§ 2. Поглощение света материалами

Поглощение светового потока зависит от длины волны и характеризуется избирательным и неизбирательным рассеянием света в различных однородных и неоднородных средах, к которым относятся светофильтры, негативные и позитивные изображе­ния, светочувствительные слои и др. Все прозрачные слои характери­зуются спектральными полосами поглощения от долей до сотен нано­метров, определяющими окраску среды в проходящем белом свете. Например, стекло толщиной 10 мм поглощает 10 % света; атмосфера Земли по-разному поглощает свет в зависимости от высоты солнца над горизонтом; на большую глубину моря свет совсем не проходит. Поглощение света прозрачными телами с равномерным распределе­нием в них светопоглощающего вещества объясняется законами Бугера-Ламберта-Бера: с увеличением толщины погло­щающего слоя световой поток поглощается экспоненциально с экспо­ненциальным уменьшением пропускаемого потока; слои вещества определенной толщины поглощают определенную часть моно­хроматического светового потока; степень поглощения света прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества.

Закон Бугера-Ламберта-Бера был экспериментально открыт французским ученым П. Бугером (P. Bouguer) в 1729 г., а в 1760 г. немецкий ученый И. Г. Ламберт (J. H. Lambert) вывел его теоретически и придал ему удобную математическую форму, которой пользуются и в настоящее время. В 1852 г. немецким ученым А. Бером (A. Beer) закон был сформулирован для растворов. В начале XX в. С. И. Вавилов экспериментально показал, что в пределах очень широких изменений плотности излучения (в 10²⁰ раз) по­казатель поглощения многих веществ остается постоянным. Вместе с тем С. И. Вавилов отметил, что, ис­ходя из общих положений, следует ожидать уменьшения пока­зателя поглощения в тех случаях, когда вещество попадает в ус­ловия очень высоких освещенностей.

Со временем это утверждение полностью подтвердилось. Оказалось, что для некоторых материалов, помещенных в поле чрезвычайно высоких пространственных освещенностей (по­рядка 10¹³-10¹⁴ лм/см²), можно наблюдать не только замет­ное уменьшение показателя поглощения, но даже изменение его знака. Показатель поглощения делается отрицательным, и пу­чок света, проходящий через такой материал, не ослабляется, а усиливается и притом очень значительно. Закон сохранения энергии при этом, конечно, не нарушается, так как увеличение мощности рассматриваемого пучка происходит за счет энергии «подсветки». Это явление можно наблюдать в квантовых генераторах.

Поглощающую способность прозрачной среды принято оценивать единичной толщиной ее слоя x с определённой концентрацией в ней поглощающего вещества C. За единицу толщины слоя принят 1 мм, а концентрация выражается в г/см³. Практически концентрация светопоглощающего вещества принимается постоянной, а толщина слоя выбирается в зависимости от требований к степени избирательности поглощения. Это правило применяется в основном для однородных чисто прозрачных сред, например светофильтров, и с достаточной точ­ностью — для изображений цветных негативов и позитивов, получае­мых из красителей на многослойных цветных пленках.

При одинаковой концентрации светопоглощающего вещества уве­личение толщины слоя приводит к увеличению спектральной избира­тельности поглощения (насыщен­ности) и уменьшению количества пропущенного света. Рас­сеяние света в мутных и оптиче­ски неоднородных средах харак­терно отклонением от зависимос­тей, показанных законами Бугера -Ламберта - Бера. Светопоглощением характеризуются и про­зрачные тела (стекло, светофильт­ры) и фотографические слои (нега­тивы и позитивы на прозрачной подложке).

В светотехнике и фотометрии поглощение в основном характеризуется опти­ческой плотностью D. Оптической плотностью пользуются очень широко и часто в расчетах предпочитают ее коэффициенту пропускания или поглощения. Это происходит по двум причинам. Первая (она имеет существенное значение для химиков) состоит в том, что во многих случаях оптическая плотность раствора пропорциональна количеству растворенного вещества. Часто можно считать, что растворитель практически не поглощает проходящего излучения. Тогда справедлив закон Бeра , согласно которому показатель поглощения a ра­створа пропорционален его концентрации C. В таком случае можно написать, что a=kC, где k - удельный показатель погло­щения растворенного вещества, рассчитанный на единичную концентрацию (число, показывающее степень монохроматического поглощения данного веще­ства в слое 1 мм (удельная плотность).. Таким образом, плотность прямо пропорциональна концент­рации светопоглощающего веще­ства C в слое и толщине cлоя:

D == kCx.

Другая причина, по которой предпочтительнее использование оптической плотности,

состоит в том, что она пропорциональна толщине х поглощающего слоя, в отличие от коэффициента пропускания , который является показательной функцией его толщины:

=10^-ах

Численно оптическая плотность D определяется как десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания:

D=lg(1/)=ax.

