Физико-химические основы фотографии
Материалы и процессы черно-белой фотографии
Глава 1: Общие сведения о светочувствительных фотографических материалах.
Строение черно-белых фотографических материалов.
| а - фотографическая пленка; 1 - защитный слой; 2 - эмульсионный слой; 3 - подслой; 4 - подложка; 5 - противослой; 6 - противоореольный слой б - фотографическая пластинка; в - фотографическая бумага; |
Рис. 1.1. Строение фотографических материалов для черно-белой фотографии:
Светочувствительный фотографический материал (рис. 1.1) состоит из ряда тонких элементарных слоев, последовательно нанесенных на подложку - стеклянную пластинку, листовую или рулонную полимерную пленку, листовую или рулонную бумагу. В зависимости от вида подложки, различают фотографические пластинки, пленку или бумагу. На рис. 1.1 приведены схемы строения только черно-белых материалов *.
Защитный слой представляет собой тонкую (около 1 мкм-микрометра) пленку хорошо задубленной желатины** или поливинилового спирта и служит для предохранения находящегося под ним эмульсионного слоя от механических повреждений.
Эмульсионный слой - желатиновая пленка, в которой распределены мельчайшие частицы (микрокристаллы) светочувствительного вещества - галогенида серебра. В настоящее время продолжаются работы по замене желатины синтетическими полимерами, менее дефицитными, чем она, и обладающими более стабильными свойствами. Поскольку эмульсионный слой играет в фотографическом процессе особо важную роль, ниже мы несколько подробнее рассмотрим его состав и строение.
Подслой в большинстве случаев состоит из желатины, в которую введены дубящие вещества. Толщина подслоя менее 1 мкм. Он служит для прочного скрепления эмульсионного слоя с подложкой. Подслой фотографических бумаг выполняет и другую функцию: предотвращает проникновение эмульсии в подложку (такое проникновение ведет к потере резкости изображения). Для повышения белизны фотографической бумаги в ее подслой вводят сульфат бария.
Противослой (противоскручивающий слой) - тонкая пленка желатины или лака наносится для того, чтобы фотоматериал не скручивался самопроизвольно. Если противослой окрашен, то одновременно выполняет роль противоореольного слоя, предупреждающего в той или иной мере образование ореолов отражения***.
* На практике могут быть отклонения от приводимых здесь схем. Например, многие черно-белые фотопленки имеют два эмульсионных слоя (см. табл. 6.1). Встречаются пленки, не имеющие защитного слоя, и т. д.
** В фотографии принят термин "желатина" вместо предусмотренного языковой нормой "желатин".
*** Ореолы - почернения (если судить по негативу), образующиеся на изображении по границам участков фотографируемого объекта, значительно различающихся по яркости. Возникают вследствие отражения света от подложки или его рассеяния в эмульсионном слое.
Состав и строение эмульсионного слоя.
Для получения эмульсионного слоя на поверхность подложки, предварительно покрытой подслоем, наносят, а затем высушивают на ней фотографическую эмульсию - взвесь микрокристаллов галогенида серебра в водном растворе желатины *. Толщина слоя может колебаться очень широко, от 4-5мкм (материалы с особо тонкими слоями) до 600 мкм и более (радиографические материалы). Однако пределы изменения толщины эмульсионных слоев обычных пленок и бумаг невелики: для черно-белых негативных пленок они составляют 10-25 мкм (см. табл. 6.1); для позитивных - 8-15 мкм; для бумаг - 6-12 мкм.
Микрокристаллы ** в негативных эмульсиях состоят из бромида серебра, как правило, с примесью иодида. В позитивных - могут иметь различный состав: бромид, бромид-иодид, бромид-хлорид, хлорид. Их форма зависит от условий кристаллизации: типичными считаются пластиночки - "таблички" (лат, tabula - доска) в виде треугольников с затупленными углами, шестиугольников или дисков. Однако встречаются таблички-квадраты, а также палочки, бесформенные частицы или кубики.
