глаз по-разному воспринимает излучения различных длин волн. Это различие имеет как качественный, так и количественный характер. Качественное различие заключается в зависимости цвета (цветового тона) излучения от длины волны. При увеличении длины волны, т.е. при перемещении по спектру, цветовой тон излучения изменяется от фиолетового (через синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый) до красного.

Количественная разница заключается в различной чувствительности глаза к излучениям различных длин волн. Эти Излучения при одинаковой мощности вызывают в глазу различные по уровню полезные реакции, т.е. имеют для глаза различные светлоты.

Спектральную чувствительность глаза принято выражать в относительных единицах <?xml version="1.0"?>
, называемых относительной спектральной световой эффективностью или, коротко, видностью, <?xml version="1.0"?>
- спектральная чувствительность глаза к излучению с длиной волны <?xml version="1.0"?>
- максимальная чувствительность глаза.

Оказалось, что кривая относительной спектральной световой эффективности <?xml version="1.0"?>
в значительной степени зависит от уровня яркости рассматриваемых объектов.

Происходит это потому, что спектральная чувствительность палочкового и колбочкового зрения неодинакова. Наиболее часто в практических расчетах используется кривая дневного зрения - средняя кривая для светлоадаптированного глаза (рис. 2.10, Рис. 2.10. Кривые относительной спектральной световой эффективности: 1 - для глаза, адаптированного к дневным яркостям при двухградусном поле зрения; 2 - для глаза, адаптированного к ночным яркостям; 3 - для глаза, адаптированного к дневным яркостям при десятиградусном поле зрения кривая 1). Она определена для поля зрения 2<?xml version="1.0"?>
, что соответствует угловому размеру центральной ямки, где расположены только колбочки. Так как спектральная чувствительность глаз разных людей неодинакова, эта и другие кривые <?xml version="1.0"?>
рассчитаны по средним значениям, характеризующим нормальный человеческий глаз. Максимум спектральной чувствительности этой кривой приходится на 555-556 нм и принимается за 1,000.

Ночью, когда действует только палочковое зрение, кривая относительной спектральной световой эффективности изменяется: ее максимум смещается с 555 нм к 507 нм (кривая 2 на рис. 2.10), изменяются и соотношения яркостей цветных участков (напомним, что цвета ночью не различаются). Это заметил Пуркинье (1823). Эффект Пуркинье заключается в том, что при уменьшении освещенности цветного объекта быстрее всего темнеют красные цвета и медленнее - синие. Красное и синее изображения (мак и василек) днем одинаково яркие, ночью приобретают различную светлоту. Мак становится черным, а василек выглядит серым.

Эффект Пуркинье легко объясняется при сопоставлении кривых 1 и 2 рис. 2.10. Предположим, что синяя деталь отражает излучение с <?xml version="1.0"?>
= 475 нм, а красная - 650 нм. При одинаковой мощности этих излучений и <?xml version="1.0"?>
детали будут равнояркими. Ночью (кривая 2) соотношение <?xml version="1.0"?>
изменится до 1050 , т.е. яркости деталей будут различаться в 1000 раз.

В сумерках и перед восходом солнца одновременно работают палочковый и колбочковый аппараты зрения. Кривая <?xml version="1.0"?>
будет лежать посередине между кривыми 1 и 2.

Кривая относительной спектральной световой эффективности сдвигается вверх в сине-голубой области при переходе от поля зрения 2<?xml version="1.0"?>
к полю 10 <?xml version="1.0"?>
, что более соответствует условиям нормального зрения. Полученная при этом кривая <?xml version="1.0"?>
- кривая 3 на рис. 2.10.

Как видно из рисунка, все кривые <?xml version="1.0"?>
показывают резкий спад до 0,000 к длинам волн 400 и 730 нм, ограничивающим видимую область спектра. Эти границы обусловлены строением зрительного аппарата. Так, в глазу предусмотрена защита рецепторов от высокоактивных ультрафиолетового и фиолетового излучений. Они задерживаются хрусталиком, стекловидным телом, наполняющим глазное яблоко, и желтым пятном. В результате мы ультрафиолетовое излучение не видим вообще, а синий и фиолетовый цвета нам кажутся темными.

Светочувствительные материалы используют для оптической записи изображения. Это изображение может быть конечным Продуктом (фотография) или промежуточным. В последнем случае изображение переносится на другой материал и его получение является одной из стадий репродукционного процесса. Пример материала такого рода - копировальный слой, служащий для изготовления печатных форм.

Светочувствительные материалы обычно состоят из тонкой светочувствительной пленки, нанесенной на подложку. Подложка удерживает на себе и светочувствительный слой, и полученное в результате оптической записи изображение.

Как правило, процесс получения изображения на светочувствительном материале содержит две необходимые стадии:

• собственно оптическую запись (экспонирование), в результате которой в материале происходит фотохимическое или фотофизическое превращение в соответствии с получаемым изображением. Эти превращения на глаз могут быть незаметны, поэтому полученное изображение называют скрытым;

• проявление изображения, после которого изображение становится отчетливо видимым;

• далее может следовать завершающая операция (или несколько операций), придающая изображению окончательный вид, т.е. превращающая его в готовый продукт (фотоотпечаток, негатив, копию), К таким операциям относят фиксирование, промывку, термообработку и др. Характер завершающей операции зависит от типа светочувствительного материала и назначения изображения. Она может отсутствовать, если в ней нет необходимости.

По характеру фотопревращений и типу получаемого изображения светочувствительные материалы можно разбить на три группы.

1. Материалы, предназначенные для получения видимого изображения. В них под действием экспонирования и проявления образуются новые химические соединения, имеющие оптическую плотность или цвет, отличный от фона, на который свет не действовал. Получается черно-белое или цветное изображение. Типичными представителями этой группы являются галогенидосеребряные фотографические материалы.

2. Материалы, предназначенные для получения пленочного изображения, в пробелах которого светочувствительный материал вымывается проявителем до подложки. Таковы копировальные слои. Их наносят на соответствующую подложку, например формную основу (материал, из которого изготавливают печатную форму). При экспонировании (записи изображения) оптическое излучение вызывает в копировальном слое химическую реакцию, приводящую к изменению растворимости слоя.

У негативных копировальных слоев облученные участки сшиваются или полимеризуются и поэтому не вымываются проявителем. После проявления на формной основе остается изображение из экспонированного сшитого слоя (рис. 2.11 Рис. 2.11. Получение пленочного изображения на негативном копировальном слое: 1 - копировальный слой; 2 - формная основа; 3 - оптическое излучение; 4 - сшитые светом участки копировального слоя; 5 - пленочное изображение).

У позитивных копировальных слоев под действием света образуется продукт, хорошо растворимый в водно-щелочных растворах. После проявления таким раствором на подложке остается пленочное изображение из неэкспонированного слоя, устойчивого к проявителю.

3. Материалы, предназначенные для многократного получения изображения. В них под действием света происходят физические превращения, имеющие обратимый характер. Это позволяет попеременно записывать и стирать изображение. В качестве примера рассмотрим фоторецепторы и электрофотографический процесс на этих материалах. Схема процесса приведена на рис. 2.12 Рис. 2.12. Стадии электрофотографического процесса: I - зарядка поверхности фоторецептора; II - оптическая запись изображения; III - проявление скрытого электростатического изображения заряженным порошком тонера; IV - перенос тонерного изображения на бумагу; V - закрепление тонерного изображения; VI - очистка фоторецептора; 1 - фотопроводящий слой; 2 - заземленная подложка фоторецептора; 3 - поверхностный заряд; 4 - оптическое излучение; 5 - скрытое электростатическое изображение; 6 - тонерное изображение; 7 - бумага с перенесенным на нее тонерным изображением 8; 9 - оплавленное тонерное изображение на готовой копии.

Фоторецептор представляет собой проводящую подложку с нанесенным на нее тонким слоем фотопроводникового материала.

Используют высокоомные фотопроводники, обладающие высокой светочувствительностью. Они обладают способностью в темноте удерживать на своей поверхности заряд с потенциалом до 1 кВ. При освещении фотопроводник приобретает проводящие свойства и заряд стекает на землю (точнее, нейтрализуется образовавшимися под действием света свободными носителями заряда). Для осуществления этого процесса подложка фоторецептора должна быть заземлена.

Процесс начинается с равномерной зарядки фоторецептора до потенциала 0,6 кВ (стадия I). На стадии II селективным облучением на поверхности получается скрытое электростатическое изображение (СЭИ). Заряд остается на необлученных участках фоторецептора. На стадии III в электрическом поле происходит осаждение на СЭИ противоположно заряженных частиц порошкового тонера, черного или цветного. Тонерное изображение образует с СЭИ двойной электрический слой. Оно не разряжает СЭИ, а лишь его нейтрализует. На стадии IV к тонерному изображению прижимается бумага с заряженным оборотом. В образующемся между бумагой и СЭИ электрическом поле тонерное изображение переносится на бумагу, а СЭИ с остатками тонера остается на фоторецепторе. На стадии V бумага с порошковым изображением поступает в закрепляющее устройство, где порошок оплавляется, прочно прилипая к бумаге. Готовая копия выходит из аппарата. На стадии VI, одновременной со стадией V, фоторецептор очищается от остатков тонера, а СЭИ нейтрализуется. Чистый фоторецептор готов к следующему циклу электрофотографического процесса, т.е. к получению следующей копии.

Характер фотопревращений при оптической записи изображения зависит, как было показано в подразд. 3.3.1, от природы светочувствительного материала. Однако существуют закономерности фотографического действия излучений, общие для всех светочувствительных материалов.

