Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из ошибки Reciprocity )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В фотографии взаимность - это обратная зависимость между интенсивностью и продолжительностью света, которая определяет реакцию светочувствительного материала. Например, в пределах нормального диапазона выдержки для пленки, согласно закону взаимности , реакция пленки будет определяться общей выдержкой, определяемой как интенсивность × время. Следовательно, тот же отклик (например, оптическая плотность проявленной пленки) может быть результатом уменьшения продолжительности и увеличения интенсивности света, и наоборот.

Обратное соотношение предполагается в большинстве сенситометрии , например, при измерении кривой Хертера и Дриффилда (оптическая плотность в зависимости от логарифма общей экспозиции) для фотоэмульсии. Полная экспозиция пленки или сенсора, произведение освещенности в фокальной плоскости на время экспозиции, измеряется в люксах- секундах .

История [ править ]

Идея взаимности, когда-то известная как взаимность Бунзена-Роско, возникла из работы Роберта Бунзена и Генри Роско в 1862 году. [1] [2] [3]

Об отклонениях от закона взаимности сообщил капитан Уильям де Вивелесли Абни в 1893 году [4] и подробно изучил Карл Шварцшильд в 1899 году. [5] [6] [7] Модель Шварцшильда была признана недостойной Абни и Энглиш [8]. ] и лучшие модели были предложены в последующие десятилетия в начале двадцатого века. В 1913 году Крон сформулировал уравнение для описания эффекта в терминах кривых постоянной плотности [9] [10], которое Дж. Халм принял и модифицировал [11], что привело к « уравнению цепной связи Крона – Хальма » [12] или «Формула Крона – Хальма – Уэбба» [13] описывать отклонения от взаимности.

В химической фотографии [ править ]

В фотографии , взаимность относится к отношениям в результате чего общая энергия света - пропорциональна общей экспозиции , произведение интенсивности света и времени экспозиции, под контролем диафрагмы и скорости затвора , соответственно , - определяет влияние света на пленке. То есть увеличение яркости в определенный коэффициент в точности компенсируется уменьшением времени экспозиции в такой же коэффициент, и наоборот. Другими словами, при нормальных обстоятельствах существует обратная пропорция между площадью диафрагмы и выдержкой для данного фотографического результата, при этом более широкая диафрагма требует более быстрой выдержки для того же эффекта. Например, электромобиль10 может быть достигнуто с диафрагмой ( число f ) f / 2,8 и выдержкой 1/125  с . Такая же экспозиция достигается за счет удвоения площади диафрагмы до f / 2 и уменьшения вдвое времени экспозиции до 1/250 с или за счет уменьшения вдвое площади диафрагмы до f / 4 и удвоения времени экспозиции до 1/60 с; в каждом случае ожидается, что отклик фильма будет одинаковым.

Нарушение взаимности [ править ]

Для большинства фотоматериалов взаимность действительна с хорошей точностью в диапазоне значений продолжительности экспозиции, но становится все более неточной по мере отклонения от этого диапазона: это нарушение взаимности ( нарушение закона взаимности или эффект Шварцшильда ). [14] По мере того, как уровень освещенности выходит за пределы диапазона взаимности, увеличение продолжительности и, следовательно, общего воздействия, необходимого для получения эквивалентной реакции, становится выше, чем указано в формуле; например, при половине света, необходимого для нормальной экспозиции, продолжительность должна быть увеличена более чем вдвое для того же результата. Множители, используемые для корректировки этого эффекта, называются факторами взаимности (см. Модель ниже).

При очень слабом освещении пленка хуже реагирует. Свет можно рассматривать как поток дискретных фотонов , а светочувствительная эмульсия состоит из дискретных светочувствительных зерен , обычно кристаллов галогенида серебра . Каждое зерно должно поглотить определенное количество фотонов, чтобы произошла световая реакция и сформировалось скрытое изображение . В частности, если поверхность кристалла галогенида серебра имеет кластер из приблизительно четырех или более восстановленных атомов серебра, возникающий в результате поглощения достаточного количества фотонов (обычно требуется несколько десятков фотонов), он становится проявляющим. При низкой освещенности, т.е.мало фотонов в единицу времени, фотоны падают на каждую крупицу относительно редко; если требуемые четыре фотона прибывают в течение достаточно длительного интервала, частичное изменение, вызванное первым одним или двумя, не будет достаточно стабильным, чтобы выжить до того, как прибудет достаточно фотонов, чтобы создать постоянный центр скрытого изображения .

