Светочувствительность фотоматериалов

Светочувствительность фотоматериала — характеристика фотографического материала, отражающая его способность изменять свою оптическую плотность под воздействием света и последующего проявления^[1]. Светочувствительность обратна пропорциональна экспозиции, которая требуется для получения заданной оптической плотности^[2]. Раздел метрологии, изучающий светочувствительность фотоматериалов, называется сенситометрией. Единицы ISO, использующиеся для обозначения светочувствительности в настоящее время, являются международными, и стандартизированы одноимённой организацией.

Понятие светочувствительности, применяемое в цифровой фотографии не имеет ничего общего с чувствительностью фотоматериалов, поскольку к электронным способам регистрации изображения принципы сенситометрии неприменимы. Кроме того, в цифровой фотографии используется величина, которая отражает не столько чувствительность матрицы, сколько степень усиления её электрических сигналов и их последующую цифровую обработку^[3].

Основная статья: Светочувствительность цифровых камер

Однако, в экспонометрических системах цифровых камер используется эквивалент светочувствительности ISO, позволяющий применять классические принципы определения экспозиции, заимствованные из плёночной фотографии.

Маркировка светочувствительности на упаковках фотоплёнок «Тасма»

Критерии светочувствительности

Поиск наиболее точной системы измерения светочувствительности начался сразу же после изобретения фотографии для количественной оценки экспозиции, необходимой для получения качественного изображения. Однако, главная сложность заключалась в том, что оптическая плотность получаемого негативного или позитивного изображения зависит не только от интенсивности экспонирования, но и от режима проявления. Увеличение времени проявления приводит к повышению оптической плотности, однако на светочувствительность влияет в гораздо меньшей степени. Поэтому, главный вопрос любой сенситометрической системы — критерий светочувствительности, позволяющий наиболее точно определять способность фотоэмульсии реагировать на свет, и не зависящий от других факторов. Самым первым критерием, использовавшимся начиная с 1870-х годов, стал порог почернения, то есть минимальная экспозиция, дающая регистрируемую плотность^[2]. Такой критерий использовался в большинстве систем отсчёта, например, Шайнера (нем. Julius Scheiner), Эдера (нем. Josef Maria Eder) и Винна. В 1890 году английскими учёными Хёртером (англ. Ferdinand Hurter) и Дриффилдом (англ. Vero Charles Driffield) было сформулировано понятие характеристической кривой. В качестве критерия светочувствительности была выбрана точка инерции (критерий Хёртера—Дриффилда) — точка пересечения касательной к прямолинейному участку характеристической кривой с осью логарифма экспозиций. В СССР шкала светочувствительности Хёртера и Дриффилда, сокращённо «Х и Д» (англ. H&D), официально использовалась с 1928 года вплоть до 1954, когда был осуществлён переход на единицы ГОСТ в соответствии со стандартом ГОСТ 2817—50^[2].

В современной сенситометрической системе ISO в качестве критерия используется нормированная оптическая плотность, то есть плотность, превышающая суммарную плотность вуали и подложки на определённую пороговую величину. Экспозиция, необходимая для получения такой плотности, и служит точкой отсчёта для определения светочувствительности. Для разных сортов светочувствительных материалов: негативных, позитивных, обращаемых и т. д., в одних и тех же системах измерения принимаются разные значения этого критерия. Например, для чёрно-белых негативных фотокиноматериалов пороговой плотностью считается 0,1 над вуалью^[4]. Дальнейшее развитие технологий фотопроцесса потребовало совершенствования сенситометрии, от которой потребовалось измерение светочувствительности цветных многослойных плёнок и бумаг. Каждый из светочувствительных слоёв таких материалов обладает своей светочувствительностью, зачастую отличающейся от соседних. Кроме того, оптическая плотность в цветных материалах создаётся не металлическим серебром, как в чёрно-белых, а красителями, из которых состоит цветное изображение.

Основные понятия

Общая светочувствительность — количественная мера светочувствительности, определяемая экспериментально при стандартизированных условиях экспонирования фотоматериала белым светом и последующей лабораторной обработки. Измеряется на основе характеристик получаемой сенситограммы. Также называется интегральной или фотографической чувствительностью. Для краткости именно общая светочувствительность обычно называется светочувствительностью или чувствительностью фотоматериала.

Цветочувствительность — для чёрно-белых фотоматериалов относительная светочувствительность к различным цветам видимого спектра и прилегающих областей. Цветочувствительность определяется через эффективную чувствительность и часто выражается кратностью нормированного цветного светофильтра^[5].

