ФИЗИЧЕСКАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОТОПРОЦЕССОВ

Фотография(от греч. фото - свет, граф - рисую, пишу) - рисование светом, светопись. Это один из способов получения фиксированного изображения предметов на светочувствительных материалах (фотоплёнке или матрице) с помощью света, отраженного или излучаемого этим предметом при помощи фотоаппаратуры, фотокамеры. Также фотографией или фотоснимком называют конечное изображение, полученное в результате фотографического процесса и рассматриваемое человеком непосредственно.

Принцип действия фотографии основан на получении изображений и фиксировании их с помощью химических и физических процессов, получаемых с помощью света, то есть электромагнитных волн, излучаемых непосредственно или отражённых.

Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.

В физике свет изучается в разделе оптика, может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов: частиц, обладающих определенной энергией и нулевой массой покоя.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны для монохроматического излучения, или суммарным спектром сложного излучения.

Рис. 1.1. Видимый свет

Радиоволны - Тепловое излучение – Инфракрасный - Красный 720-620 нм - Оранжевый 620-590 нм - Жёлтый 590-550 нм - Зелёный 550-500 нм - Голубой 500-470 нм - Синий 470-430 нм - Фиолетовый 430-380 нм –Ультрафиолетовые - Рентгеновские лучи - Гамма лучи.

Энергия неравномерно распределена в спектре. Чем больше длина волны, тем меньше энергия света. Таким образом, энергия фиолетового света больше энергии красного света примерно в 1,75 раза.

Фотохимия – это наука о процессах, протекающих в веществах при воздействии на них света. Три закона фотохимии.

1. Химические превращения в веществе могут быть вызваны только теми лучами, которые данным веществом поглощаются. (Например, красный свет не поглощается эмульсией чёрно-белой фотобумаги и поэтому не вызывает образования скрытого и видимого изображения).

2. Величина фотохимического эффекта зависит от количества освещения, подающего на вещество, то есть от произведения силы света (I) на время действия света (t) на вещество (I*t).

Изменяя силу света можно подобрать время таким образом, чтобы величина фотохимического эффекта осталась прежней.

I1t1 = I2t2 = … = Intn.

При фотосъёмке изменяя значения выдержки и диафрагмы, можно получить большое количество пар значений «диафрагма - выдержка» при которых плотность изображения будет одинаковой.

3. В процессе воздействия света на вещество уменьшается количество основного первичного вещества. Это приводит к постепенному снижению прироста химически изменённого вещества (вторичного вещества), хотя интенсивность действия света не уменьшается. Например, при экспонировании черно-белой фотобумаги несколько раз с увеличением времени, плотность почернения фотобумаги будет увеличиваться. Начиная с какого-то времени экспонирования (выдержки) фотобумага больше чернеть не будет.

Эти законы по-своему действуют и в цифровой фотографии.

Закон обратных квадратов – при увеличении расстояния от источника света до объекта в два раза освещённость падает в четыре раза.

Это значит, что чем ближе источник света располагается к объекту, тем ярче освещён этот объект. Данный закон имеет большое значение для определения правильной экспозиции при съёмке (см. тему 5).

Образование изображения в аналоговой фотографии.

Светочувствительные материалы содержат два основных слоя: основа и эмульсионный слой. Эмульсионный слой представляет собой слой желатина с кристаллами галогенидов серебра и веществами, придающими эмульсии определённые свойства.

Кристаллическая решетка галогенидов серебра имеет различные дефекты (сдвиги, дислокации, микровкрапления и т. д.). Эти дефекты являются центрами светочувствительности.

Под действием света общие электроны молекул галогенида серебра начинают перемещаться по кристаллической решетке и собираться в центрах светочувствительности. Эти центры светочувствительности становятся заряженными местами с большим отрицательным зарядом. Они притягивают к себе положительно заряженные ионы серебра. Связи между ионами серебра и ионами галогенида ослабевают.

Таким образом, скрытое изображение представляет собой отрицательно заряженные центры светочувствительности с притянутыми к ним положительно заряженными ионами серебра. При этом связь между этими ионами серебра и соответствующими ионами галогенида ослаблена.