Это нарушение обычного компромисса между диафрагмой и выдержкой известно как нарушение взаимности. Каждый тип пленки по-разному реагирует на низкий уровень освещенности. Некоторые фильмы очень чувствительны к отказу от взаимности, другие - в гораздо меньшей степени. Некоторые пленки, которые очень светочувствительны при нормальном уровне освещенности и нормальном времени выдержки, теряют большую часть своей чувствительности при низких уровнях освещенности, становясь фактически «медленными» пленками при длительных выдержках. И наоборот, некоторые пленки, которые "медленные" при нормальной продолжительности экспозиции, лучше сохраняют свою светочувствительность при низких уровнях освещенности.

Например, для данной пленки, если экспонометр показывает требуемое значение EV, равное 5, а фотограф устанавливает диафрагму на f / 11, то обычно требуется 4-секундная выдержка; коэффициент поправки на взаимность 1,5 потребует увеличения экспозиции до 6 секунд для того же результата. Нарушение взаимности обычно становится значительным при выдержке более 1 секунды для пленки и более 30 секунд для бумаги.

Взаимность также нарушается при очень высоких уровнях освещения с очень короткими выдержками. Это важно для научной и технической фотографии, но редко для обычных фотографов , поскольку выдержки значительно короче миллисекунды требуются только для таких объектов, как взрывы и физика элементарных частиц , или при съемке высокоскоростных движущихся изображений с очень большими выдержками ( 1/10 000 сек или быстрее).

Закон Шварцшильда [ править ]

В ответ на астрономические наблюдения низкоинтенсивного взаимного отказа, Карл Шварцшильд писал (около 1900 г.):

«При определении яркости звезд фотографическим методом я недавно смог еще раз подтвердить существование таких отклонений и проследить их количественно, а также выразить их в следующем правиле, которое должно заменить закон взаимности: Источники света различной интенсивности я вызвать такую же степень почернение под разными экспозициями т , если продукты равны «. [5]

К сожалению, эмпирически определенный коэффициент 0,86 Шварцшильда оказался мало пригодным. [15] Современная формулировка закона Шварцшильда дается как

где E - мера «эффекта экспозиции», которая приводит к изменению непрозрачности светочувствительного материала (в той же степени, что и равное значение экспозиции H = It в области взаимности), I - освещенность , t является продолжительностью воздействия и р представляет собой коэффициент Шварцшильда . [16] [17]

Однако постоянное значение p остается неуловимым и не заменило потребности в более реалистичных моделях или эмпирических сенситометрических данных в критических приложениях. [18] Когда имеет место взаимность, в законе Шварцшильда используется p = 1.0.

Поскольку формула закона Шварцшильда дает необоснованные значения для времен в области, где имеет место взаимность, была найдена модифицированная формула, которая лучше подходит для более широкого диапазона времен воздействия. Модификация заключается в умножении светочувствительности пленки ISO : [19]

Относительная скорость пленки

где член t + 1 подразумевает точку останова около 1 секунды, отделяющую область, в которой выполняется взаимность, от области, в которой она не работает.

Простая модель для t > 1 секунды [ править ]

Некоторые модели микроскопов используют автоматические электронные модели для взаимной компенсации отказов, обычно в форме для точного времени, T c , выражаемой как степенной закон измеренного времени, T m , то есть T c = (T m ) p , для времен в секундах. Типичные значения p составляют от 1,25 до 1,45, но некоторые из них ниже 1,1 и выше 1,8. [20]

Связное уравнение Крона – Хальма [ править ]

Уравнение Крона, модифицированное Халмом, гласит, что отклик пленки является функцией , причем коэффициент определяется уравнением цепной связи ( гиперболический косинус ), учитывающим нарушение взаимности как при очень высокой, так и при очень низкой интенсивности:

где I 0 - оптимальный уровень интенсивности фотоматериала, а а - константа, характеризующая нарушение взаимности материала. [21]

Квантовая модель взаимности-отказа [ править ]

Современные модели разрушения взаимности включают экспоненциальную функцию , в отличие от степенного закона , зависимость от времени или интенсивности при длительных временах воздействия или низких интенсивностях, основанную на распределении межквантовых времен (времен между поглощениями фотонов в зерне) и зависящих от температуры времена жизни промежуточных состояний частично экспонированных зерен. [22] [23] [24]

Бейнс и Бомбэк [25] объясняют «неэффективность низкой интенсивности» следующим образом:

Электроны высвобождаются с очень низкой скоростью. Они захватываются и нейтрализуются и должны оставаться в виде изолированных атомов серебра гораздо дольше, чем при обычном формировании скрытого изображения. Уже было замечено, что такое экстремальное суб-скрытое изображение нестабильно, и постулируется, что неэффективность вызвана тем, что многие изолированные атомы серебра теряют свои приобретенные электроны в период нестабильности.