На форму микрокристаллов влияют вещества, адсорбирующиеся на их поверхности при формировании и росте, а также количество желатины в эмульсии, присутствие аммиака и т. д. При сравнительно большом разнообразии внешних форм микрокристаллы имеют одинаковую внутреннюю структуру.
Микрокристаллы-таблички расположены параллельно поверхности эмульсионного слоя или под небольшим углом к ней. В такое положение их ориентируют силы поверхностного натяжения эмульсии.
В глубину эмульсионного слоя от поверхности до подложки насчитывается 10-100 микрокристаллов в зависимости от толщины эмульсионного слоя и назначения материала.
Фотографические свойства материала зависят от состава эмульсии, технологии ее изготовления, а также от особенностей строения эмульсионного слоя: его толщины, плотности упаковки микрокристаллов, их распределения по размерам, их средней величины и от поверхностной концентрации серебра.
Размеры микрокристалла принято оценивать либо по площади его проекции на поверхность эмульсионного слоя, либо по наибольшему поперечнику. С размерами связаны светочувствительность и контрастность фотографического материала.
Крупная частица галогенида на каждый полезно поглощенный фотон дает большую массу серебра, чем мелкая. Для того, чтобы получить почернение, имеющее определенную оптическую плотность, в случае крупнокристаллической эмульсии требуется меньшая экспозиция, чем в случае мелкокристаллической, следовательно, чем крупнее микрокристаллы, тем они чувствительнее. Однако в общем случае эмульсии, микрокристаллы которых имеют одинаковый средний размер, могут обладать и разной чувствительностью. Она, как будет показано ниже, определяется не только размерами частиц, но зависит и от других причин. Тем не менее средний размер микрокристаллов - весьма существенный фактор, и его считают одной из важнейших характеристик эмульсии.
Соотношение между средним размером микрокристалла и светочувствительностью не носит строгого функционального характера.
Под контрастностью подразумевается свойство материала воспроизводить большей или меньшей разностью оптических плотностей участки объекта, имеющие данные яркости. Если бы микрокристаллы эмульсии не различались по светочувствительности, то их реакции на действие света были бы одинаковыми. На некоторое приращение экспозиции в этом случае они должны отвечать либо полным почернением, либо не давать его вообще. Воображаемый материал, обладающий таким свойством, считается бесконечно контрастным.
Неравенство светочувствительностей микрокристаллов одной и той же эмульсии приводит к тому, что на небольшое приращение экспозиции реагируют только наиболее светочувствительные из них, а малочувствительные не реагируют. Так как реагирующие в этом случае составляют только часть общего количества, то оптические плотности получаются малыми. С возрастанием экспозиций, наряду с наиболее чувствительными микрокристаллами, начинают работать и менее чувствительные, и оптическая плотность почернения возрастает. Таким образом, эмульсия, содержащая микрокристаллы разной чувствительности, на малые приращения яркостей отвечает и малым приращением плотностей, а на большие приращения - большим. Ее контраст конечен. Чем более разнообразны микрокристаллы по светочувствительности, тем контраст эмульсии, а следовательно, и фотографического материала, ниже.
Рис. 1.2. Схема воспроизведения градации оригинала на эмульсии с микрокристаллами разной чувствительности
Рассмотренные соотношения показаны на рис. 1.2, где треугольниками обозначены наиболее чувствительные микрокристаллы, кружками - менее чувствительные и квадратами - малочувствительные.
Так как светочувствительность связана с размерами микрочастиц, то эмульсии с сильно различными размерами микрокристаллов менее контрастны, чем с однородными.
Из факторов, влияющих на светочувствительность и контрастность, отметим еще "ярусность" эмульсионного слоя. Мы упоминали, что от поверхности эмульсионного слоя в его глубину насчитывается несколько десятков эмульсионных микрокристаллов. Верхние экранируют нижележащие, и световая энергия, поглощаемая микрокристаллами при экспонировании, уменьшается в глубину. Это равноценно снижению светочувствительности с возрастанием ярусности эмульсионного слоя. Существенно влияют на светочувствительность размеры и расположение центров светочувствительности.