Эффективная чувствительность — светочувствительность к излучению определённого спектрального состава^[5].

Спектральная чувствительность — светочувствительность, измеренная при экспонировании монохроматическим светом определённой длины волны.

Число светочувствительности (экспозиционный индекс) — количественное выражение общей светочувствительности, которым маркируется фотоматериал. Это число и измеренное значение яркости или освещённости снимаемых объектов служат для нахождения правильной экспозиции.

Шкала светочувствительности — принятая в конкретной сенситометрической системе последовательность значений чисел светочувствительности. Наносится на калькуляторы экспонометрических устройств. Существуют шкалы двух разновидностей: арифметические и логарифмические.

• Арифметическая шкала представлена в виде геометрической прогрессии, обычно с коэффициентом $\sqrt{2}\approx 1,4$, реже $\sqrt[3]{2}\approx 1,26$. Этот коэффициент является константой фотометрического клина, который применяется при сенситометрических испытаниях. Числа в шкале обычно округляются до двух значащих цифр.
• Реже применяется логарифмическая шкала, числа которой составляют арифметическую прогрессию логарифмов арифметической шкалы. Система DIN имела логарифмическую шкалу^[6], а ISO может совмещать арифметический и логарифмический отсчёты единиц чувствительности, обозначаемые через дробь.

Стандарты светочувствительности

С начала 2000-х годов наибольшее распространение получило указание чувствительности фотоматериала в единицах системы ISO, стандартизированной в 1974 году. Она получена комбинацией более ранних систем ASA и DIN. В настоящее время для измерения светочувствительности цветных негативных фотокиноплёнок используется стандарт ISO 5800:2001^[7]. Два других стандарта ISO 6:1993 и ISO 2240:2003 существуют в качестве шкалы светочувствительности для чёрно-белых негативных и цветных обращаемых фотокиноматериалов.

Эквивалент светочувствительности для цифровых фотоаппаратов определяется стандартом ISO 12232:2006, впервые опубликованным в августе 1998 года, и в последний раз исправлявшимся в октябре 2006.

Сравнение светочувствительности в различных стандартах

В таблице приведены сравнительные значения основных систем измерения светочувствительности ГОСТ, «Х и Д»^[8], ASA, ISO, APEX и DIN

Сравнение разных систем измерения светочувствительности

APEX Sv (1960–)	ISO (1974–) арифм./логар.°	«Х и Д» (1928—1951) арифм.	ASA (1960–1987) арифм.	DIN (1961–2002) логар.	ГОСТ (1951–1986) арифм.	Примеры фотоматериалов, обладающих такой светочувствительностью
−2	0,8/0°	15	0,8	0		«Свема» ЦП-8Р, ЦП-11
	1/1°	17,5	1	1	1
	1,2/2°	25	1,2	2	1,2
−1	1.6/3°	30	1,6	3	1,4
	2/4°	38	2	4	2
	2,5/5°	50	2,5	5	2,4	«Свема» Микрат-300
0	3/6°	63	3	6	2,8	«Тасма» ОЧТ-Н
	4/7°	75	4	7	4
	5/8°	100	5	8	5	Фотобумага «Славич» Фотоцвет-4
1	6/9°	125	6	9	5,5	оригинальный Kodachrome
	8/10°	150	8	10	8	Polaroid PolaBlue
	10/11°	200	10	11	9	Kodachrome 8-мм
2	12/12°	250	12	12	11	Gevacolor 8-мм обращаемая, позднее Agfa Dia-Direct, «Свема» КН-1
	16/13°	300	16	13	16	Agfacolor 8-мм обращаемая
	20/14°	400	20	14	18	Adox CMS 20
3	25/15°	500	25	15	22	старый Agfacolor, Kodachrome II и Kodachrome 25, Efke 25, «Тасма» ЦО-22Д
	32/16°	600	32	16	32	Kodak Panatomic-X, «Свема» ДС-5М, Фото-32
	40/17°	800	40	17	38	Kodachrome 40 (киноплёнка), «Тасма» Панхром СЧС-1
4	50/18°	1000	50	18	45	Ilford Pan F Plus, Kodak Vision2 50D 5201 (киноплёнка), AGFA CT18, «Свема» ДС-4
	64/19°	1250	64	19	65	Kodachrome 64, ORWOCOLOR NC-19, «Тасма» Панхром СЧС-4, «Свема» Фото-65
	80/20°	1500	80	20	75	Ilford Commercial Ortho
5	100/21°	2000	100	21	90	Kodacolor Gold, Kodak T-Max, Provia, Efke 100, «Свема» КН-3
	125/22°	2500	125	22	125	Ilford FP4+, Kodak Plus-X Pan, «Свема» Фото-130
	160/23°	3120	160	23	130	Fujicolor Pro 160C/S, Kodak High-Speed Ektachrome, Kodak Portra 160NC и 160VC
6	200/24°	4000	200	24	180	Fujicolor Superia 200, «Свема» ОЧТ-180, «Тасма» ОЧ-180, ЦО-Т-180Л
	250/25°	5000	250	25	240	«Тасма» Фото-250
	320/26°	6250	320	26	250	Kodak Tri-X Pan Professional
7	400/27°	8000	400	27	350	Tri-X 400, Ilford HP5+, Fujifilm Superia X-tra 400, «Свема» ОЧТ-В, «Тасма» А-2Ш
	500/28°	10000	500	28	500	Kodak Vision3 500T 5219 (киноплёнка), «Тасма» Изопанхром тип-17
	640/29°	12500	640	29	560	Polaroid 600
8	800/30°	16250	800	30	700	Fuji Pro 800Z
	1000/31°	20000	1000	31	1000	Kodak P3200 TMAX, Ilford Delta 3200
	1250/32°		1250	32	1200	Kodak Royal-X Panchromatic
9	1600/33°		1600	33	1440	Fujicolor 1600, «Тасма» Изопанхром тип-42[9]
	2000/34°		2000	34	2000
	2500/35°		2500	35	2400
10	3200/36°		3200	36	2880	Konica 3200