Астрофотография [ править ]

Отсутствие взаимности - важный эффект в области астрофотографии на основе пленки . Объекты глубокого космоса, такие как галактики и туманности, часто настолько тусклые, что не видны невооруженным глазом. Что еще хуже, спектры многих объектов не совпадают с кривыми чувствительности пленочной эмульсии. Многие из этих мишеней имеют небольшие размеры и требуют больших фокусных расстояний, что может привести к увеличению фокусного отношения намного выше f / 5. В совокупности эти параметры делают эти цели чрезвычайно трудными для захвата на пленку; Обычно выдержка составляет от 30 минут до более часа. В качестве типичного примера, съемка галактики Андромеды при f / 4 займет около 30 минут; чтобы получить ту же плотность при f/ 8 потребует выдержки около 200 минут.

Когда телескоп отслеживает объект, каждую минуту трудно; следовательно, отказ от взаимности - одна из самых больших мотиваций для астрономов перейти на цифровые изображения . Электронные датчики изображения имеют свои собственные ограничения при длительной выдержке и низком уровне освещенности, которые обычно не называют отказом взаимности, а именно шум от темнового тока , но этот эффект можно контролировать путем охлаждения датчика.

Голография [ править ]

Аналогичная проблема существует и в голографии . Полная энергия, необходимая для экспонирования голографической пленки с помощью лазера непрерывного действия (то есть в течение нескольких секунд), значительно меньше, чем полная энергия, необходимая при экспонировании голографической пленки с помощью импульсного лазера (т.е. около 20-40 наносекунд ) из-за нарушения взаимности. Это также может быть вызвано очень длительным или очень коротким воздействием лазера непрерывного действия. Чтобы попытаться компенсировать снижение яркости пленки из-за отказа взаимности, метод, называемый латенсификациейможет быть использован. Обычно это делается сразу после голографической экспозиции с использованием некогерентного источника света (например, лампочки мощностью 25–40 Вт). Воздействие света на голографическую пленку на несколько секунд позволяет на порядок увеличить яркость голограммы.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хольгер Петтерссон; Густав Конрад фон Шультесс; Дэвид Дж. Эллисон и Ханс-Йорген Смит (1998). Энциклопедия медицинской визуализации . Тейлор и Фрэнсис . п. 59. ISBN 978-1-901865-13-4.
  2. ^ Джеффри Г. Аттеридж (2000). «Сенситометрия» . В Ральфе Э. Якобсоне; Сидни Ф. Рэй; Джеффри Дж. Аттеридж; Норман Р. Аксфорд (ред.). Руководство фотографии: фотографии и цифровые изображения (9-е изд.). Оксфорд: Focal Press. п. 238 . ISBN 978-0-240-51574-8.
  3. ^ RW Бунзен; Его Превосходительство Роско (1862 г.). "Фотохимические исследования - Часть V. Об измерении химического действия прямого и рассеянного солнечного света" (PDF) . Труды Королевского общества . 12 : 306–312. Bibcode : 1862RSPS ... 12..306B . DOI : 10.1098 / rspl.1862.0069 .
  4. ↑ W. de W. Abney (1893). «При несоблюдении закона в фотографии, согласно которому, когда продукты интенсивности действующего света и времени воздействия равны, будут производиться равные количества химического воздействия» . Труды Королевского общества . 54 (326–330): 143–147. Bibcode : 1893RSPS ... 54..143A . DOI : 10,1098 / rspl.1893.0060 .
  5. ^ a b К. Шварцшильд "Об отклонениях от закона взаимности для бромида серебра и желатина" The Astrophysical Journal vol.11 (1900) p.89 [1]
  6. ^ SE Sheppard & CE Кеннет Мис (1907). Исследования по теории фотографического процесса . Longmans, Green and Co. стр. 214 . ISBN 978-0-240-50694-4.
  7. ^ Ральф В. Ламбрехт и Крис Вудхаус (2003). Не только монохромный . Newpro UK Ltd. п. 113. ISBN 978-0-86343-354-2.
  8. ^ Сэмюэл Эдвард Шеппард и Чарльз Эдвард Кеннет Мис (1907). Исследования по теории фотографического процесса . Лонгманс, Грин и Ко стр.  214 -215.
  9. ↑ Эрих Крон (1913). "Über das Schwärzungsgesetz Photographischer Platten". Publikationen des Astrophysikalischen Observatoriums zu Potsdam . 22 (67). Bibcode : 1913POPot..67 ..... K .
  10. ↑ Лойд А. Джонс (июль 1927 г.). «Фотографическая спектрофотометрия в ультрафиолетовой области» . Бюллетень Национального исследовательского совета : 109–123.
  11. ↑ Дж. Хальм (январь 1915). «Об определении фундаментальных фотографических величин» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 75 (3): 150–177. Bibcode : 1915MNRAS..75..150H . DOI : 10.1093 / MNRAS / 75.3.150 .
  12. ^ JH Уэбб (1935). «Влияние температуры на нарушение закона взаимности при фотографической экспозиции». Журнал Оптического общества Америки . 25 (1): 4–20. DOI : 10.1364 / JOSA.25.000004 .
  13. ^ Эрнст Кац (1941). Вклад в понимание формирования скрытого изображения в фотографии . Друккерий Ф. Шотанус и Йенс. п. 11.
  14. ^ Рудольф Сек и Деннис Х. Лэйни (1983). Практика фотолаборатории Leica . Издательская компания МБИ. п. 183. ISBN. 978-0-906447-24-6.
  15. ^ Джонатан В. Мартин; Джоанни В. Чин; Тинь Нгуен (2003). "Эксперименты по закону взаимности при фотодеградации полимеров: критический обзор" (PDF) . Прогресс в органических покрытиях . 47 (3-4): 294. CiteSeerX 10.1.1.332.6705 . DOI : 10.1016 / j.porgcoat.2003.08.002 .  
  16. ^ Уолтер Кларк (2007). Фотография через инфракрасный порт - принципы и применение . Читать книги. п. 62. ISBN 978-1-4067-4486-6.
  17. ^ Грэм Саксби (2002). Наука изображения . CRC Press . п. 141. ISBN. 978-0-7503-0734-5.
  18. ^ JW Martin et al. «Эксперименты по закону взаимности при фотодеградации полимеров: критический обзор», Progress in Organic Coatings 47 (2003), стр.306 [2]
  19. ^ Майкл А. Ковингтон (1999). Астрофотография на любителя . Издательство Кембриджского университета . п. 181. ISBN. 978-0-521-62740-5.
  20. ^ Фред Рост и Рон Олдфилд (2000). Фотография с микроскопом . Издательство Кембриджского университета. п. 204. ISBN 978-0-521-77096-5.
  21. ^ WMH Гривз (1936). «Временные эффекты в спектрофотометрии» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 96 (9): 825–832. Bibcode : 1936MNRAS..96..825G . DOI : 10.1093 / MNRAS / 96.9.825 .
  22. ↑ WJ Anderson (1987). «Вероятностные модели фотографического процесса» . В Иэне Б. Макниле (ред.). Прикладная теория вероятностей, случайных процессов и выборки: достижения в области статистических наук . Springer. С. 9–40. ISBN 978-90-277-2393-2.
  23. ^ Коллинз, Рональд Бернард (1956–1957). «(Страница 65 из)» . Журнал фотографической науки . 4–5 : 65.
  24. ^ JH Уэбб (1950). «Низкая интенсивность отказа закона взаимности при фотографическом воздействии: энергетическая глубина электронных ловушек при формировании скрытого изображения; количество квантов, необходимых для формирования стабильного сублатентного изображения». Журнал Оптического общества Америки . 40 (1): 3–13. DOI : 10.1364 / JOSA.40.000003 .
  25. ↑ Гарри Бейнс и Эдвард С. Бомбэк (1967). Наука фотографии (2-е изд.). Фонтанный пресс. п. 202.

Внешние ссылки [ править ]

  • Взаимность какая? - краткое объяснение непрофессиональным языком.
  • Диаграммы взаимности для слайдов и черно-белые