За еди­ницу оптической плотности D=1 принимается плотность, ослабляющая падающий световой поток в 10 раз (при =0,1: D=lg(1/0,1)=lg10=1).

В практике видео-кино-фотосъемок нейтрально-серые светофильтры обозначаются плотностями 0,3; 0,6; 0,9 и т.д., включая промежуточные значения. Если выполнить несложный расчет, то увидим, что каждая ступень плотности равная 0,3 будет почти соответствовать 2-кратному уменьшению падающего светового потока, т.е. =0,5 (=50%).

Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Например, 0,3+0,3=0,6, а световой поток уменьшится в 4 раза, т.е. =0,25 (=25%). В таблицах 2 и 3 приведены соотношения между плотностью D и коэффициентом пропускания .

Таблица 2. Соотношения между оптической плотностью D

и коэффициентом пропускания 

D	0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,85	0,06	0,07	0,08	0,09
0,0	1,0000	0,9772	0,9550	0,9333	0,9120	0,8913	0,8710	0,8511	0,8318	0,8128
0,1	0,7943	0,7762	0,7586	0,7413	0,7244	0,7079	0,6918	0,6761	0,6607	0,6457
0,2	0,6310	0,6166	0,6026	0,5888	0,5754	0,5623	0,5495	0,5370	0,5248	0,5129
0,3	0,5012	0,4898	0,4786	0,4677	0,4571	0,4467	0,4365	0,4266	0,4169	0,4074
0,4	0,3981	0,3890	0,3802	0,3715	0,3631	0,3548	0,3467	0,3388	0,3311	0,3232
0,5	0,3162	0,3090	0,3020	0,2951	0,2884	0,2818	0,2754	0,2692	0,2630	0,2570
0,6	0,2512	0,2455	0,2399	0,2344	0,2291	0,2239	0,2188	0,2138	0,2089	0,2042
0,7	0,1995	0,1950	0,1905	0,1862	0,1820	0,1778	0,1738	0,1698	0,1660	0,1622
0,8	0,1585	0,1549	0,1514	0,1479	0,1445	0,1413	0,1380	0,1349	0,1318	0,1288
0,9	0,1259	0,1230	0,1202	0,1175	0,1148	0,1122	0,1096	0,1072	0,1047	0,1023
1,0	0,1000	0,0998	0,0995	0,0993	0,0991	0,0998	0,0986	0,0984	0,0982	0,0979

Таблица 3. Соотношения между коэффициентом пропускания 

и оптической плотностью D.

	0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
0,0	00	2	1,699	1,523	1,398	1,301	1,222	1,155	1,100	1,046
0,1	1,00	0,959	0,921	0,886	0,854	0,824	0,796	0,769	0,745	0,721
0,2	0,699	0,678	0,657	0,638	0,620	0,602	0,585	0,569	0,553	0,537
0,3	0,523	0,509	0,495	0,481	0,468	0,456	0,444	0,432	0,420	0,409
0,4	0,398	0,387	0,377	0,367	0,357	0,347	0,337	0,328	0,319	0,310
0,5	0,301	0,292	0,284	0,276	0,268	0,260	0,252	0,244	0,237	0,229
0,6	0,222	0,215	0,208	0,201	0,194	0,187	0,180	0,174	0,168	0,151
0,7	0,155	0,149	0,143	0,137	0,131	0,125	0,119	0,114	0,108	0,102
0,8	0,097	0,092	0,086	0,081	0,076	0,070	0,066	0,060	0,055	0,051
0,9	0,046	0,041	0.036	0,031	0,027	0,022	0,018	0,013	0,009	0,004

Различа­ют плотность D для белого света, монохроматическую D_ для отдельных длин волн и зональную D_зон , выражающую ослабление свето­вого потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (D_с , D_з , D_к ). Спектральную зависимость плотности D можно представить графически, откладывая по оси абсцисс длину волны , а по оси ординат - плотность. В зависимости от структуры падающего, способу измерения прошедшего светового потока и типу светоприемника, его воспринимающего, в фотокинотехнике различают еще и такие оптические плотности: регулярную, интегральную, диффузную, двойную диффуз­ную, эффективную, фотографически эквивалентную серую плотность,

визуально эквивалентную серую плотность, копировальную, колорометрическую, визуальную и стандартную. Для фотокиноматериалов с прозрачной подложкой оптическая плот­ность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D_o. В качестве дополнительных характеристик материалов применяются оптическая прозрачность и оптическая непрозрачность. Соотношения между оптической плотностью, прозрачностью и непрозрачностью следующие: