Основы метрологи и светочувствительных материалов

Тема лекции № 6 Фотографическая метрология и его разделы.

Для эффективного использования светочувствительных материалов необходимо знание их рабочих характеристик. Наука, занимающаяся изучением свойств светочувствительных материалов, называется фотографической метрологией. Важнейшим результатом метрологических разработок являются стандарты на испытание светочувствительных материалов. Наиболее совершенного уровня достигла метрология галогенидосеребрянных фотографических материалов. Объясняетcя это тем, что до расцвета цифровых методов получения изображений, они играли очень важную роль в полиграфии и фотографии. Разработанные метрологической наукой принципы, методы и системы испытания фотографических материалов легли основу метрологии других светочувствительных материалов и систем, в том числе и новых.

Фотографическая метрология имеет три раздела: интегральную сенситометрию, спектральную сенситометрию и структурометрию (микросенситометрию). Интегральная сенситометрия занимается фотографическими свойствами материалов и методами измерения их характеристик, обнаруживаемых при воздействии интегрального (белого) излучения. В качестве источников излучения используются сенситометрические источники с цветовой температурой 3200К и 5500 К. К основным характеристикам, определяемым методом интегральной сенситометрии, относятся сенситометрические параметры, рассчитываемые по характеристическим кривым фотоматериала, — светочувствительность, коэффициент контрастности и др.

Спектральная сенситометрия занимается исследование спектральной чувствительности материалов. Она использует строение монохроматических характеристических кривых, по которым определяются спектральная чувствительность и моно­хроматический коэффициент контрастности. Результатом испы­тания материала методом спектральной сенситометрии явля­ется кривая его спектральной чувствительности. Спектральная сенситометрия изучает также воздействие зональных излуче­ний (цветочувствительность).

Структурометрия изучает способность фотоматериала вос­производить мелкие детали изображения. Основными структурометрическими характеристиками являются разрешающая способность, зернистость, функция передачи модуляции.

Интегральная сенситометрия. Общие сведения об интегральной сенситометрии

В основе сенситометрии лежит экспериментальное получение характеристической кривой фотографического материала в заданных условиях. Ввиду того, что на характеристическую кривую вли­яют условия экспонирования и проявления, все условия сенситометрического испытания материала должны быть максимально приближены к условиям его эксплуатации.

Испытания должны характеризоваться высокой точностью и воспроизводимостью. Это возможно, если:

- все условия их проведения строго определены в регламен­тирующих документах, которыми являются государственные стандарты;

- для испытаний используется аппаратура, способная обеспе­чить точность и воспроизводимость экспонирования и обработ­ки фотоматериалов и соответствие их стандартным условиям;

- окончательный результат испытания должен представлять среднее значение, полученное из ряда параллельных испытаний;

- строго регламентирован способ измерения оптических плот­ностей и способ определения сенситометрических параметров по характеристическим кривым или семейству характеристи­ческих кривых.

Сенситометрическое испытание проводится с использовани­ем следующих приборов: сенситометр, проявочное устройств, денситометр. Для построения характеристических кривых и определения по ним сенситометрических параметров используются специальные сенситометрические бланки.

Регламентации подлежат спектральный состав излучении, тип шкалы экспозиций, уровень времен экспонирования, про­явитель и режимы проявления, способы определения сенсито­метрических параметров и оптимального времени проявления, Конкретные нормы различны для разных типов материалов, поэтому для черно-белых фотографических материалов существует не один стандарт, а группа стандартов (ГОСТ 10691.0-84т ГОСТ 10691.6-84). Процесс сенситометрического испытания состоит из этапов:

- сенситометрическое экспонирование с получением несколь­ких копий сенситометрического клина в одинаковых условиях;

- проявление этих копий, называемых сенситограммами, в течение ряда времен, фиксирование, промывка и сушка, проводимые в стандартных условиях;

- измерение визуальных диффузных оптических плотностей сенситограмм на поверенном рабочем денситометре;

- построение семейства характеристических кривых на стандартном сенситометрическом бланке;

- определение сенситометрических параметров в соответствии со стандартом;

- построение на полулогарифмическом бланке кривых кинетики проявления

-определение времени проявления по рекомендуемому параметру, например по рекомендуемому коэффициенту контрастности;

- определение остальных сенситометрических параметров фотоматериала по найденному времени проявления.