• Прежде всего, у всех светочувствительных материалов полезная реакция, например оптическая плотность изображения, зависит от количества энергии излучения W, упавшего на экспонируемый участок материала площадью Q. Удобнее вместо W и Q использовать поверхностную плотность энергии, называемую экспозицией Н = W/Q. По аналогии с энергетическими и световыми величинами различают энергетическую экспозицию <?xml version="1.0"?>
выражаемую в <?xml version="1.0"?>
, и световую экспозицию Н, называемую просто "экспозицией" или "количеством освещения". Единица измерения световой экспозиции понятна из формулы Н = Е х t, где Е - освещенность в люксах, t - время экспонирования в секундах. Отсюда единица измерения - люкс-секунда (<?xml version="1.0"?>
).

• Полезная реакция, например оптическая плотность изображения, формируется, как правило, в двухступенчатом процессе "экспонирование-проявление", поэтому зависит от проявителя и условий проявления.

• Эффективность экспозиции для данного материала зависит от чувствительности S материала к излучению, называемой интегральной светочувствительностью. Она определяется для всех материалов по формуле

<?xml version="1.0"?>

где k - коэффициент пропорциональности; <?xml version="1.0"?>
- критериальная экспозиция - экспозиция, необходимая для получения на светочувствительном материале величины полезной реакции, принятой за критерий.

Размерность светочувствительности понятна исходя из приведенной выше формулы. Если экспозиция энергетическая и выражается в <?xml version="1.0"?>
, то S выражается в <?xml version="1.0"?>
. При работе с фотографическими материалами на основе галогенида серебра, где используются световые экспозиции, размерность светочувствительности - <?xml version="1.0"?>
.

Обычно светочувствительность определяется по характеристической кривой материала.

Характеристические кривые светочувствительных материалов

Если светочувствительному материалу сообщить ряд экспозиций, то при увеличении экспозиции величина полезной реакции будет расти, пока не станет предельной.

Зависимость величины полезной реакции от экспозиции называют характеристической кривой. Следует отметить, что полезная Реакция оценивается после проявления и что при построении характеристической кривой используют логарифмы экспозиций.

Рассмотрим примеры характеристических кривых: для материала, предназначенного для получения видимого изображения, и для копировального слоя.

Пусть светочувствительный материал предназначен для получения черно-белого изображения. Тогда полезной реакцией будет оптическая плотность участков изображения. Сообщим материалу ряд экспозиций Н, например скопируем на него ступенчатую шкалу и измерим оптические плотности проявленного изображения D. Построим график зависимости D(lg H), который будет представлять характеристическую кривую данного фотоматериала. Типичная форма такого рода характеристических кривых показана на рис. 2.13 Рис. 2.13. Характеристические кривые фотографических материалов. По этим кривым видно, что существует некоторая пороговая величина экспозиции <?xml version="1.0"?>
, при превышении которой слой начинает отвечать на облучение полезными реакциями. Эти реакции (оптические плотности) будут возрастать вплоть до предельной экспозиции <?xml version="1.0"?>
, когда достигается максимальная для данного материала оптическая плотность. Собственно характеристическая кривая располагается между точками а и б.

При экспозициях, меньших <?xml version="1.0"?>
, и на участках, не получивших экспозиции, проявленное изображение имеет некоторую оптическую плотность <?xml version="1.0"?>
. Она складывается из плотности основы и плотности вуали, появляющейся даже при проявлении материала без экспонирования.

Кривые 1 и 2 (см. рис. 2.13) различаются наклоном. При одном и том же интервале экспозиций 1Н = lgH2 - lgHt на материале 1 получится более контрастное изображение, <?xml version="1.0"?>
где <?xml version="1.0"?>

Для определения светочувствительности материала задаются критерием - какой-либо оптической плотностью изображения. Как правило, критерий для каждого рода материалов нормируется или стандартизируется. Обычно это оптическая плотность, немного превышающая минимальную, например Dmin + 0,2:

<?xml version="1.0"?>

Для негативного копировального слоя (см. рис. 2.11) характеристическая кривая имеет несколько иной вид (рис. 2.14 Рис. 2.14. Характеристическая кривая негативного копировального слоя). В этом случае с увеличением экспозиции растет толщина сшитого и не удаленного при проявлении слоя h. Поэтому кривая строится в координатах h(lgHa), где Нэ - энергетическая экспозиция. На неэкспонированных участках слой должен быть удален полностью до подложки. Поэтому в пороговой точке а толщина слоя равна нулю. Величина <?xml version="1.0"?>
соответствует исходной толщине слоя, для которого строят характеристическую кривую.

В качестве критерия светочувствительности выбирают определенную толщину слоя <?xml version="1.0"?>
,

<?xml version="1.0"?>

либо ее определяют для рабочей толщины слоя, используемой на практике. В последнем случае определяется рабочая светочувствительность:

<?xml version="1.0"?>

Наклон кривых должен быть большим, т.е. слои должен быть контрастным. В этом случае обеспечиваются более резкие края элементов изображения на копии.

Фотоактиничная экспозиция

Используемые в репродукционной технике светочувствительные материалы имеют в большинстве неодинаковую спектральную чувствительность к излучениям различных длин волн (рис. 2.15 Рис. 2.15. Кривые спектральной чувствительности ортохроматической фототехнической пленки (1) и копировального слоя (2)).

Поэтому на одинаковые экспозиции (энергетические или световые) материал будет отвечать различными полезными реакциями, если спектральный состав излучения будет неодинаковым. Изменение спектрального состава излучения приведет к изменению интегральной светочувствительности, потому что для получения критериальной плотности потребуется другая величина критериальной экспозиции.

Одинаковые результаты экспонирования могут быть получены лишь при одинаковых фотоактиничных экспозициях <?xml version="1.0"?>
.

Для монохроматического излучения фотоактиничная экспозиция представляет собой произведение монохроматической экспозиции <?xml version="1.0"?>
на спектральную чувствительность материала к излучению данной длины волны <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

Для сложного излучения фотоактиничная экспозиция определяется выражением

<?xml version="1.0"?>

Так как экспозиция равна произведению освещенности <?xml version="1.0"?>
на время экспонирования t, то формулу, приведенную выше, можно записать в виде

<?xml version="1.0"?>

где а - актиничность излучения; <?xml version="1.0"?>
- длины волн, ограничивающие спектральный диапазон используемого излучения.

Спектральная чувствительность, как и интегральная, определяется по формуле <?xml version="1.0"?>
. Разница заключается в том, что для интегральной светочувствительности используют и энергетическую, и световую экспозицию, а для спектральной - только энергетическую.

Размерность <?xml version="1.0"?>
, поэтому фотоактиничная экспозиция-величина безразмерная, а актиничность для светочувствительных материалов, равная <?xml version="1.0"?>
, имеет размерность <?xml version="1.0"?>
.

Фотоактиничная экспозиция, требуемая для получения критериальной полезной реакции (<?xml version="1.0"?>
), принимается за 1,0. Понятно, что для других оптических плотностей, не равных критериальным, она будет отличаться от 1,0.

Одним из наиболее широко применяемых приемников оптического излучения являются фотографические материалы на основе галогенида серебра (AgHal). В общем случае все фотоматериалы (фотопленка, фотобумага и т.д.) можно отнести к фотохимическим приемникам, у которых под действием излучения меняется структура некоторых микрокристаллов (мы рассматриваем взаимодействие излучения только с галогенидосеребряными материалами, предназначенными для получения черно-белого изображения). При этом под действием поглощенного фотона микрокристалла происходит следующая реакция, лежащая в основе фотографического процесса:

<?xml version="1.0"?>

где Наl = Сl, Вr, J.

Материалом для регистрации изображения служит взвесь микрокристаллов галогенида серебра в полимерной матрице связующего (обычно желатина). Это связующее является не только слоем-носителем изображения и защитным коллоидом для сохранения нужной дисперсности зерен галогенида серебра, но и влияет на эффективность всего фотографического процесса. Так, квантовый выход реакции в желатине близок к 1.

Любой фотоматериал состоит из двух основных частей: подложки, или основы, и светочувствительного эмульсионного слоя. Кроме того, он включает в себя еще вспомогательные слои.

Общая схема строения фотографического материала на основе галогенида серебра представлена на рис. 2.16 Рис. 2.16. Строение светочувствительного галогенидосеребряного фотографического материала. Верхний защитный слой 1, выполненный из хорошо задубленного желатина, предназначен для предохранения эмульсионного слоя 2 от механических повреждений. Эмульсионный (светочувствительный) слой является важнейшей составляющей фотографического материала, так как в нем протекают все процессы, приводящие к образованию видимого изображения. Эмульсионный слой представляет собой желатиновую пленку, в которой диспергированы малые по размерам микрокристаллы AgHal. Для лучшего сцепления гидрофильного эмульсионного слоя с гидрофобной подложкой-основой 4 между ними наносят подслой 3. Подслой представляет собой желатиновую пленку с включенным в нее дубителем. Основой фотографического материала чаще всего служат прозрачные полимерные пленки, стекло, бумага. В случае фотобумаг между эмульсионным слоем и подложкой наносят баритовый слой (на рис. 2.16 не показан), препятствующий проникновению из подложки в эмульсионный слой вредных примесей, а также предназначенный для увеличения белизны фотобумаги. На прозрачную подложку со стороны, обратной эмульсионному слою, наносят противослой, препятствующий скручиванию фотопленки. Если этот противослой окрашен соответствующими красителями, то он выполняет также функции противоореольного слоя 5, препятствующего образованию ореолов отражения.

