Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы светотехники. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 147 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

3.3.3. Фотохимические приемники излучения. Фотография

3.3.3. Фотохимические приемники излучения. Фотография. В фотохимических приемниках излучения информацией о мере излучения является количество вещества, образовавшегося в результате фотохимической реакции в специально изготовленных фотопленках или фотопластинках.

Поскольку как химические, так и оптические свойства веществ (в частности испускание и поглощение фотонов) определяются строением электронных оболочек (внешних) атомов вещества, то вполне естественно ожидать наличия взаимосвязи химических и оптических процессов.

Процессы возникновения излучения при протекании химических реакций в веществах называются хемилюминесценцией, а возникновение химических преобразований при поглощении фотонов – фотохимиче- скими процессами (реакции).

Фотохимические процессы нашли широкое применение в фотографии (светопись или регистрация оптического изображения). В классическом смысле под фотографическим процессом понимают превращение оптического изображения, проецируемого на светочувствительный слой, в стойкое фотографическое изображение при помощи химической обработки этого слоя.

Метод фотографии основан на явлении фотораспада ионных кристаллов галоидных солей, в частности галоидных солей серебра: AgBr, AgCl, AgJ. Структура всех трех перечисленных соединений – ионно-кристаллическая, причем во всех случаях положительным ионом является Ag

, а отрицательным – ион галоида (Br–, Cl–, J–). Процесс образования ионной связи в кристаллах обусловлен процессом отдачи единственного валентного электрона атома серебра атому галоида (например Br–), у которого на внешней оболочке не хватает 2 элект ронов для ее заполнения (что собственно и определяет сильные электроотрицательные свойства этих элементов). В результате образуется достаточно устойчивое состояние ионов Ag+Br–. Такая химическая связь называется ионной.

Облучение ионных кристаллов галоидных солей приводит к фото-

распаду:

+В–

+ h = (AB)* A + B, [3.19]

и образованию свободных атомов серебра (в случае серебросодержащих молекул). В фотографическом процессе эта реакция происходит в светочувствительном слое фотографического материала, который называется фотографической эмульсией. Фотографическая эмульсия – это выпаренный на прозрачной подложке (стекло или пленка) слой

3.3. Физические приемники оптического излучения

желатина, в котором достаточно равномерно распределены мельчайшие кристаллики или зерна AgBr. Размеры зерен – порядка 1 мкм и менее, а их число на 1 см2 составляет 108–1010. Размеры зерен и их плотность зависят от чувствительности фотоматериала: с ростом чувствительности размер зерен увеличивается, а их плотность падает.

При освещении эмульсии в результате фотораспада происходит образование свободного серебра и нарушение структуры в слое эмульсии в соответствии с количеством освещения (экспозиции) того или иного участка поверхности. Размерность экспозиции [лк · с].

Экспозиция H – величина энергии потока излучения, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности:

HdS

. [3.20]

Поскольку dQ = dWdt, где dW – мощность потока, dt –время, то

Hdt



, или H = Et, [3.21]

где E – освещенность.

Непосредственное видимое образование серебра под действием облучения в фотографических эмульсиях должно происходить лишь при действии очень больших значений энергетической экспозиции. Реально фотографические процессы основаны на создании небольших затравочных центров, в которых произошел фотораспад. Количество атомов свободного серебра в них очень мало, и внешне эмульсия выглядит неизменной. По сути первичный фотографический процесс (облучение) вызывает появление скрытого фотографического изображения (СФИ), возникающего в отдельных светочувствительных зернах фотоэмульсии, структура которых оказалась нарушенной.

Далее необходимо выявить скрытое изображение – сделать его видимым. Для этого нужно резко увеличить (восстановить) количество свободного серебра. Дело в том, что мелкие коллоидные частицы металлического серебра сильно поглощают и рассеивают свет (серебряные предметы отдают чернотой). В результате выделения большого количества серебра эмульсия окажется окрашенной в черный цвет и изображение будет хорошо видно на прозрачной подложке на просвет. Такое изображение в фотографии называется негативом, т. е. обратным к реальному – реальные светлые участки стали черными на пленке.

Восстанавливается бромистое серебро химическим путем за счет избирательного процесса восстановления металлического серебра в тех зернах эмульсии, которые поглотили первичные фотоны при освещении. Этот процесс называется проявлением СФИ: атомы серебра, образовав-

3.3.3. Фотохимические приемники излучения. Фотография

шиеся непосредственно под действием излучения, служат катализатором для протекания химической реакции восстановления.

Реакция восстановления – это усиление процесса выделения серебра. Коэффициент усиления в фотографическом процессе очень велик и достигает значения 10

, т. е. на один поглощенный фотон приходится 109 атомов восстановленного серебра. В силу этого, процесс проявления достаточно тонок и выверен по химическим реакциям и во времени.