Рассмотрим каждый этап подробнее.

Сенситометрическое экспонирование. Для экспонирования в сенситометрии используют специальные приборы сенситометры. Схема простейшего сенситометрия показана на рис. 3.1.

Этот афокальный сенситометр (он не имеет объектива) содержит следующие основные части: сенситометрический источнике света (лампа с цветовой температурой излучения 2850 К), затвор, позволяющий задавать определенные времена экспонирования, набор светофильтров, позволяющий изменять цветовую температуру сенситометрического источника, ступенчатый оптический клин с константой (шагом оптических плотностей) 0,15 и кассету с фотоматериалом.

'

Рис. 6.1. Принципиальная схема сенситометра афокального типа: (1-источник света; 2-затвор; 3- светофильтр среднего дневного света; 4- серый светофильтр; 5- диафрагмы,

предотвращающие попадание на материал света, отраженного от стенок; 6- ступенчатый оптический клин; 7- фотоматериал

Сенситометрический источник должен отвечать целому ряду требований.

1. Источник должен иметь определенный состав излучения, т.е. заданную цветовую температуру. В соответствии со стандар­тами сенситометры должны обеспечивать возможность получе­ния нескольких цветовых температур: 2850 К (норма искусст­венного света ламп накаливания), 5500 К (норма солнечного света) и 3200 К (копировальный источник света).

2. Сила света сенситометрического источника должна обес­печивать в плоскости фотографического материала получение освещенностей, приближенных к практическим условиям. В противном случае вследствие не взаимозаместимости, сенсито­метрические параметры материала не будут отражать свойств материала при его практическом применении.

3. Излучение источника должно быть стабильным во време­ни и в заданном направлении, что зависит от типа лампы и со­блюдения режимов ее питания.

4. Лампы должны иметь небольшой размер светящегося тела и небольшие габариты.

Для выполнения перечисленных условий в сенситометрах используются специальные сенситометрические источники све­та. Излучение этой лампы имеет цветовую температуру 2850±20 К. Для обеспечения заданных спектральных характеристик и силы све­та лампа включается через стабилизатор, на котором устанавливаются заданные метрологической службой режимы питания: напряжение на цоколе лампы и потребляемый ток.

Для превращения лампы накаливания в источник света с цветовой температурой 5500 К ее экранируют конверсионным светофильтром среднего дневного света, который состоит из нескольких оптических стекол, склеенных оптическим клеем. Таким же образом получают цветовую температуру 3200 К. Све­тофильтры имеют определенную визуальную кратность, кото­рую учитывают при расчете экспозиции.

Модулятор экспозиций. Модулятор экспозиций служит для сообщения фотографичес­кому материалу ряда экспозиций, отвечающих условию

(6.1)

где k— константа. Для создания ряда экспозиций используется шкала освещенностей, когда экспозиции варьируются за счет изменения освещенности при постоянной выдержке:

(6.2)

Модулятор, работающий на этом принципе, представляет собой шкалу с постоянным шагом оптических плотностей, называемую ступенчатым оптическим клином. Шаг плотностей называют константой клина. Стандартная константа клина равна 0,15В. Для испытания, контрастных фотоматериалов допускается использование клиньев с константами 0,05 и 0,1 Б. Оптическая плотность любого поля ступенчатого оптического клина может быть рассчитана по формуле

(6.3)

где D— оптическая плотность поля клина, k— константа кли­на, n-номер поля клина.

Сенситометрический клин должен обладать спектрально-неизбирательным поглощением. Такой клин называют нейт­рально-серым. Обычно клин представляет собой слой поглоща­ющего вещества переменной толщины и, следовательно, пере­менной оптической плотности, нанесенный на твердую прозрач­ную подложку. Например, клин может быть изготовлен из коллоидного графита на стеклянной подложке. Схема сенситомет­рического клина приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема сенситометрического клина

От количества полей оптического клина зависит интервал ос­вещенностей (∆lgЕ) (соответственно интервал экспозиций (∆lgH)), которые сенситометр может создать на поверхности фотомате­риала. Стандартный клин с константой 0,15 содержит 21 поле и обеспечивает интервалы освещенностей экспозиций, равные 3,0. Освещенности и экспозиции соседних полей различаются в 10^0,15= 1,41раз.