При обработке в проявляющем растворе, проявляющие вещества восстанавливают до металлического проэкспонированные галогениды серебра. Это происходит потому, что внутримолекулярные связи между ионами серебра и ионами галогенида в проэкспонированных галогенидах серебра ослабляются. Визуально это проявляется в почернении эмульсионного слоя в соответствующих местах.

Для того чтобы изображение стало стойким к воздействию света, необходимо извлечь из эмульсионного слоя непроэкспонированные и соответственно невосстановленные галогениды серебра. Это осуществляется в процессе фиксирования. Удаленные из эмульсионного слоя галогениды серебра переходят в фиксирующий раствор.

Образование изображения в цифровой фотографии.

В цифровых фотоаппаратах вместо плёнки используется чувствительная к свету матрица (прибор с зарядовой записью, ПЗС). Матрица представляет собой решетку из миллионов пикселей микроскопического размера (от англ. PICture Elements – элементы изображения) на плоской подложке, соединённых в электрическую сеть. Во время экспозиции в каждом пикселе вырабатывается электрический заряд, пропорциональный полученному этим пикселем количеству света. Эти заряды преобразуются в последовательность цифровых сигналов, и каждое изображение превращается в «файл». Чем больше число пикселей, тем больше размер файла и тем выше разрешение деталей на снимке.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами.

Важной характеристикой источника света в фотографии является его цветовая температура.

Цветовая температура (измеряется в градусах Кельвина, °К) – это температура нагрева абсолютно чёрного тела, при которой данное тело начинает излучать свет по спектральному составу аналогичный спектру исследуемого источника. Цветовая температура характеризует спектральный состав источника света. Определённому значению её соответствует строго определённая цветность света.

Так лампы накаливания имеют цветовую температуру 2800 °К, специальные фотолампы накаливания – 3200 °К, фотовспышки – 5500 °К, солнечный свет 5500 °К и выше. Например, в спектре лампы накаливания по сравнению с дневным светом больше жёлто-оранжевых лучей, и меньше голубых. Цветовая температура влияет на цветность получаемого изображения, и предопределяет выбор светочувствительного материала в плёночных фотоаппаратах, или установки баланса белого в цифровых фотоаппаратах.

Все предметы по сути своей бесцветны. Светящиеся тела, источники излучения, испускают «первичные» электромагнитные волны. Эти «первичные» световые волны попадают на предмет (тело, вещество, краситель, пигмент), который состоит из вещества, имеющего определённую структуру (молекулы – атомы – электроны). «Простые частицы» при воздействии на них светового излучения приходят в состояние вынужденного колебания и становятся источниками «вторичных» электромагнитных волн (переизлучение видимого света идёт на электронах). Многообразие окраски и предметной формы есть результат наложения первичных и вторичных волн, которые фиксируются в приемнике излучения (зрительный аппарат, клетки тела), а затем как цветовое ощущение формируется в мозге у человека.

Ахроматические цвета – это цвета тел, обладающих неизбирательным поглощением (белый, серый, чёрный). Характеристикой ахроматического цвета является яркость. Она зависит от коэффициента отражения. Чем выше коэффициент отражения, тем большая яркость и наоборот. Белый цвет имеет наибольшую яркость, чёрный - наименьшую.

Хроматические цвета – это цвета тел, обладающих избирательным поглощением. Три характеристики хроматического цвета.

1. Цветовой тон – это качественный признак, обозначающийся словами (синий, зелёный, красный и т. д.). Названия даются на основании сходства хроматического цвета с чистым спектральным. Исключение составляет пурпурный цвет, которого нет в спектре, но есть в природе.

2. Насыщенность – это степень выраженности цветового тона или степень близости цветового тона к чистому спектральному.

3. Светлота – это свойство окрасок предметов, позволяющее разделить их на светлые и тёмные. Зависит от коэффициента отражения, чем выше коэффициент, тем выше светлота и наоборот.

Цветовой тон и насыщенность являются качественными характеристиками цвета. Насыщенность и светлота – количественными характеристиками. Между насыщенностью и светлотой имеется зависимость: с увеличением светлоты насыщенность уменьшается и наоборот.