После процесса проявления следует процесс закрепления: невосстановленное серебро растворяется и удаляется из эмульсионного слоя. Таким образом, обработанный эмульсионный слой превращается в негативное изображение на просвет: темные участки – участки, где было много света и выделилось много серебра в процессе проявления, светлые участки – участки, где было мало света и серебро было удалено в процессе закрепления.

Степень почернения (почернение) определяют так же, как и оптическую плотность среды, поглощающей свет. Оптическую плотность обработанной фотографической пластинки (негатива) называют плотностью почернения или почернением и обозначают D:

DI

, [3.22]

где I0, Il – интенсивность падающего и прошедшего через пластинку

излучения.

Количественная характеристика плотности почернения от количества освещения, т. е. зависимость плотности почернения от экспозиции D = f(H), достаточно сложна. Особенность этой зависимости состоит в том, что ее нельзя выразить простой формулой, удобной для практического использования. Она оказывается различной для фотографических материалов разных типов, для условий освещения, химических процессов и т. д.

Обычно связь между экспозицией (Н) и почернением (D) в каждом случае находят опытным путем и выражают графически в виде харак- теристической кривой фотоматериала (рис. 3.7).

На характеристической кривой фотоматериала выделяют три участка: I, II, III.

При анализе хода кривой почернения видно, что даже при отсутствии освещения на фотоматериале после обработки появляется небольшое почернение, которое называется фотографической вуалью. Появление вуали связано с восстановлением серебра в местах, структура которых была нарушена не светом, а другими случайными процессами, в частности – тепловыми эффектами. С ростом Н от нулевого значения до

3.3. Физические приемники оптического излучения

Рис. 3.7. Характеристическая кривая фотоматериала

начала подъема имеется участок, где заметного роста почернения не наблюдается (участок I). Эта область называется областью недодержек.

Далее начинается подъем кривой почернения и начало превышения почернения над вуалью, который называется порогом чувствитель- ности.

При дальнейшем увеличении Н начинается резкий рост почернения и устанавливается линейный участок D = f(lgH) (участок II). Этот участок называется областью нормальных почернений.

При дальнейшем увеличении Н кривая входит в область насыщения (участок III), которая называется областью передержек.

Физический смысл этих областей заключается в следующем.

В области недодержек (I) количество затравочных центров (или количество выделившегося серебра при первичном освещении) недостаточно для включения каталитической реакции усиления выделения серебра.

В области нормального почернения (II) количество выделившегося в первичных процессах серебра достаточно для включения каталитической реакции управляемого химическим процессом выделения серебра. При этом в зернах эмульсии имеется достаточное количество непрореагировавших молекул AgBr.

В области передержек (III) фотоны первичной экспозиции накладываются на зерна, структура которых уже нарушена, в зернах эмульсии остается мало непрореагировавших молекул AgBr, и в химическом процессе усиления выделения серебра происходит насыщение.

По характеристической кривой определяют важнейшие свойства фотографических материалов.

Контрастность. Контрастность ( фотографического материала определяется tg угла наклона ( линейного участка:

3.3.3. Фотохимические приемники излучения. Фотография



 

. [3.23]

lgSH



Важны не абсолютные значения количества освещения, дающие то или иное почернение, а изменения количества освещения, т. е. угол наклона кривой.

Разность почернений S для двух участков, которые имеют постоянную относительную освещенность, будет тем больше, чем выше контрастность (и наоборот).

Соответственно фотоматериалы делятся по степени контрастности на контрастные, нормальные и мягкие.

Широта эмульсии. Широта эмульсии L определяется соотношением:

или L = lg H1 – lg H2, [3.24]

где точка 1 – начало, а точка 2 – конец области нормальных почер-

нений (см. рис. 3.7).

Широта эмульсии связана с контрастностью: с ростом контрастности ( она убывает.

Чувствительность. Одна из наиболее важных характеристик. Различают интегральную и спектральную чувствительности.

Интегральная чувствительность определяется по характеристической кривой стандартного излучения с Тцв=5000 К. Измеряется в единицах S

гост



гост

, [3.25]

0,85D



где k – коэффициент, равный 10,

D0 + 0,85

– экспозиция, при которой почернение превышает плотность вуали на 0,85. Спектральная чувствительность – чувствительность фотома-

териала в зависимости от длины волны. На рис. 3.8 представлены спектральные чувствительности некоторых наиболее известных типов фотоматериалов.

Как видно, фотоматериалы на основе только AgBr имеют максимум

чувствительности на 400 нм и, начиная с 480–490 нм, наблюдается ее падение. Излучение с  > 500 нм практически уже не действует на фотографический материал, поэтому его можно обрабатывать при красном свете.