Абсолютные значения экспозиций определяются временем экспонирования (Н=Е·t). Задается выдержка с помощью авто­матического затвора. К затвору предъявляются жесткие требо­вания. Он не должен допускать расхождения в выдержках более 1-2%. Достаточно точными и воспроизводимыми являются зат­воры с падающей шторкой (в современных конструкциях ис­пользуют затворы других типов). Автоматическая выдержка Равна 0,05 с. Выдержки при использовании конкретного мате­риала должны быть близкими к практическим временам экспонирования и могут отличаться от автоматической.

Если выдержка 0,05 с для испытуемого материала слишком велика (материал высокой светочувствительности), то исполь­зуют серый светофильтр. Он имеет оптическую плотность 0,9 и снижает освещенность поверхности клина в 8 раз.

Сенситометрическое проявление. Точность и воспроизводимость результатов сенситометрическо­го испытания в значительной степени зависят от условий химико-фотографической обработки. Эти условия должны быть строго регламентированы и выдерживаться с высокой точностью. Особенно важна стадия проявления, в течение которой скрытое изображение превращается в видимое. Состав проявителя и режимы химико-фотографической обработки регламентируются техническими условиями (ТУ) на каждый тип пленки.

Проявление проводится в проявочной машине, обеспечива­ющей необходимый режим перемешивания. Температура раство­ра поддерживается с точностью 0,5° С, а время проявления с точностью 1 с. При дальнейшем его хранении в закрытых сосудах происходит стабилизация свойств.Чтобы изменение свойств проявителя не превысило допустимой величины и не сказывалось на сенситометрических параметрах, производится периодическая регенерация проявителя в машине путем введения специальных добавок. В случае кюветной обработки (при стандартном испытаний ее использование не рекомендуется) существует несколько простых правил.

1. Фотоматериал помещается в кювету эмульсией вверх, и его поверхность сразу смачивается проявителем.

2. В кювету наливают такое количество проявителя, чтоб над эмульсионным слоем было не менее 10 мм раствора и на каждый квадратный дециметр поверхности приходилось бы не менее 100 мл свежего раствора. Для интенсификации проявления кювету необходимо покачивать (до 30 покачиваний в минуту). Еще лучше проводить по поверхности материала резиновой ки­стью. Кисть, скользя по материалу, разрушает тонкий приповерхностный эмульсионный слой, существующий при пе­ремешивании любой интенсивности и лимитирующий скорость проникновения свежего проявителя внутрь эмульсии. Кроме того, мягко надавливая на набухший слой, кисть ускоряет диф­фузионный процесс внутри эмульсии в направлении, перпен­дикулярном ее поверхности. В результате увеличивается ско­рость проявления и повышаются его равномерность и воспро­изводимость результатов.

3. После удаления пленки из проявителя процесс проявления не заканчивается, так как набухший слой содержит проявитель. Процесс останавливают, погружая пленку в стоп ванну. Это ра­створ уксусной (1-2%) или серной кислоты с рН = 4,5. Вследствие падения рН внутри эмульсии проявление, требующее щелочной среды, останавливается.

4. Для фиксирования используют свежи приготовленный кислый фиксаж в количестве не менее 20 мл на 1 дм² пленки. В фиксаже, имеющем температуру 20±5° С, пленка выдерживается течение времени, в 2 раза большего времени полного освещения сенситограммы, причем первые 30 с раствор интенсивно перемешивают.

5. Сенситограммы промывают в проточной воде при комнатной температуре.

6. Сушат сенситограммы в равномерном потоке теплого воздуха.

Получение семейства характеристических кривых. Определение сенситометрических параметров фотографического материала.