Определение чувствительности ISO для фотоматериалов

Определение светочувствительности чёрно-белого фотоматериала по стандарту ISO

Светочувствительность чёрно-белых негативных фотоматериалов определяется по характеристической кривой, которая строится на специальных бланках или миллиметровке по результатам измерения сенситограммы при помощи денситометра^[10]. Точка кривой, по которой определяется светочувствительность (критериальная точка), обозначена на рисунке буквой «m», и для чёрно-белых негативных плёнок её плотность должна составлять 0,1 над вуалью. При этом негатив должен быть проявлен так, чтобы точка «n», экспонированная на 1,3 единицы больше «m», обладала оптической плотностью, превосходящей её на 0,8. Это является важным условием соблюдения заданного коэффициента контрастности. В этом случае, критерием светочувствительности может считаться экспозиция H_m в люксах в секунду, соответствующая точке m, а арифметическое значение светочувствительности ISO определяется равенством:

$S = \frac {0.8} {H_\mathrm{m}}$

Для позитивных и обращаемых фотоматериалов светочувствительность определяется по этому же равенству, отличающемуся верхним коэффициентом и при других критериях контрастности.

Зависимость светочувствительности от режима проявления побуждает производителей фотоматериалов указывать рекомендованную рецептуру и режимы проявления, при которых достигается указанное на упаковке значение этого параметра. Использование других проявителей и режимов может изменить светочувствительность, и сделать результаты измерения экспозиции ошибочными. Кроме того, интенсивное проявление приводит к росту контраста и увеличению зернистости, что отрицательно сказывается на качестве изображения.

Определение светочувствительности цветных фотоматериалов

Для цветных многослойных плёнок светочувствительность определяется по более сложным законам, поскольку должны учитываться свойства трёх характеристических кривых. Три светочувствительных слоя обладают различными значениями частичных светочувствительностей, зависящими от цветового баланса плёнки. Поэтому, светочувствительность цветных фотоматериалов представляет собой сложную комплексную величину.

Общая светочувствительность цветных негативных плёнок определяется как средняя величина трёх частичных светочувствительностей каждого слоя. Для позитивных фотоматериалов за общую светочувствительность принимается наименьшая из частичных, а для обращаемых — наибольшая^[5]. Ещё одной особенностью сенситометрии многослойных плёнок является тот факт, что изображение в них состоит не из металлического серебра, а из красителей. Поэтому приходится использовать несколько различных понятий оптической плотности, отражающих концентрацию каждого из красителей в соответствующем поле сенситограммы. Чаще всего используются термины визуально эквивалентно-серой плотности (ВЭСП) и копировальной плотности^[11]. Первый параметр обычно относится к позитивным или обращаемым фотоматериалам, тогда как второй — к негативным и контратипным^[12].