3.3. Физические приемники оптического излучения

Рис. 3.8. Спектральные чувствительности фотоматериалов:

а – эмульсия AgBr; б – ортохром (- - - – изоортохром);

в – панхром (- - - – изопанхром); г – инфрахром; д – УФ-сенсибилиз

Коротковолновое излучение заметно поглощается желатином. Это приводит к тому, что действие света затрагивает только кристаллы, находящиеся на поверхности. В результате уменьшается рассеяние света и повышается четкость изображения. Разрешающая способность эмульсии в УФ-области повышается. В области далекого УФ ( < 230 нм) поглощение желатином становится столь сильным, что чувствительность резко падает до нуля. Таким образом, простые желатиновые эмульсии можно применять в области спектра 230–500 нм.

Для исправления чувствительности в красной и зеленой областях (что важно при правильной передаче цвета) применяют сен- сибилизацию («очувствление») – расширение области спектральной чувствительности. Сенсибилизация осуществляется добавлением веществ (красителей), поглощающих излучение в нужной области и вызывающих распад кристаллов бромистого серебра в виде вторичных

3.4. Глаз человека

процессов. К названиям фотоматериалов добавляются приставки: орто – очувствление к желтой области спектра, пан – очувствление к красной. Сенсибилизационные материалы, обладающие достаточно равномерной чувствительностью в широкой области спектра, имеют приставку изо.

Для работы в области далекого и вакуумного УФ используют фотоэмульсии с очень малым содержанием желатина или вовсе без него. Обычно фотоматериалы для работы в этой области очувствляют, используя раствор салицилловокислого натрия (аспирин) или покрывая эмульсию слоем трансформаторного масла, который светится синим светом под действием УФ.

3.4. Глаз человека

Глаз человека относится к группе биологических приемников излучения и является очень сложным и совершенным органом, способным работать при различных освещенностях сетчатой оболочки, которая передает субъективное зрительное ощущение посредством раздражения зрительного нерва, соединенного с ней (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Строение глаза

3.4. Глаз человека

3.4.1. Строение глаза. Форма глазного яблока близка к сферической. Внешняя оболочка, толщиной около 1 мм, называется склерой и является защитной для следующей за ней более тонкой (около 0,3 мм) оболочки – сосудистой, состоящей в основном из питающих глазное яблоко кровеносных сосудов. В передней части глаза склера переходит в прозрачную роговицу, толщиной около 0,5 мм, а сосудистая оболочка переходит в радужную или ирисовую (ирис). Отверстие в ирисе образует зрачок глаза (входное отверстие) или ирисовую диафрагму, размер (диаметр) которой может изменяться мышцами радужки (цвет радужки – цвет глаз – определяется содержащимися в ней пигментами). Изменение диаметра зрачка в пределах 2–8 мм призвано регулировать величину светового потока, попадающего в глаз: при слабых освещенностях зрачок расширяется, при больших – сужается.

За радужной оболочкой находится хрусталик – двояковыпуклая линза, удерживаемая в заданном месте ресничным телом и мышечными волокнами. Хрусталик представляет собой неоднородное тело, внешние части которого имеют коэффициент преломления 1,38, а внутренние – около 1,41. Оптическая сила хрусталика может меняться за счет изменения кривизны его поверхности, вызываемой ресничной мышцей.

Изменение оптической силы необходимо для четкого различения разноудаленных предметов (фокусировка для разных расстояний). Этот процесс называется аккомодацией и осуществляется автоматически. Диапазон регулировки резкости равен: от бесконечности (дальняя точка) до ближней точки, равной, приблизительно, 10 см в 20 лет и 22 см к 40 годам (это связано с потерей мышечной упругости с возрастом). Расстояние так называемого наилучшего видения соответствует приблизительно 25 см и обусловлено расслабленностью управляющих мышц глаза. Хрусталик служит еще и предохранительным светофильтром для сетчатки, поглощая коротковолновые излучения, начиная от 400 нм, способствуя тем самым уменьшению хроматической абберации.

Абберация – фокусировка в разных плоскостях излучения различных длин волн. Чувствительность сетчатки к коротким длинам волн довольно высока. Тем не менее при достаточно сильных освещенностях излучения длин волн короче 400 нм частично доходят до сетчатки. Но, поглощаясь, они вызывают голубую флуоресценцию глаза, которую тоже видит сетчатка. Если посмотреть, например, на мощный источник ультрафиолетовых лучей через фильтр, задерживающий все видимые лучи и пропускающий ультрафиолетовые, то все окружающее кажется наполненным синеватым туманом, похожим

3.4.1. Строение глаза

на табачный дым. Этот «дым» – флуоресценция глаза, замечаемая сетчаткой.