Фотографическая эмульсия. Параметры, определяющие ее свойства

Фотографическая эмульсия представляет собой тонкую взвесь микрокристаллов галогенида серебра в желатине. При высыхании на основе образуется эмульсионный слой, в котором равномерно распределены микрокристаллы AgHal.

По своей форме микрокристаллы очень разнообразны. Они могут иметь форму усеченных треугольников, треугольников, шестиугольников и т.д. (рис. 2.17 Рис. 2.17. Характерные формы эмульсионных микрокристаллов). Как правило, микрокристаллы AgHal ориентированы в желатине параллельно плоскости основы. Их размер в поперечнике колеблется от 0,03 до 3 мкм.

Светочувствительность S микрокристаллов галогенида серебра связана с природой галогенида и степенью дисперсности AgHal.

Так, определено, что

<?xml version="1.0"?>

Малочувствительные эмульсии содержат, как правило, более мелкие микрокристаллы, а высокочувствительные - более крупные.

В процессе изготовления фотографической эмульсии в ее состав вводят ряд добавок для достижения определенных свойств. Так, в состав светочувствительной эмульсии вводят: антисептики - вещества, препятствующие порче эмульсии; стабилизаторы, предотвращающие ухудшение фотографических свойств материала; дубители, улучшающие физико-механические свойства эмульсионного слоя; смачиватели, улучшающие равномерность полива. Очень важной добавкой в состав эмульсионного слоя являются спектральные сенсибилизаторы. Эти сложные органические вещества обеспечивают расширение спектральной чувствительности AgHal.

Спектральная сенсибилизация. Ее сущность и назначение

Применяемые в фотографии светочувствительные материалы на основе галогенидов серебра характеризуются избирательным поглощением света.

Интервал собственной светочувствительности AgHal зависит от ряда факторов и не превышает 550 нм у AgJ (микрокристаллы AgCl чувствительны к излучениям до 410 нм, a AgBr - до 460 нм). Таким образом, фотослои, содержащие лишь галогенид серебра, чувствительны к сине-фиолетовой части спектра. Поэтому такие фотографические материалы можно использовать лишь для съемки черно-белых объектов. Для расширения зоны спектральной чувствительности фотоматериала в состав светочувствительной эмульсии вводят красители. Эти вещества, адсорбируясь на поверхности микрокристаллов AgHal, очувствляют их к области спектра, соответствующей поглощению красителя.

Красители, очувствляющие галогениды серебра к длинноволновой области спектра, получили название спектральных (или оптических) сенсибилизаторов, а сам процесс очувствления эмульсии такими красителями - спектральной (оптической) сенсибилизации.

К спектральным сенсибилизаторам, которые, как правило, вводятся в состав светочувствительной эмульсии на последних стадиях ее изготовления, предъявляется ряд требований. Основныe из них:

1) не восстанавливать серебро из его галогенидов в процессе изготовления эмульсии и хранения фотоматериала;

2) быть химически устойчивым и стабильным во времени;

3) обеспечивать необходимую светочувствительность в заданной области спектра;

4) хорошо адсорбироваться на микрокристалле AgHal.

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют органические соединения класса цианиновых красителей. Для них характерно наличие в молекулах двух гетероциклических радикалов, соединенных цепью из нечетного числа углеродных атомов с сопряженными двойными связями (полиметиновая цепь)

(...-СН = СН-СН = СН-СН-...)

Удлинение полиметиновой цепи ведет к сдвигу чувствительности в длинноволновую область.

Что касается механизма передачи энергии возбуждения от сенсибилизатора галогениду сереб ра, то существуют два основных объяснения этого процесса:

1) передача красителем энергии возбуждения, полученной им при поглощении кванта света, микрокристаллу AgHal, в котором в результате этого взаимодействия высвобождается электрон;

2) непосредственная передача электрона из красителя в микрокристалл.

В зависимости от строения красителя и его физико-химических свойств он может сенсибилизировать светочувствительный слой к различным участкам спектра, от зеленого до инфракрасного.

При действии света на фотографический слой часть микрокристаллов галогенида серебра, подвергшихся экспонированию, приобретает новое качество. На экспонированных микрокристаллах AgHal увеличивается количество металлического серебра, распределенного довольно неравномерно по поверхности и в объеме микрокристалла. Образовавшееся в процессе фотолиза серебро является центром скрытого изображения.

Рассмотрим подробнее, как образуется скрытое изображение с учетом структуры микрокристалла AgHal. Галогенид серебра присутствует в светочувствительном слое в виде микрокристал-лов и имеет кубическую ионную решетку (рис. 2.18 Рис. 2.18. Расположение узлов в кристаллической решетке галогенида серебра. Зачерненными кружками обозначены узлы, занимаемые ионами серебра, светлыми - ионами галогенида), в вершинах которой находятся разноименные ионы <?xml version="1.0"?>
(аналогичную кристаллическую решетку имеет NaCl). Однако такое идеальное строение кристаллической решетки не объясняло наличия светочувствительности микрокристаллов AgHal, поскольку связи между атомами решетки велики и свет оказывает недостаточное действие для отрыва атома из решетки.

В 1938 году Р. Генри и Н. Мотт предложили теорию, объясняющую механизм образования скрытого фотографического изображения. Они обратили внимание на то, что в микрокристаллах AgHal присутствуют примесные центры, в основном сульфида серебра (<?xml version="1.0"?>
) и частично серебряные. Кроме того, в строении самой решетки имеется ряд дефектов: трещины, дислокации и т.д. - зоны пониженной энергии.

Схематически процесс образования скрытого изображения может быть представлен следующим образом. Квант света поглощается ионом галогенида серебра. Выделившийся при этом электрон движется внутри кристаллической решетки, пока не попадет в зону пониженной энергии (потенциальную яму), являющуюся центром светочувствительности. Электрон сообщает центру отрицательный заряд, нейтрализуемый положительно заряженным ионом серебра:

<?xml version="1.0"?>

Образовавшийся атом серебра увеличивает глубину "потенциальной ямы", т.е. увеличивает вероятность захвата электрона при действии следующего кванта света. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется крупный и достаточно устойчивый центр скрытого изображения.

В результате воздействия света на фотографический слой в нем происходит образование скрытого изображения, не видимого глазом. Для его визуализации проводят химико-фотографическую обработку светочувствительных материалов на основе галогенида серебра. Такая обработка представляет собой совокупность сложных физико-химических процессов, которые проводят после экспонирования с целью получения устойчивого видимого изображения. К основным стадиям химико-фотографической обработки относят проявление скрытого изображения и фиксирование проявленного изображения.

Под проявлением понимают избирательный процесс восстановления экспонированных микрокристаллов галогенида серебра в эмульсионном слое фотоматериала, приводящий к превращению скрытого изображения в видимое. Восстановление серебра в центрах скрытого изображения может осуществляться двумя способами.

В первом способе восстановление серебра в центрах скрытого изображения может происходить из раствора. Для этого раствор должен содержать ионы серебра или иметь в своем составе ионы галогенида серебра. Такое проявление называется физическим. В его основе лежат реакции, заключающиеся в восстановлении <?xml version="1.0"?>
из <?xml version="1.0"?>
.

Образовавшиеся атомы серебра (<?xml version="1.0"?>
) осаждаются из раствора на центрах скрытого изображения и делают его видимым.

Во втором способе восстановление ионов серебра происходит непосредственно из микрокристаллов AgHal, подвергшихся воздействию света. Такое проявление называется химическим. Для современных фотоматериалов оно является главным.

Реакцию процесса проявления можно представить в общем виде:

<?xml version="1.0"?>

где Hal - Cl, Br, I; HRed - проявляющее вещество; Ох - окисленная форма проявляющего вещества.

Как видно из реакции, проявление представляет собой окислительно-восстановительный процесс.

Применяемые на практике проявители представляют собой водные растворы, состоящие из следующих основных компонентов: проявляющие вещества, ускоряющие вещества, консервирующие и противовуалирующие вещества.

Проявляющие вещества - химические соединения, легко отдающие электрон и избирательно восстанавливающие ионы серебра до металлического. Избирательность заключается в способности проявляющего вещества восстанавливать только те микрокристаллы, на которых имеется серебряный центр скрытого изображения.

В качестве проявляющих веществ чаще всего используют органические соединения ароматического ряда, содержащие не менее двух активных окси- или аминогрупп, или их сочетание - метол, гидрохинон, парафенилендиаминидр.

Ускоряющие вещества - вещества, создающие щелочную реакцию раствора и убыстряющие процесс проявления. К таким веществам относятся щелочи (NaOH, КОН), соли слабых кислот и сильных оснований, создающие щелочную реакцию в результате их гидролиза (<?xml version="1.0"?>
и т.д.). Ввод ускоряющего вещества в состав проявителя обусловлен тем, что проявляющей способностью обладает лишь активная форма - анион, образующийся при диссоциации молекулы проявляющего вещества в щелочной среде. Выбор конкретного ускоряющего вещества зависит от типа проявителя.

Консервирующее вещество - соединение, предохраняющее проявитель от быстрого окисления воздухом. Чаще всего в качестве консервирующего вещества в состав проявителя вводят сульфит натрия (<?xml version="1.0"?>
). Ввод этого соединения связан с тем, что все органические проявляющие вещества являются сильными восстановителями и легко окисляются не только в процессе Проявления, но и кислородом воздуха.

Противовуалирующие вещества. Несмотря на высокую избирательность проявляющих веществ, в процессе химико-фотографической обработки фотоматериала на участках, не подвергшихся воздействию света, может образоваться почернение - вуаль. Ее образование связано с тем, что в процессе изготовления эмульсии или хранения фотоматериала центры светочувствительности на микрокристаллах AgHal могут увеличить свой размер до критических значений и превратиться в центр вуали. Центр вуали действует так же, как и центр скрытого изображения, и способен восстанавливать микрокристаллы AgHal без действия света.

Вуаль отрицательно сказывается на фотографических и структурометрических характеристиках изображения. Для предотвращения роста вуали в процессе химико-фотографической обработки изображения в состав проявителя вводят противовуалирующее вещество. Его введение в состав проявляющего раствора увеличивает также его избирательное действие.

В качестве противовуалирующих веществ применяют бромистый калий (КВr) или органические соединения, например бензотриазол.

Другой основной стадией химико-фотографической обработки светочувствительного галогенидосеребряного материала является фиксирование проявленного изображения. В его основе - растворение не восстановленных при проявлении галогенидов серебра в эмульсионном слое фотоматериала с образованием растворимых комплексных солей серебра, удаляемых путем промывки. Обычно для этой цели служат растворы тиосульфата натрия (<?xml version="1.0"?>
). Растворяющее действие тиосульфата натрия заключается в понижении концентрации ионов <?xml version="1.0"?>
в растворе путем связывания их в комплексный ион.

Реакция фиксирования протекает, как правило, в две стадии. Вначале образуется плохо растворимая комплексная соль <?xml version="1.0"?>
и лишь затем хорошо растворимая комплексная соль <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

Отфиксированное изображение должно быть хорошо промыто в проточной воде с целью избежания появления бурых пятен при длительном хранении.

В данном подразделе вкратце рассмотрены лишь основные вопросы химико-фотографической обработки галогенидосеребряных материалов. Помимо проявления и фиксирования, важной стадией является промывка и условия, в которых она проводится. Для корректуры полученных изображений могут проводиться процессы усиления или ослабления почернений. Подробно с этим можно ознакомиться в специальной литературе.

Основными черно-белыми галогенидосеребряными материалами, используемыми в полиграфической репродукционной технике, являются фототехнические пленки. Они выпускаются в большом ассортименте, причем разные типы фототехнических пленок значительно различаются по спектральной и интегральной чувствительности, контрасту получаемых на них изображений и другим свойствам. Указанные выше свойства материалов не являются постоянными для каждой пленки, а зависят от условий экспонирования и проявления.

В данном разделе рассматриваются способ определения фотографических характеристик галогенидосеребряных фотоматериалов и факторы, на них влияющие. Способ стандартизован (см. подразд. 4.1) и называется сенситометрическим испытанием, а сами характеристики получили название сенситометрических параметров фотографического материала.

В основе сенситометрического метода лежит получение в заданных условиях характеристической кривой фотоматериала и определение по этой кривой сенситометрических параметров: светочувствительности, коэффициента контрастности, фотографической широты, полезного интервала экспозиций, минимальной и максимальной оптической плотности.

Условия получения характеристической кривой стандартизируются, так как характеристическая кривая зависит от условий экспонирования и проявления. О стандартизации условий сенситометрического испытания будет рассказано в подразд. 4.1. Здесь рассмотрим влияние условий экспонирования и проявления на сенситометрические параметры, что позволит:

• лучше понять, как построены сенситометрические стандарты;

• иметь представление, как изменятся реальные свойства фотографического материала, если условия его эксплуатации отличаться от условий сенситометрического испытания, что случается довольно часто.

Характеристическая кривая фотографического материала

Наложим на фотографический материал черно-белую ступенчатую шкалу на прозрачной основе (рис. 2.19 Рис. 2.19. К получению характеристической кривой фотографического материала: a - экспонирование материала под шкалой-оригиналом; б - копия шкалы (негатив)) и сообщим поверхности шкалы некоторое количество освещения (экспозицию), равное <?xml version="1.0"?>
. Поверхность материала при этом получит ряд экспозиций от <?xml version="1.0"?>
Самая маленькая экспозиция будет получена за самым темным полем шкалы <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

а самая большая - за самым светлым полем с плотностью <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

После химико-фотографической обработки (проявления, фиксирования, промывки и сушки) на материале появится копия шкалы - ее негативное изображение. На этой копии оптическая плотность от поля к полю будет возрастать с увеличением полученной экспозиции. Построим график зависимости оптических плотностей изображения от логарифмов полученных экспозиций D(lgH). Этот график можно назвать характеристической кривой фотографического материала, если он построен с соблюдением следующих условий:

• фотографическое изображение получено при известных (заданных) условиях экспонирования и проявления;

• количество освещения выражено в виде световой экспозиции Н, <?xml version="1.0"?>
;

• кривая построена в декартовой системе координат при одинаковом масштабе по осям абсцисс и ординат.

Таким образом, характеристической кривой фотографического материала называют полученную экспериментально и выраженную графически зависимость оптической плотности почернения от логарифма количества освещения (экспозиции), вызвавшего это почернение в результате определенной химико-фотографической обработки.

Типичная характеристическая кривая фотографического материала показана на рис. 2.20 Рис. 2.20. Типичная характеристическая кривая фотографического материала. Ее участки и особые точки. На кривой можно выделить следующие участки и особые точки.

Участок постоянной оптической плотности до точки а называется областью вуали. Его плотность называют плотностью вуали <?xml version="1.0"?>
или (правильнее) минимальной плотностью <?xml version="1.0"?>
. Минимальная плотность <?xml version="1.0"?>
складывается из оптической плотности основы фотоматериала и плотности вуали - небольшого почернения, появляющегося после проявления на неэкспонированных участках. Экспозиция <?xml version="1.0"?>
, соответствующая точке а, называется пороговой, так как все экспозиции, большие <?xml version="1.0"?>
, оказывают на материал фотографическое действие, а H <<?xml version="1.0"?>
этого действия не оказывает.

От точки б начинается прямолинейный участок кривой, заканчивающийся в точке в. На прямолинейном участке приращение оптической плотности <?xml version="1.0"?>
изображения пропорционально приращению логарифма экспозиции <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом контрастности.

В точке r достигается максимальная оптическая плотность D и дальнейшее приращение lgH не приводит к увеличению оптической плотности изображения. При значительном увеличении экспозиции может произойти уменьшение плотности (осветление). Причина его - эффект соляризации. Область соляризации - часть кривой, показанная на рис. 2.20 пунктирной линией. В данном учебнике эффект соляризации не рассматривается. Участки кривой а-б и в-г называют нижним и верхним криволинейными участками.

Из рис. 2.20 видно, что характеристическая кривая имеет переменный наклон, который характеризуется градиентом кривой g. Градиент вычисляется по формуле

g = dD/dlgH (2.4.4)

и представляет тангенс угла наклона касательной к кривой в каждой ее точке. На рис. 2.21 Рис. 2.21. Характеристическая кривая фотографического материала и кривая градиентов характеристической кривой показана кривая изменения градиента, на которой обозначены особые точки характеристической кривой. На нижнем и верхнем криволинейных участках градиент кривой - величина переменная. Он изменяется от g = 0 в предельных точках кривой а и г и достигает максимума в точках б и в, ограничивающих прямолинейный участок. Здесь градиент максимален и равен коэффициенту контрастности <?xml version="1.0"?>
.

Вблизи точек а и г градиенты близки к нулю, и увеличение экспозиции приводит к такому маленькому изменению оптической плотности, что глаз его не замечает. Минимальное значение градиента, при котором изменение плотности становится различимым, называется минимальным полезным градиентом <?xml version="1.0"?>
. Условно принимают величину <?xml version="1.0"?>
= 0,2. Точки на кривой, где g = 0,2, m и n, называют точками минимального полезного градиента. Между этими точками расположена полезная часть характеристической кривой. Ей соответствует полезный интервал экспозиций

<?xml version="1.0"?>

и полезный интервал оптических плотностей <?xml version="1.0"?>

Именно полезная часть кривой используется для получения удовлетворительного фотографического изображения.

По характеристической кривой определяют параметры фотографического материала, перечисленные ниже.

Светочувствительность - величина, обратная экспозиции, необходимой для получения определенного фотографического эффекта, принятого за критерий:

<?xml version="1.0"?>

где H - экспозиция, <?xml version="1.0"?>
. Коэффициент пропорциональности k и критерий, равный <?xml version="1.0"?>
стандартизируются и могут быть различными для разных типов фотоматериалов. Для фототехнических пленок (кроме высококонтрастных) светочувствительность определяется по формуле

<?xml version="1.0"?>

Точка <?xml version="1.0"?>
+ 0,2 расположена недалеко от точки m и соответствует минимальному почернению, хорошо различимому на фоне. Светочувствительность связана с характеристической кривой с абсциссой lgH, что видно на рис. 2.22 Рис. 2.22. К определению понятия 'светочувствительность фотографического материала' (<?xml version="1.0"?>
- критериальная оптическая плотность, <?xml version="1.0"?>
- критериальная экспозиция. Светочувствительность материала 1 больше светочувствительности материала 2). Она выражается в <?xml version="1.0"?>
.

По прямолинейному участку кривой определяют два параметра: коэффициент контрастности <?xml version="1.0"?>
и фотографическую широту L (рис. 2.23 Рис. 2.23. Определение по прямолинейному участку характеристической кривой коэффициента контрастности и фотографической широты L).

Коэффициент контрастности <?xml version="1.0"?>
представляет тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой к оси lgH и может быть рассчитан по формуле

<?xml version="1.0"?>

Фотографическая широта L равна интервалу экспозиций, соответствующему прямолинейному участку кривой

<?xml version="1.0"?>

Характеристики <?xml version="1.0"?>
и L отражают возможности линейного воспроизведения изображения.

Две следующие характеристики связаны с полезной частью характеристической кривой (рис. 2.24). Это средний градиент кривой <?xml version="1.0"?>
и полезный интервал экспозиций <?xml version="1.0"?>
.