Способы изменения светочувствительности

Сенсибилизация

Естественная светочувствительность галогеносеребряных фотоэмульсий лежит в сине-фиолетовой области видимого спектра. Равномерная чувствительность ко всем видимым лучам достигается путём оптической сенсибилизации фотоматериалов добавлением в эмульсию сенсибилизаторов^[13]. В роли таковых обычно выступают некоторые разновидности органических красителей, осаждаемых на поверхности микрокристаллов галогенида серебра.

Основная статья: Сенсибилизация (фото)

Таким образом получают чёрно-белые фотокиноплёнки, различающиеся по цветочувствительности, и эмульсии для разных слоёв цветных многослойных фотоматериалов. При помощи химической сенсибилизации повышают общую светочувствительность. Для этого используются соли благородных металлов: золота и платины, а также другие вещества, позволяющие повышать светочувствительность в несколько раз^[14].

Гиперсенсибилизация

Обработка светочувствительного материала до экспонирования, изменяющая свойства фотографического слоя в сторону улучшения условия образования скрытого изображения при съёмке^[15]. Особенности гиперсенсибилизации:

• В наибольшей степени при гиперсенсибилизации меняется добавочная светочувствительность, нежели собственная.
• Достигнутый гиперсенсибилизацией эффект, как правило, сохраняется в течение нескольких часов, поэтому обработку совершают непосредственно перед съёмкой или хранят гиперсенсибилизированный материал в прохладном месте между процедурой гиперсенсибилизации и экспонированием.
• Поскольку, в отличие от производства фотографической эмульсии, гиперсенсибилизация может происходить в различных, хуже нормированных условиях, она часто даёт нестабильные, плохо воспроизводимые результаты.

Эти основные свойства ограничивают применение гиперсенсибилизации. Долгое время гиперсенсибилизацию массово применяли для повышения чувствительности инфракрасных плёнок. Однако, по мере развития электронных светочувствительных элементов, были достигнуты лучшие результаты в этой области спектра.

Изменение чувствительности обработкой после экспонирования

• Пуш-процесс (англ. push-up) — увеличение светочувствительности негативных фотоматериалов при помощи более интенсивного проявления за счёт увеличения его времени, повышения температуры проявителя и подбора его рецептуры. Удвоение времени проявления по сравнению со стандартным для данного материала приводит к увеличению эффективной чувствительности в 1,4—1,7 раза, в зависимости от кинетики конкретных веществ, и к увеличению коэффициента контрастности в 1,1—1,3 раза. Одновременно с этим растёт плотность вуали. Подбор состава проявителя — наиболее безопасный способ повышения чувствительности. Самые удачные рецептуры дают выигрыш в одну-две-три ступени (до 8 раз) по сравнению со стандартным проявителем.

К позитивным фотоматериалам пуш-процесс не применим вследствие других принципов позитивного фотопроцесса, в котором проявление происходит не до промежуточных значений контрастности, а «до конца», то есть до получения максимальных оптических плотностей и контраста. Кроме того, область применения позитивных эмульсий не предполагает необходимости высокой чувствительности. Цветные негативные и обращаемые фотоматериалы пригодны для пуш-процесса в меньшей степени, чем чёрно-белые, поскольку изменение режима проявления приводит к нарушению цветового баланса и к необратимому разбалансу светочувствительных слоёв по контрасту. Некоторые производители допускают обработку цветных материалов с интенсивным проявлением, но его параметры строго регламентируются.

• Десенсибилизация — понижение светочувствительности фотоматериала, обычно используемое для предотвращения вуалирования лабораторным освещением в процессе обработки. Для этого проводится обработка в растворе специального вещества — десенсибилизатора. Десенсибилизаторы могут быть химическими, понижающими общую светочувствительность, и десенсибилизаторами-красителями, понижающими дополнительную цветочувствительность, приобретённую при оптической сенсибилизации^[15].

• Латенсифика́ция (лат. latens — скрытый и лат. facio — делаю) — усиление существующего скрытого изображения в фотографическом материале, служащая для повышения эффективной светочувствительности^[16]. Самый простой способ — слабая дополнительная засветка фотослоя после основной экспозиции перед проявлением. Дополнительное воздействие такого рода происходит увеличение неустойчивых центров скрытого изображения и переход их в устойчивое состояние. Интенсивность засветки подбирается так, чтобы увеличение уровня вуали не составило более чем 0,05—0,01. При этом условии светочувствительность может быть повышена в 2—4 раза. В наибольшей степени повышается чувствительность низкочувствительных материалов. Как и гиперсенсибилизация, латенсификация даёт плохо воспроизводимые результаты.