Поскольку размеры частиц и их распределение достаточно определенно связаны с фотографическими свойствами эмульсии, то ее важной характеристикой является кривая распределения. Пробу эмульсии (соскоб, если исследуется эмульсионный слой) разбавляют водным раствором желатины и поливают на стеклянную пластинку так, чтобы получить "одноярусный" препарат. Препарат фотографируют под микроскопом, а негатив еще увеличивают при печати. Общее увеличение должно составлять 5000 - 10000Х. Для измерения площадей проекций микрокристаллов пользуются шаблонами, представляющими собой прозрачную пленку с нанесенными на нее контурами типичных микрокристаллов - шестигранников, треугольников и кругов, имеющих разные площади. Контуры указанных фигур совмещают с изображениями микрокристаллов на микрофотографии и находят тем самым площади проекций. Для получения статистически достоверных результатов измеряют не менее 1000 микрокристаллов. Результаты выражают в виде кривых распределения, показанных на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Кривые распределения эмульсионных микрокристаллов по размерам: l - моментальная эмульсификация t=0,3 с; 2 - медленная эмульсификация t=270 с (Мията)
Практически измерением определяют класс микрокристалла. Интервал возможных площадей разбивают на участки, называемые классами. Например, первый класс: О-0,2 мкм2; второй класс: 0,2-0,4 мкм2 и т. д. Затем находят число частиц в пределах данного класса.
Плотность упаковки эмульсионных микрокристаллов в слое заметно влияет на распространение в нем рассеянного света. При плотной упаковке свет, рассеиваемый внутри слоя, сильно поглощается тесно расположенными микрочастицами, что до известной степени снимает вредные последствия светорассеяния, способствует повышению качества изображения. Характеристикой плотности упаковки служит отношение массы желатины к массе серебра, которое принято обозначать буквой р. При снижении отношения "желатина-серебро" возрастает вязкость эмульсии, хрупкость готового эмульсионного слоя, ухудшение его сцепления с подложкой. Поэтому технология изготовления светочувствительных материалов усложняется с возрастанием требований к плотности упаковки.
В связи с острым дефицитом серебра в последнее время приобрел исключительно важное значение вопрос о поверхностной концентрации серебра в эмульсионных слоях, называемой обычно наносом. Поверхностная концентрация серебра в современных пленках составляет 2-8 г/м2. Следовательно, на каждую тысячу м2 пленки расходуется в среднем 5 кг серебра. Фотографическая промышленность - один из главных потребителей этого металла.
Нанос влияет на светочувствительность и контрастность фотоматериала. Сначала зависимость указанных характеристик от наноса почти линейна, а затем их приращение начинает отставать от поверхностной концентрации серебра. Высокочувствительные материалы требуют большего наноса, чем малочувствительные.
Многие черно-белые негативные пленки имеют несколько (обычно два) эмульсионных слоев. Нижний - грунтовой - получается нанесением мелкозернистой эмульсии, верхний - основной - более грубозернистой. Оптические плотности почернений, получаемых на каждом из слоев, аддитивны. Это дает возможность рассчитывать свойства многослойных материалов. Нанесение нескольких эмульсионных слоев позволяет регулировать градационные свойства пленок. Кроме того, грунтовой слой предохраняет материал от ореолообразования.
В последние десятилетия промышленность освоила технологию изготовления тонкослойных фотографических материалов с плотной упаковкой эмульсионных микрокристаллов. Их основные преимущества перед материалами с более толстым эмульсионным слоем состоят в следующем. В тонких слоях быстрее идут процессы обработки и, следовательно, уменьшается ее продолжительность. В связи с уменьшением числа ярусов и влиянием экранирования нижних микрокристаллов верхними возрастает светочувствительность. Уменьшается распространение света в стороны и поэтому повышается резкость изображения. Кроме того, тонкослойные материалы требуют меньшего наноса серебра, чем материалы старого типа.
Микрокристалы галогенида серебра ДО и ПОСЛЕ проявления. Произошло почернение кристаллов.