Полезный интервал экспозиций<?xml version="1.0"?>
представляет собой интервал экспозиций, соответствующий полезной части кривой. Он вычисляется по формуле

<?xml version="1.0"?>

Точки m и n можно найти известным геометрическим способом, показанным на рис. 2.24 Рис. 2.24. Полезная часть характеристической кривой (Определение среднего градиента кривой <?xml version="1.0"?>
и полезного интервала экспозиций <?xml version="1.0"?>
).

Средний градиент<?xml version="1.0"?>
представляет собой тангенс угла наклона прямой, соединяющей полезные точки m и n, к оси lgH. К числу стандартных параметров он не относится, но весьма важен в тех случаях, когда характеристическая кривая не имеет протяженного прямолинейного участка. Он определяется по формуле

<?xml version="1.0"?>

Минимальная плотность<?xml version="1.0"?>
- величина, равная сумме плотностей вуали и подложки. Измеряется на неэкспонированном участке.

Максимальная плотность<?xml version="1.0"?>
- максимальная величина, получаемая на фотографическом материале при данных условиях химико-фотографической обработки. Измеряется на образце, получившем очень большую экспозицию и проявленном совместно со шкалой.

Конечно, характеристическая кривая принадлежит конкретному фотографическому материалу и является его характеристикой. Но у каждого материала на характеристическую кривую влияют условия экспонирования и проявления. К ним относятся:

• спектральный состав излучения;

• уровень освещенности, а также способ получения шкалы экспозиций с изменением освещенности (<?xml version="1.0"?>
) или времени экспонирования (<?xml version="1.0"?>
);

• состав проявителя;

• режимы проявления - температура проявителя, интенсивность его перемешивания;

• время проявления.

В полиграфии используются разнообразные типы фотоматериалов: черно-белые, цветные и специальные материалы, например прямопозитивные, образующие после проявления не негативное (как обычно) изображение, а позитивное.

В данном разделе рассматриваются черно-белые фототехнические пленки, широко используемые в полиграфической технологии при изготовлении печатных форм.

Фототехнические пленки подразделяются:

• по степени сенсибилизации, т.е. по спектральной чувствительности <?xml version="1.0"?>
. На рис. 2.25 Рис. 2.25. Кривые спектральной чувствительности галогенидосеребряных фотоматериалов: 1 - несенсибилизированного; 2 - ортохроматического; 3 - изопанхроматического; 4 - панхроматического показаны спектральные кривые несенсибилизированного материала, чувствительного к сине-фиолетовой зоне спектра до <?xml version="1.0"?>
= 500 нм (кривая 1), ортохроматического, чувствительного к излучениям синим, зеленым и желто-зеленым до <?xml version="1.0"?>
= 600-620 нм (кривая 2) и изопанхроматического, более или менее равномерно чувствительного ко всему видимому спектру (кривые 3 и 4);

• по коэффициенту контрастности фотоматериалы делятся на:

- мягкие и нормальные с <?xml version="1.0"?>
. Они используются для воспроизведения тоновых изображений,

- контрастные с <?xml version="1.0"?>
= 3-5. Их применяют для воспроизведения штриховых изображений,

- сверхконтрастные с <?xml version="1.0"?>
= 7-10, используемые для получения растровых изображений;

• по светочувствительности, т.е. материалы различных типов имеют различную светочувствительность, которая, как правило, повышается с увеличением степени сенсибилизации фототехники и с понижением коэффициента контрастности.

Актиничность излучения, т.е. его эффективность, определяется спектральным составом излучения <?xml version="1.0"?>
, падающего на материал, и спектральной чувствительностью материала <?xml version="1.0"?>
. Из рис. 2.25 видно, что только изопанхроматические материалы имеют спектральную чувствительность в винимой области спектра, практически не зависящую от длины волны. Изображения, получаемые на этих материалах, мало изменяются со спектральным составом излучения.

Широко используемые в полиграфии ортохроматические фотопленки не чувствительны к красному свету. Поэтому при равных количествах освещения (экспозициях) для таких фотопленок более актиничным будет свет, содержащий меньшую долю неэффективного красного излучения. На рис. 2.26 Рис. 2.26. Взаимное положение характеристических кривых галогенидосеребряных фотоматериалов при использовании излучений с цветовыми температурами - 2850 К (1) и 10000 К (2): а - материал изопанхроматический, б - ортохроматический, в - несенсибилизированный показано взаимное расположение характеристических кривых, полученных при использовании излучений с цветовыми температурами 2850 К (максимум спектральной кривой в красной зоне) и 10000 К (преобладает синее излучение).

Из рисунка видно, что смена источника света с <?xml version="1.0"?>
= 2850 К На источник с <?xml version="1.0"?>
= 10000 К приводит к сдвигу характеристической кривой влево, т.е. к повышению светочувствительности.

Этот сдвиг вызван уменьшением доли красного и повышением доли синего. На изопанхроматической пленке сдвиг практически отсутствует (рис. 2.26, а). Сдвиг кривой мало заметен, потому что чувствительность к красным и синим излучениям у пленки почти одинакова. По-другому повели себя несенсибилизированная (рис. 2.26, в) и ортохроматическая (рис. 2.26, б) пленки, не чувствительные к красному свету. Для них излучение с <?xml version="1.0"?>
= 10000 К оказалось значительно актиничнее, чем излучение с цветовой температурой <?xml version="1.0"?>
= 2850 К.

Картина осложняется еще и тем, что для построения характеристических кривых используется визуальная экспозиция Н, являющаяся производной светового потока, эффективного для глаза (а не для фотоматериала).

К середине XIX века было установлено, что:

• любая фотохимическая реакция идет за счет части потока излучения, поглощаемой реакционной системой (закон Гротгуса-Дрепера);

• для всех фотохимических реакций малая мощность излучения может быть скомпенсирована большим временем освещения, и наоборот (Бунзен и Роско). Этот постулат получил названия "закон взаимозаместимости" и "закон Бунзена и Роско". Его суть в том, что выход фотохимической реакции зависит только от полученного системой количества освещения (экспозиция <?xml version="1.0"?>
), но не зависит от соотношения Е и t, т.е. освещенность Е и время освещения t "взаимозаместимы".

Закон, хорошо выполняющийся для простых (в основном первичных) фотохимических реакций, был перенесен на сложные практически используемые светочувствительные системы с их многоступенчатым процессом получения изображения. Так, было принято, что результат действия света на фотографический материал однозначно связан с величиной экспозиции. Это привело к широкому использованию в фотографической науке и сенситометрии характеристических кривых D(lgH) и расчету светочувствительности по критериальной экспозиции: S= k/<?xml version="1.0"?>
.

Однако уже в конце ХIХ века астрономы столкнулись с несоблюдением закона взаимозаместимости. Они заметили, что при астрономических съемках (при низких освещенностях) материалы "теряют часть светочувствительности". При экспозициях, одинаковых с используемыми при обычной съемке, на астрономических снимках получались заметно более низкие оптические плотности.

Немецкий астроном Шварцшильд в ходе проведенных им исследований пришел к выводу, что для получения при фотографической съемке постоянных результатов должно быть соблюдено условие

<?xml version="1.0"?>

Параметр <?xml version="1.0"?>
0,7-0,9 был назван экспонентом Шварцшильда. Дальнейшие исследования "отклонения от закона взаимозаместимости" фотографических систем показали, что величина р зависит от условий обработки и изменяется с освещенностью. На рис. 2.27 Рис. 2.27. Зависимость оптической плотности изображения D от логарифма освещенности при постоянной экспозиции: 1 - закон взаимозаместимости не соблюдается; 2 - соблюдается показана типичная зависимость <?xml version="1.0"?>
. Видно, что при отклонении от оптимальных условий освещения <?xml version="1.0"?>
эффективность экспозиции уменьшается и плотности изображения падают.

Для характеристики степени отклонения фотографических систем от закона взаимозаместимости строят экспериментальные кривые lgH(lgE) при D = const; lgH(lgt) при D = const. Эти кривые называют изоопаками (кривыми равных оптических плотностей). Их типичная форма показана на рис. 2.28 Рис. 2.28 (Изоопака <?xml version="1.0"?>
- оптимальная освещенность; <?xml version="1.0"?>
- экспозиция, требуемая для получения плотности D при оптимальной освещенности) и рис. 2.29 Рис. 2.29 (Изоопака <?xml version="1.0"?>
- оптимальное время экспонирования; <?xml version="1.0"?>
- экспозиция, требуемая для получения оптической плотности D при оптимальном времени экспонирования).

Наклон ветвей изоопак связан с экспонентом Шварцшильда. Чтобы понять характер связи, проведем два преобразования уравнения Шварцшильда.

1. К изоопаке lgH(lgt) при D = const. Выразим Е через экспозицию Е = H/t и подставим это выражение в формулу <?xml version="1.0"?>
= const. Получим <?xml version="1.0"?>
= const. Прологарифмируем выражение:

<?xml version="1.0"?>

Продифференцируем логарифмическое выражение по lgt

lgH+(p-1)lgt= const.

Решив полученное уравнение относительно р, получим выражение

p = 1 - dlgH/dlgt (2.4.13)

Величина dlgH/dlgt представляет собой градиент изоопаки <?xml version="1.0"?>
. Следовательно, р = 1 - <?xml version="1.0"?>
. Для левой ее ветви градиент отрицателен и р > 1 , а для правой (малые освещенности) <?xml version="1.0"?>
положителен и р < 1 (обычно 0,7-0,9). Формула 2.4.13 используется для фотографических материалов.