Ультрафиолетовое излучение коротких длин волн менее 250 нм в большинстве случаев химически разрушает органические вещества и может убивать живые организмы. На этом основано бактерицидное действие этого излучения. Если в течение длительного времени подвергать глаз действию ультрафиолетового излучения, то может произойти ослепление.

Пространство между роговицей и хрусталиком – передняя камера глаза – заполнено водянистой влагой. Остальная полость глаза заполнена студенистым веществом и называется стекловидным телом.

Внутренняя оболочка – сетчатка или ретина – имеет сложное многослойное строение. В ней находится слой светочувствительных клеток – фоторецепторов, которые преобразуют падающую на них энергию излучения в другие виды энергии – химическую и электрическую. Самый нижний слой – пигментный эпителий – служит для пассивного поглощения излучения, не поглощаемого фоторецепторами.

Фоторецепторов в сетчатке два вида, называемых, по их форме, палочками и колбочками. Эти элементы содержат светочувствительные вещества, которые диссоциируют при поглощении света.

В палочках светочувствительное вещество – родопсин или красный зрительный пурпур, который быстро выцветает под действием света.

В колбочках светочувствительное вещество – иодопсин.

Диаметр палочек составляет около 2 мкм, колбочек – около 6 мкм. Образующиеся при диссоциации ионы вызывают импульсы тока в нервных клетках (нейронах), с которыми связаны фоторецепторы. Нейроны зрительного нерва передают сигналы в зрительный центр головного мозга, который анализирует изображение на сетчатке.

Функции палочек и колбочек различны. Палочки обладают гораздо большей чувствительностью и могут работать при очень малой освещенности. Общее количество палочек в сетчатке около 130 млн, причем сосредоточены они преимущественно на периферии с максимумом в направлении под углом 10°–12° от оси глаза. Палочки не дают возможности различать цвета.

Колбочки сосредоточены преимущественно в центральной части сетчатой оболочки. Чувствительность колбочек много ниже, чем палочек, и они работают только при сильном освещении. Общее число их, приблизительно, 7 млн. Наиболее плотно они располагаются в центральной части сетчатки, называемой желтым пятном (там содержится желтый

3.4. Глаз человека

пигмент). В середине желтого пятна находится центральная ямка (фовеа – fovea) с поперечным размером около 0,4 мм. В этой центральной ямке сосредоточено около 200 тыс. колбочек (палочки в центральной ямке отсутствуют). Причем каждая колбочка здесь связана со своим волокном зрительного нерва, т. е. имеет собственное «представительство» в коре головного мозга (по мере удаления от центральной ямки число колбочек, приходящихся на одно волокно нерва, растет, достигая на периферии нескольких десятков). В результате в центральной ямке имеется наибольшая острота зрения (острота различения). Размер фовеальной колбочки около 2 мкм, что приводит к разрешающей способности глаза примерно в 1'. Поэтому для детального изучения объекта глаз всегда поворачивается так, чтобы изображение попадало на область центральной ямки сетчатки. Желтое пятно расположено несколько в стороне от места пересечения сетчатки оптической осью глаза. Поэтому, фиксируя глаз на какой-либо объект, мы направляем на него не оптическую ось глаза, а прямую, проходящую через узловую точку глаза и центр желтого пятна. Эта линия носит название линии прямого зрения.

На желтое пятно приходится изображение, видимое под углом 6–7°. Общее же поле, воспринимаемое глазом, имеет угловые размеры около 130° в вертикальном направлении и 160° в горизонтальном. По мере удаления от центра желтого пятна разрешающая сила быстро падает. При угле 60° по отношению к направлению на центральную ямку разрешающая сила равна приблизительно 0,02 от разрешающей силы в пределах желтого пятна. При сумеречном зрении разрешающая сила приблизительно в 10 раз меньше разрешающей силы дневного зрения.

Колбочки обладают способностью различать цвета. Существует три разновидности колбочек, отличающиеся друг от друга своей спектральной чувствительностью. Условно их можно разбить на красночувствительные, зеленочувствительные и синечувствительные в соответствии с областями наибольшей спектральной чувствительности.

Нервные волокна от фоторецепторов сходятся к зрительному нерву, место выхода которого из глазного яблока называется слепым пятном (рис. 3.10), так как там нет светочувствительных элементов.

В результате человек обладает двумя различными зрениями. Одно из них, связанное с раздражением колбочек, действует при достаточно больших освещенностях, позволяет различать цвета и воспринимать большое число деталей. Это зрение называется дневным зрением. Второе, связанное с раздражением палочек, действует при слабых

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 147 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]