При проведении сенситометрического испытания несколько сенситограмм (например, пять), полученных при одинаковых условиях экспонирования, проявляют в течение различного времени. Времена проявления отдельных сенситограмм составляют геометрическую прогрессию. Их выбирают так чтобы наибольшая продолжительность проявления обеспечивала получение максимальной светочувствительности и коэффициента контрастности. Измерив визуальные диффузные оптические плотности полей сенситограмм, строят семейство характеристических кривых для всех времен проявления на специальном бланке, называемом стандартным сенситометрическим бланком.

Через каждые 0,5 единиц на оси оптических плотностей про­ведены горизонтальные линии, а через 0,1 единицы — тонкие горизонтальные линии, либо на основных осях повторяется мас­штабная шкала 0.

Внизу под осью логарифмов экспозиций располагается ось светочувствительности, представляющая номограмму для расчета светочувствительности. На ней отложены значения lgS=-lgH, а оцифровка соответствует числам светочувствительности, т.е. использована логарифмическая шкала. Крайняя правая ось служит для определения коэффициента контрастности γ, полезного минимального градиента g_min и среднего градиента g. Методика их определения описана ниже.

Построение семейства характеристических кривых. При юстировке сенситометра добиваются, чтобы при автоматической выдержке экспозиция за контрольным полем клина соответствовала одной из осей сенситометрического бланка. Контрольным является первое или среднее поле клина. При 21-1 польном клине среднее поле— 11-е. Если установить за полем экспозицию 0,16 лк·с, экспозиции за остальными полями клина попадут на оси бланка, а экспозиции за соседними полями — на соседние оси. Построение проводится так. Сенситограммы измеряют на проверенном денситометре и составляют таблицу, столбцы которой соответствуют разным сенситограммам (различным время нем проявления), а строчки — номерам полей сенситограмм. Таблицы содержат оптические плотности полей сенситограмме. Для удобства определения номера поля на каждом 5-м поле клина нанесена треугольная метка. На бланке находят ось, соответствующую экспозиции за контрольным полем клина (одиннадцатым). При одной автоматической выдержке она соответствует определенной при юстировке сенситометра величине, например 0,16 лк·с.

Если задавалось две или четыре автоматических выдержки, экспозиция Н₁₁ равна произведению 0,16 на число автоматических выдержек, например Н₁₁ = 0,16·2 = 0,32 лк-с. На оси 0,31 откладывают оптические плотности контрольного поля каждой из сенситограммы. Оптические плотности соседних полей сенситограммы откладывают на соседних осях бланка. Например, оптические плотности для 10-го поля сенситограмм наносят на ось с Н = 0,44 лк·с (вспомогательная ось между осями с Н= 0,31 и 0,63 лк·с. Полу­чают семейство характеристических кривых. Кривые заканчи­вают, откладывая слева оптические плотности фона сенситог­рамм D_min. Над кривыми семейства можно надписать времена проявления.

Для каждой из характеристических кривых семейства рас­считывают сенситометрические параметры фотоматериала.

Определение сенситометрических параметров фотоматериала.

Определение светочувствительности стандартизовано, при­чем формула для определения S и критерий для каждого типа фотоматериала регламентируются стандартом на данный тип Материала. Отечественные фототехнические пленки испытывают в соответствии со стандартом ГОСТ 10691.6-84, предписы­вающим рассчитывать светочувствительность по формуле

(6.4)

где D_min — оптическая плотность неэкспонированного участка сенситограммы.

Коэффициент определяется следующим образом. Через точку К, нанесенную справа на оси логарифмов экспозиций и отстоящую от крайней правой оси на расстоянии ∆1gH=1,0, проводят прямую, параллельную прямолинейной участку характеристической кривой. На пересечении этой кривой с крайней правой осью находят величину D, численно равную γ (при ∆1gH = 1 γ = ∆D). Поэтому на крайней правой оси нанесен символ γ, и эта ось является номограммой для расчета коэффициентов контрастности.

Если коэффициент контрастности больше 4,0, то его рекомендуется определять не графически, а по формуле.

(6.5)

Основная литература (осн. 1 [113-137])

Контрольные вопросы

Из каких разделов составляет фотографическая метрология?

Для чего используют спектральную сенситометрию?

Что изучает структурометрия?

Какие приборы используют для проведение сенситометрические испытание?