2. К изоопаке lgH(lgE) при D = const. Выразим t через экспозицию. Получим <?xml version="1.0"?>
. После логарифмирования выражения (plgH - (p - 1) lgE = const) и дифференцирования полученного уравнения по lgE имеем

p(dlgH/dlgE) - 1 + 1/p = 0.

Так как <?xml version="1.0"?>
, то dlgH/dlgE - 1 + 1/р = 0, из чего следует, что

<?xml version="1.0"?>

Эта формула используется для многих светочувствительных систем, например копировальных слоев.

Очевидно, что при использовании изоопаки lgH(lgt) при D = const формула для расчета экспонента Шварцшильда проще. Вероятно, поэтому такая форма изоопаки принята для практического использования при работе с фотоматериалами.

В изоопаке (рис. 2.30 Рис. 2.30 (Участки изоопаки <?xml version="1.0"?>
I - левая ветвь изоопаки с р > 1; II - область максимальной светочувствительности; III - правая ветвь изоопаки с р < 1)) можно выделить три части: среднюю, где р = 1, - это область максимальной светочувствительности (желательно использовать фотоматериал при временах экспонирования, лежащих в этом диапазоне); левую ветвь, относящуюся к съемке при высоких освещенностях с р > 1; правую ветвь - для низких освещенностей с р < 1.

Изоопака строится для определенной "опорной" плотности. При увеличении опорной плотности оптимальное время экспонирования <?xml version="1.0"?>
увеличивается.

Форма и положение изоопаки зависит и от условий проявления.

Из сказанного выше можно сделать следующие выводы.

• Получение характеристической кривой материала следует проводить в условиях, максимально приближенных к условиям практического использования. Иначе можно столкнуться с заметным изменением светочувствительности по сравнению с величиной, установленной при его сенситометрическом испытании. То же происходит, если материал используется не по назначению.

• Характеристическая кривая зависит от того, как задается ряд экспозиций: по шкале освещенностей (<?xml version="1.0"?>
, t = const) или по шкале времени (<?xml version="1.0"?>
, E = const). На практике вся поверхность фотоматериала экспонируется с одним временем экспонирования, а освещенности различных участков поверхности изменяются в соответствии с изображением. Чтобы приблизиться к практическим условиям, при сенситометрическом испытании фотоматериалов используют шкалу освещенностей.

• При применении материала не по назначению (при низких или высоких освещенностях) следует найти диапазон времен экспонирования, в котором соблюдается закон взаимозаместимости, и если практическое время экспонирования выходит за эти пределы, внести поправку в условия экспонирования в соответствии с изоопакой. Изоопаки приводятся в справочниках.

Характеристическая кривая фотографического материала зависит от типа проявителя (состава проявляющего раствора), температуры проявителя, интенсивности перемешивания раствора и времени проявления. Начнем с последнего.

Кинетика проявления

Если сообщить участку фотоматериала какую-либо экспозицию (H1 и поместить материал в проявитель, то экспонированный участок начнет постепенно темнеть, пока не достигнет максимальной для этих условий оптической плотности. Скорость увеличения плотности и достигаемая плотность зависят от полученных участками количеств освещения - экспозиций Нi. Графики зависимости оптической плотности от времени проявления <?xml version="1.0"?>
показывают кинетику проявления участков, получивших заданную экспозицию. Такие кривые приведены на рис. 2.31 Рис. 2.31. Кривые кинетики проявления участков, получивших различные экспозиции (Н2 больше H1), и кривая кинетики проявления вуали (Н = 0). Проявляется материал, которому сообщены экспозиции Н1 и Н2, причем Н2 больше Н1. Из рисунка видно, что кривые <?xml version="1.0"?>
имеют нелинейный характер.

Кривые кинетики проявления

Начнем проявлять сенситограмму-копию шкалы-клина (см. подразд. 4.1). Для фиксированных времен проявления построим характеристические кривые D(lgH). Совокупность таких кривых называют семейством характеристических кривых (рис. 2.32 Рис. 2.32. Семейство характеристических кривых, полученных при различных временах проявления). Обычно его строят, увеличивая время проявления в одинаковое число раз, например, 0,5; 1; 2; 4; 8; 16 мин. Зависимость скорости проявления от экспозиции приводит к росту коэффициента контрастности фотоматериала в процессе проявления, вплоть до достижения участками, получившими большую экспозицию, высоких оптических плотностей. Их проявление замедляется, а малоэкспонированные участки продолжают проявляться. Коэффициент контрастности начинает уменьшаться. Таким образом, при длительном проявлении коэффициент контрастности проходит через максимум. Непрерывно изменяется светочувствительность и возрастает плотность вуали.

Графики изменения сенситометрических параметров фотографического материала от времени проявления в фотографической сенситометрии называют кривыми кинетики проявления. Типичные кривые кинетики (графики зависимости светочувствительности S, коэффициента контрастности <?xml version="1.0"?>
и плотности вуали <?xml version="1.0"?>
от времени проявления <?xml version="1.0"?>
) приведены на рис. 2.33 Рис. 2.33 (Кривые кинетики проявления <?xml version="1.0"?>
- сенситометрические характеристики материала при времени проявления <?xml version="1.0"?>
). <?xml version="1.0"?>
(на денситометре можно измерить только <?xml version="1.0"?>
, представляющую сумму плотностей основы и вуали).

Чтобы материал имел заданные характеристики, необходимы не только определенные проявитель и условия проявления, но и определенное время проявления.

Влияние режимов проявления - температуры проявителя и интенсивности перемешивания

Участки фотоматериала, получившие большую и малую экспозицию, а также вуаль имеют различную кинетику проявления. Процесс проявления вуали и мало экспонированных участков имеет химическую кинетику. Его ускоряет все, что повышает скорость химической реакции. Один из самых эффективных способов ускорения реакции - повышение температуры проявления. Изменение интенсивности перемешивания, т.е. скорости доставки в эмульсионный слой проявителя, мало влияет на проявление вуали и участков малой оптической плотности.

Совсем по-другому обстоит дело с участками, получившими большую экспозицию. Процесс их проявления имеет диффузионную кинетику. Дело в том, что реакция проявления происходит за счет проявляющего вещества, содержащегося внутри набухшего эмульсионного слоя. При высокой скорости реакции вблизи больших центров проявления концентрация проявляющего вещества в слое быстро падает и ее не успевает восполнять проявляющее вещество, поступающее в слой диффузионным путем из раствора. Таким образом, скорость процесса лимитируется диффузией активных веществ. Возрастание скорости реакции с повышением температуры, конечно, происходит, но в большей степени на процесс влияет перемешивание, интенсифицирующее доставку активных веществ к границе раствор - эмульсионный слой и диффузию веществ в слое.

При повышении температуры проявителя кривые кинетики <?xml version="1.0"?>
проходят через максимум при меньших временах проявления. При одинаковых временах проявления <?xml version="1.0"?>
растут с температурой. Однако при одинаковой степени проявленности Под одинаковой степенью проявленности подразумевают достижение при различных условиях проявления одинаковой величины какого-либо параметра, например светочувствительности. сенситограмм при повышенных температурах получается характеристическая кривая с меньшим средним градиентом. И коэффициент контрастности снижается. Появляется опасность чрезмерного роста вуали.

При повышении интенсивности перемешивания скорость проявления и контраст изображения возрастают. Повышается градиент кривой в верхнем криволинейном участке и увеличивается равномерность проявления сплошных участков. Эти изменения происходят вплоть до определенной скорости перемешивания, после чего его дальнейшая интенсификация на проявлении не сказывается.

По возможности следует проводить проявление при интенсивном перемешивании, что легче всего осуществляется в проявочных устройствах и проявочных машинах.

Из материала, рассмотренного в подразд. 2.4.3, ясно следующее:

• характеристическая кривая и фотографические характеристики (параметры) фотографического материала зависят от условий экспонирования и химико-фотографической обработки;

• при определении фотографических характеристик фотоматериала, т.е. при его сенситометрическом испытании, все рассмотренные выше условия получения изображения должны быть нормированы (стандартизированы);

• при практическом использовании фотографических материалов их следует экспонировать и обрабатывать в рекомендуемых условиях. Иначе они будут иметь характеристики, отличающиеся от указанных изготовителем.

Деталь объекта воспринимается нами зрительно как деталь, потому что она отличается по светлоте от фона.

^Различие, деталей по светлоте называют контрастом. При этом различают контраст смежных участков и общий контраст, относящийся к объекту в целом.

Чтобы выразить контраст количественно, удобнее пользоваться не светлотой W, а легко измеряемыми характеристиками: яркостью В и оптической плотностью D. Связь между этими характеристиками и светлотой описывается законом Вебера-Фехнера (см. подразд. 3.2.2).

Согласно этому закону, контраст изображения, равный разности светлот <?xml version="1.0"?>
, определяется отношением яркостей участков или разностью логарифмов этих величин

<?xml version="1.0"?>

разностью оптических плотностей участков изображения

<?xml version="1.0"?>

где k - коэффициент пропорциональности.

В репродукционной фотографии съемочный оригинал воспроизводится вместе с модельным оригиналом - градационной шкалой. Последняя содержит набор светлот, такой же, как у оригинала, но ее поля расположены в порядке уменьшений, светлоты (возрастания оптической плотности). Название "градационная шкала" происходит от слова "gradatio" - постоянное изменение.

В качестве градационной шкалы можно использовать равномерную шкалу-клин с константой (шагом изменения оптической плотности) 0,1-0,15. На шкале отмечают границы оптических плотностей воспроизводимого оригинала. Полученный интервал плотностей делят на три части: света, средние тона (полутона) и тени, например, света 0,1-0,4, средние тона 0,4-1,2, тени 1,2-1,5. На градационной шкале отмечают границы этих зон.

При контроле градационного воспроизведения оригинала оценивают контраст светов, средних тонов, теней и изображения в целом. При необходимости следят за воспроизведением всех полей модельного оригинала, строя градационную кривую и оценивая по последней контраст смежных участков оригинала.

Оценку контраста можно производить по любой из величин, связанных со светлотой: по оптической плотности, яркости или освещенности (оптического изображения).

При использовании яркости для оценки общего контраста измеряют минимальную и максимальную яркости объекта <?xml version="1.0"?>
. Разность логарифмов этих величин называют интервалом яркостей <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

Для оценки контраста смежных участков определяют яркости соседних участков модельного оригинала, например В1 и В2. Разность логарифмов этих величин называют деталью яркости <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

При использовании оптических плотностей контраст смежных участков определяют как разность оптических плотностей этих участков:

<?xml version="1.0"?>

Полученную величину называют деталью плотности.

Общий контраст изображения <?xml version="1.0"?>
определяют как разность оптических плотностей - максимальной и минимальной:

<?xml version="1.0"?>

Эту величину называют интервалом оптических плотностей. Интервал оптических плотностей и интервал яркостей численно равны:

<?xml version="1.0"?>

При фотографическом воспроизведении оригинала градационная шкала может быть воспроизведена точно или с искажениями. Наиболее полные сведения о качестве воспроизведения градации можно получить, построив градационный график, называемый также градационной кривой. Для его получения на ocи абсцисс откладывают оптические плотности градационной шкалы-оригинала <?xml version="1.0"?>
, а на оси ординат - оптические плотности фотографического изображения шкалы <?xml version="1.0"?>
.

Форма и положение градационного графика <?xml version="1.0"?>
относительно осей координат зависят от характера и объема градационных искажений.

Если градационных искажений нет (точная градационная передача), то оптические плотности участков изображения на оригинале и копии равны. Градационный график представляет прямую, проходящую через начало координат под углом 45<?xml version="1.0"?>
(график 1 на рис. 2.34 Рис. 2.34. Типы градационных графиков при линейной градационной передаче: а - коэффициент контрастности воспроизведения равен 1,0 (график 1 построен для точного воспроизведения, график 2 - для плотности изображения, большей плотности оригинала); б - коэффициент контрастности воспроизведения равен единице (график 1) и отличен от нее (график 2- контрастная передача, 3 - мягкая)).

Градационная передача с искажениями может быть линейной или нелинейной.

При линейной передаче градационный график представляет прямую линию, описываемую уравнением

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- оптические плотности оригинала и репродукции, a <?xml version="1.0"?>
- разность оптических плотностей репродукции и оригинала, это оптическая плотность репродукции в месте пересечения графика <?xml version="1.0"?>
с осью ординат (при <?xml version="1.0"?>
= 0). Коэффициент k при <?xml version="1.0"?>
- коэффициент контрастности воспроизведения.

Если k = 1 и <?xml version="1.0"?>
= 0, то передача является точной. Если k = 1, а <?xml version="1.0"?>
, то общий контраст и контрасты смежных участков воспроизведены точно, но оптические плотности изображения на продукции завышены или занижены на величину <?xml version="1.0"?>
(график 2 на рис. 2.34, а).

Если <?xml version="1.0"?>
, изображение имеет искажения по контрасту: при k > 1 контраст завышен (график 2 на рис. 2.34, б), при k < 1 - занижен (график 3 на рис. 2.34, б).

Если степень искажения различна в разных областях градационного графика, то график криволинеен (рис. 2.35 Рис. 2.35. Примеры нелинейной градационной передачи). В этом случае имеет место нелинейная градационная передача с переменным градиентом воспроизведения:

<?xml version="1.0"?>

где D - оптическая плотность полученного изображения. При такой передаче следует обратить внимание на воспроизведение светов и теней, оценивая как детали плотности изображения, так и средние градиенты воспроизведения светов, средних тонов и теней:

<?xml version="1.0"?>

Общий контраст также оценивается средним градиентом

<?xml version="1.0"?>

Нелинейная передача зачастую бывает неизбежной, если интервал оптических плотностей оригинала или интервал яркостей объекта слишком велик и не может быть воспроизведен на репродукции, Ее можно считать допустимой, если в тех градационных областях, где расположены сюжетно важные детали, график прямолинеен и коэффициент контрастности воспроизведения равен единице. Например, если сюжетно важные детали находятся в светах и средних тонах, допустимая градационная передача описывается кривой 1 рис. 2.35, а недопустимая - кривой 2.

Градационные графики можно строить в любых координатах, отражающих светлоты объекта и изображения. Например, градационными графиками являются кривые

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- освещенности участков оптического изображения, <?xml version="1.0"?>
- яркости объекта или оригинала.

Репродуцирование оригинала может осуществляться в одну или несколько градационных стадий, на каждой из которых образуется промежуточное изображение. Так, для получения фотоснимка вначале изготовляют негатив на фотопленке, а затем позитив на фотобумаге. При этом каждую из указанных стадий можно разбить на промежуточные градационные процессы: формирование оптического изображения, формирование скрытого изображения (экспонирование), формирование видимого изображения, (проявление).

Градационные стадии процесса получения фотографической репродукции с оригинала составляют градационную цепь. В каждом звене этой цепи возможны градационные искажения, которые, накапливаясь, ухудшают качество изображения. Получив репродукцию с градационными искажениями, следует выяснить, на каких стадиях они возникли и какие процессы проведены неправильно, т.е. следует провести анализ градационного процесса.

Часто оказывается, что на какой-либо стадии градационные искажения неизбежны, тогда следует выяснить, можно ли провести другие стадии процесса таким образом, чтобы влияние этих искажений на градационную передачу процесса в целом свести к минимуму. Это называется управлением градацией. Для облегчения анализа градационного процесса и управления им градационные графики промежуточных стадий связывают в систему графиков. Применение нашли два метода составления градационных графиков: метод Джонса и цепь градационных графиков.

Формирование градации оптического изображения

Оптическое изображение формируется светом на поверхности фотоматериала, поэтому светлоты участков оптического изображения удобно выражать величинами <?xml version="1.0"?>
- освещенности. Они определяются освещенностью поверхности оригинала <?xml version="1.0"?>
, оптическими плотностями оригинала <?xml version="1.0"?>
и способом создания оптического изображения. Последний оказывает влияние и на форму градационного графика <?xml version="1.0"?>
.

При контактном копировании фотоматериал находится в контакте с оригиналом и освещенности оптического изображения связаны с оптическими плотностями оригинала зависимостью

<?xml version="1.0"?>

В частности, этот способ реализуется при воспроизведении изображений на прозрачной основе в контактно-копировальных станках. При контактном копировании обеспечивается точная передача контраста как изображения в целом <?xml version="1.0"?>
так и его частей, и градационный график <?xml version="1.0"?>
представляет прямую, отсекающую на осях координат отрезки, равные <?xml version="1.0"?>
(график 1 на рис. 2.36 Рис. 2.36. Градационные графики процесса получения оптического изображения для контактной (1) и проекционной (2) съемки).

При проекционной съемке, когда изображение формируется c помощью объектива, не только уменьшаются освещенности оптического изображения, но и происходит искривление градационного графика. Причина кроется в появлении паразитной освещенности <?xml version="1.0"?>
, равномерно накладывающейся на все поле оптического изображения. Ее источниками могут быть светорассеяние в оптической системе, засветка рисунка светлым фоном при съемке небольших оригиналов.

Паразитная засветка одинаково увеличивает все освещенности, <?xml version="1.0"?>
изменяя контраст изображения:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- минимальная и максимальная освещенности в рассматриваемой области градационной кривой оптического изображения, а <?xml version="1.0"?>
- разность логарифмов освещенностей оптического изображения в данной области, являющаяся мерой контраста. При этом контраст в светах изображения изменяется мало, так как относительный вклад паразитной засветки невелик, а в тенях контраст заметно падает. Градационный график приобретает форму кривой 2 на рис. 2.36.

Другой причиной изменения контраста оптического изображения при проекционном копировании может служить разница между оптическими плотностями оригинала, измеренными на денситометре, и его эффективными плотностями, определяющими освещенности оптического изображения.

При проекционном копировании до фотопленки доходит только регулярная составляющая светового потока, отраженного от оригинала, т.е. эффективные плотности оригинала являются регулярными. На денситометре, как правило, определяют диффузные плотности (см. подразд. 2.3.5). Регулярная плотность всегда больше диффузной: <?xml version="1.0"?>
- коэффициент Каллье, больший или равный единице.

Кроме того, коэффициент Каллье изменяется с оптической плотностью. Это явление также приводит к искажению формы градационной кривой оптического изображения.

В современных денситометрах предусмотрена возможность измерения регулярных оптических плотностей.

Общая потеря контраста на стадии получения оптического изображения оценивается коэффициентом потери контраста:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- интервал оптического изображения, а <?xml version="1.0"?>
- интервал оптических плотностей оригинала.

Связь градации фотографического изображения с формой характеристической кривой фотоматериала

Характеристические кривые фотоматериалов обычно нелинейны в области малых экспозиций, соответствующих большим оптическим плотностям оригинала и малым оптическим плотностям негатива. Нелинейны они и в области больших экспозиций, соответствующих малым плотностям оригинала. Это приводит к градационным искажениям теней и светов оригинала на негативе.