Экспозиционный индекс

Экспозиционный индекс EI применяется в случаях, когда прямое использование значения светочувствительности затруднительно. EI применим для компенсации неточностей экспонирования фотоаппарата или при нестандартной обработке. Экспозиционный индекс можно назвать «установленной светочувствительностью» в противовес номинальной светочувствительности. Например, фотоплёнку со светочувствительностью ISO 400 можно экспонировать при слабом освещении при EI 800, а затем увеличить время проявления, чтобы получить пригодные для печати негативы. Другим примером может служить съёмка камерой с затвором, дающим постоянную ошибку в ту или иную сторону. В этом случае можно использовать соответствующий EI, отличающийся от значения ISO в сторону постоянной ошибки, или экспокоррекцию, чтобы скомпенсировать ошибку.

Завышение чувствительности плёнки производителями

У некоторых плёнок высокой чувствительности «штатным» режимом проявления считается проявка, приводящая к увеличению чувствительности («пуш-процесс»). Стандартное проявление таких фотоматериалов позволяет получать более низкую чувствительность при пониженном контрасте. Например, в стандартном проявителе получается чувствительность 1000, в рекомендуемом — 3200. Маркировка светочувствительности некоторых цветных обращаемых плёнок может содержать индекс «P», обозначающий чувствительность, достигаемую в случае обработки по «пуш-процессу».

Светочувствительность и зерно

Светочувствительность фотографической эмульсии зависит от размера зёрен галогенида серебра, поскольку зёрна большего размера дают более высокую чувствительность. Мелкозернистые плёнки обладают низкой чувствительностью и пригодны для контратипирования или печати позитива. Негативные фотоматериалы, предназначенные для съёмки в сложных световых условиях или с короткими выдержками, обладают крупным зерном и низкой разрешающей способностью. Поэтому, одной из главных трудностей, решавшихся в процессе совершенствования негативных материалов, было получение высоких значений чувствительности при мелком зерне.

Закон взаимозаместимости

В большинстве случаев экспозиция, представляющая собой произведение освещённости на выдержку, не зависит от конкретных значений каждого из множителей.

Основная статья: Закон взаимозаместимости

Однако, при очень длинных экспозициях наблюдается отклонение от этого закона, приводящее к уменьшению светочувствительности, определяемой для наиболее часто употребляющихся значений выдержек, лежащих в пределах 1/1000—2 секунд. Изменение светочувствительности при длительных экспозициях имеет значение в областях фотографии, требующих длительных выдержек (например, в астрофотографии), и выражается специальными коэффициентами, используемыми в таких случаях.

См. также

• Светочувствительность
• Светочувствительность цифровых камер
• Сенситометрия
• Фотоматериалы

Примечания

1. ↑ Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 51
2. ↑ ^{1 2 3} Л. В. Коновалов Характеристическая кривая. — М.,: ВГИК, 2007. — С. 22. — 29 с.
3. ↑ Крис Уэстон Экспозиция в цифровой фотосъёмке / Т. И. Хлебнова. — М.,: «АРТ-родник», 2008. — С. 18. — 192 с. — ISBN 978-5-9794-0235-2
4. ↑ Сенситометрия — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
5. ↑ ^{1 2 3} Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 57
6. ↑ Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
7. ↑ ISO 5800:1987  (англ.). Photography — Colour negative films for still photography — Determination of ISO speed. ISO (21 June 2012). Архивировано из первоисточника 2 декабря 2012. Проверено 8 ноября 2012.
8. ↑ С. В. Обручев Справочник путешественника и краеведа / В. М. Заранкин. — М.,: Государственное издательство географической литературы, 1949. — Т. 1.
9. ↑ Н. Г. Кокшайкин Аэрофотосъёмка и создание отечественных аэроплёнок  (рус.). Шосткинский краеведческий музей (27 октября 2011). Архивировано из первоисточника 2 декабря 2012. Проверено 16 ноября 2012.
10. ↑ Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 49
11. ↑ Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 44
12. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 102
13. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 57
14. ↑ Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 4
15. ↑ ^{1 2} Общий курс фотографии, 1987, с. 61
16. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 62

Литература

• Фомин А. В. Глава IV. Сенситометрия // Общий курс фотографии / Т. П. Булдакова. — 3-е. — М.,: «Легпромбытиздат», 1987. — С. 75—103. — 256 с. — 50 000 экз.

• Е. А. Иофис § 12. Сенситометрия // «Кинофотопроцессы и материалы». — 2-е изд. — М.,: «Искусство», 1980. — С. 39—60. — 239 с.