Оптические плотности негатива определяются характеристиками оптического изображения, формой характеристической кривой и временами экспонирования, так как, изменяя последнее, используют различные участки характеристической кривой (рис. 2.37 Рис. 2.37. К расчету выдержки по характеристической кривой фотоматериала (<?xml version="1.0"?>
- интервалы экспозиций; <?xml version="1.0"?>
- интервалы оптических плотностей, полученные при данных выдержках; показана методика определения выдержки для получения интервалов <?xml version="1.0"?>
)).

На рис. 2.37 показаны результаты копирования оптического изображения на фотоматериал с двумя выдержками (временем экспонирования): <?xml version="1.0"?>
. Интеравалы экспозиций <?xml version="1.0"?>
выражены отрезками на оси lgH. Для удобства отрезки вынесены за пределы графика и на них нанесены плотности <?xml version="1.0"?>
тех участков оригинала, за которыми получены данные экспозиции. Экспозиции при контактном копировании оригинала можно рассчитать по освещенности оригинала от источника света и плотностям оригинала, воспользовавшись формулой

<?xml version="1.0"?>

Из формулы видно, что величина выдержки (она одинакова для всех участков оригинала) не влияет на интервал экспозиций и поэтому численно интервалы экспозиций равны между собой и равны интервалу освещенностей оптического изображения (при выдержке 1 с экспозиции численно равны освещенностям), т.е.

<?xml version="1.0"?>

Однако при изменении выдержки отрезок, выражающий интервал экспозиций, смещается вдоль оси lgH, располагаясь под разными ее областями, в результате чего изменяются характеристики негатива. При выдержке <?xml version="1.0"?>
получается пониженный контраст изображения <?xml version="1.0"?>
и имеет место потеря деталей в тенях изображения, а при выдержке <?xml version="1.0"?>
имеет место линейная градационная передача без потери деталей.

По характеристической кривой фотоматериала можно рассчитать оптимальную выдержку. Для этого интервал экспозиций располагают относительно характеристической кривой так, чтобы получить требуемые градационные характеристики негатива, и сопоставив <?xml version="1.0"?>
, определяют выдержку. Например, <?xml version="1.0"?>

Как правило, при работе с фототехническими пленками оптимальную выдержку рассчитывают таким образом, чтобы минимальная экспозиция, полученная фотоматериалом, обеспечила получение на нем оптической плотности, соответствующей критерию светочувствительности <?xml version="1.0"?>
В этом случае минимальная выдержка может быть рассчитана по светочувствительности SQ 2 по формуле

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- минимальная освещенность оптического изображения.

Расчет градации негатива с использованием метода Джонса

По методу, предложенному Джонсом, плоскость листа с помощью двух взаимно перпендикулярных линий делят на четыре квадранта (рис. 2.38 Рис. 2.38. Расчет градационной кривой процесса получения негатива с использованием системы градационных графиков Джонса: 1 - градационный график оптического изображения; 2 - экспозиционная прямая; 3 - характеристическая кривая фотоматериала; 4 - градационная кривая негативного процесса). В трех из них располагают градационные графики промежуточных стадий процесса, а в четвертом - градационную кривую процесса в целом. Соседние графики имеют общие оси: ось ординат предыдущего графика служит для последующего осью абсцисс. Такое расположение кривых позволяет легко построить график в любом квадранте по трем другим. Методика построения показана на рис. 2.38 стрелками. Недостатком системы является расположение графика во втором квадранте "на боку", а в третьем и четвертом - "вверх ногами".

Рассмотрим методику расчета градационной кривой процесса. Получения негатива с помощью системы графиков Джонса. В первом квадранте расположим градационную кривую оптического изображения <?xml version="1.0"?>
. На оси <?xml version="1.0"?>
нанесем плотности оригинала. В третьем квадранте помещаем "вверх ногами" характеристическую кривую фотоматериала D(lgH).

Во втором квадранте построим экспозиционную прямую lgH(lgE), описываемую формулой <?xml version="1.0"?>
Эта прямая проходит под углом 45<?xml version="1.0"?>
и отсекает на оси логарифмов экспозиций отрезок, численно равный логарифму времени экспонирования. Если время экспонирования неизвестно, его можно определить. Для этого на градационной кривой оптического изображения, построенной в первом квадранте, находим величину освещенности оптического изображения, соответствующую максимальной оптической плотности оригинала. Через полученную точку проводим горизонтальную прямую. На характеристической кривой находим точку, соответствующую плотности D = <?xml version="1.0"?>
+ 0,2, представляющей критериальную плотность для определения светочувствительности <?xml version="1.0"?>
(минимальная плотность изображения на негативе может иметь другое значение, например <?xml version="1.0"?>
). Через эту точку проводим вертикальную прямую до пересечения с ранее проведенной горизонтальной прямой. Через точку пересечения прямых проводим прямую под углом 45° к осям координат. Она отсекает на оси логарифмов экспозиций отрезок, равный логарифму времени экспонирования: lgH = lgt.

Далее в четвертом квадранте строим градационную кривую негативного процесса. Ее первая точка будет соответствовать максимальной плотности оригинала и плотности негатива <?xml version="1.0"?>
+ 0,2. Остальные точки находим по другим оптическим плотностям оригинала.

Градационная кривая процесса позволяет определить оптические плотности любого участка негатива, рассчитать средние градиенты воспроизведения в светах, средних тонах и тенях изображения.

Расчет градации позитива с использованием градационной цепи

Если число градационных стадий больше трех, удобно использовать другую систему графиков - градационную цепь.

Методика построения градационной цепи и ее использования для расчетов показана на рис. 2.39 Рис. 2.39. Получение градационного графика негативного процесса с использованием цепи градационных графиков. Через поле листа проводят наклонную прямую под утлом 45<?xml version="1.0"?>
и все графики располагают последовательно у этой прямой. Ось ординат предыдущего графика связана с осью абсцисс последующего через наклонную прямую, как показано на рис. 2.39. Там же показана методика получения градационной кривой негативного процесса с помощью градационной цепи.

На рис. 2.40 Рис. 2.40. Общая цепь градационных графиков репродукционного процесса (получение позитивного изображения оригинала с использованием фотографического процесса) приведена градационная цепь для процесса фотографического воспроизведения оригинала, включающего получение негатива (три стадии) и позитива (три стадии). Градационная цепь позволяет получать суммарные графики для любого числа звеньев.

Градационная цепь удобна для многостадийного репродукционного процесса по следующим причинам:

- вдоль наклонной прямой можно расположить любое количество градационных графиков, охватив все стадии процесса;

- любую стадию можно разбить на промежуточные, не затрагивая графики остальных стадий;

- для любого количества звеньев цепи можно построить суммарный график.

Правило Гольдберга

Гольдберг установил, что коэффициент контрастности воспроизведения и контраст изображения зависят от коэффициентов контрастности негативного <?xml version="1.0"?>
и позитивного <?xml version="1.0"?>
фотоматериалов:

<?xml version="1.0"?>

Эту зависимость назвали правилом Гольдберга. Правило позволяет подбирать негативный и позитивный фотоматериалы таким образом, чтобы коэффициент контрастности воспроизведения процесса в целом был равен единице, т.е. изображение было точным. Например, негативный материал выбирается с пониженным коэффициентом контрастности (<?xml version="1.0"?>
= 0,65) и большой широтой (<?xml version="1.0"?>
), чтобы не терять детали в тенях и светах, а позитивный фотоматериал выбирают с повышенным коэффициентом контрастности (<?xml version="1.0"?>
= 1,8). Коэффициенты контрастности воспроизведения на стадии получения оптического изображения можно не принимать во внимание, так как у просветленных объективов светорассеяние в фотоаппарате практически отсутствует и градационный график представляет прямую под углом 45<?xml version="1.0"?>
к осям координат.

Если применять правило Гольдберга к градационной цепи с нелинейными графиками, необходимо учитывать градиенты воспроизведения всех градационных стадий:

<?xml version="1.0"?>

Здесь стадии обозначены их порядковыми номерами в процессе. В формулу вводят градиенты воспроизведения, если кривые разбиваются на малые участки и оценивается воспроизведение каждого из участков. Если кривые разбиты на крупные области (света, средние тона и тени), то в формуле (2.4.32) вместо градиентов используют средние градиенты: <?xml version="1.0"?>
Данное соотношение называют обобщенным правилом Гольдберга.

Управление градационным процессом

Обобщенное правило Гольдберга позволяет рассчитывать градиенты воспроизведения оригинала как в целом, так и его участков: светов, средних тонов и теней. Если оптимальные значения этих средних градиентов для данного изображения известны, можно рассчитать необходимую величину среднего градиента для той или иной градационной стадии процесса.

Используя систему градационных графиков, можно построить любой из промежуточных градационных графиков, если известна форма остальных, а также требуемая форма градационного графика процесса в целом. Задаваясь требуемой формой градационного графика стадии и реализуя ее, мы управляем градационным процессом.

Теоретически можно изменять градационные графики всех стадий воспроизведения изображения, но на практике так не делают. Все звенья градационной цепи условно делят на две группы: управляемые и неуправляемые. За управляемые (1-2 звена) принимают такие этапы процесса, на которых можно легко и Удобно придавать градационной кривой разные формы, например изменять коэффициент контрастности или градиенты воспроизведения отдельных участков кривой. Для остальных звеньев следует найти оптимальные режимы и строго их соблюдать.

К градации изображения, получаемого на этапе, принятом за управляемое звено, "предъявляют требования", например задают допустимый интервал оптических плотностей, требования к воспроизведению светов, теней, средних тонов и т.п.

В фотографическом процессе за управляемое звено можно принять процесс получения полутонового негативного изображения. В цифровых технологиях это компьютерная обработка изображений с использованием специального программного обеспечения.

© Центр дистанционного образования МГУП