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传统黑白影像成像过程是传统影像的基础,虽然传统黑白照相已经慢慢退出历史舞台，没必要做详细介绍，但其最基本的原理对理解影像科学乃至数字影像都是很重要的。 1.黑白照相的成像过程： 照相的目的是为了把立体的景物通过光学透镜系统成像于感光材料上，经过一系列冲洗加工和复制过程，得到一个平面的影像并保留在感光材料上。所谓光学透镜系统就是我们熟悉的照相机和摄影机镜头。虽然照相机和摄影机种类繁多，结构复杂，但基本原理都是相同的，即通过光圈（光孔大小）和快门（开关时间）来控制曝光的，光圈愈大，快门愈长，则曝光量就愈大，反之，光圈愈小，快门愈短，则曝光量就愈小。照相机中接受光信号的感光材料就是我们熟悉的胶片或胶卷，也称之为负片或底片。拍摄时，胶片感光（曝光）获得影像信息，经过冲洗加工把获得的影像信息放大，就是用显影剂把曝光部分的卤化银微晶还原成黑色的银影像，再用定影剂把未曝光的卤化银微晶洗去，最后用清水漂洗干净，得到的影像就可以稳定地保留下来了。这样得到的影像为负像（底片），其黑白与景物的亮度是相反的。底片再经过相似的过程拷贝在另一种感光材料上（例如相纸），就可以得到与景物相似的平面影像（即正像或照片）。  底片（负像）  照片（正像） 2. 卤化银感光材料的成像基本原理: 在所有的传统照相材料中,卤化银微晶(颗粒）是一种非常特殊非常重要的化合物,它既是一 个光敏单元又是存储光信息的单元。卤化银微晶能吸收电磁辐射并与其作用形成银原子,这 些银原子互相结合形成微小的银原子群即 “潜影斑”,带有潜影斑的卤化银颗粒与还原剂 (显影剂)相遇时,在潜影银的催化下很快地还原成 金属银颗粒。未曝光的卤化银晶体不形成 潜影斑,不易被显影剂还原为金属银,它们 可以用定 影液洗去，留下的黑色金属银就是稳定的图像。在通常的显影条件下一个潜影核 可以即时引 发显影作用的最小尺寸约为4个银原子。而一个卤化银颗粒大约含有107-109个 银离子和相同 数量的卤离子,因此在显影过程中,光信息(潜影)将被放大107-109倍。人们至 今还没有发现 有任何感光物质有如此大的信息放大作用,这就是为什么卤化银有这样高的感 光度的原因,也 是为什么一个多世纪来卤化银始终扮演着照相感光材料主角的原因。 3 卤化银晶体:氯化银和溴化银通常形成具有面心立方(fcc)结构的晶体(象食盐一样),其 平衡形态为具有(100) 晶面的立方体。在一定条件下溴化银还可以形成具有(111)晶面的八 面体。例如晶体形成过 程中,过量的溴离子吸附在(111)晶面上,就会形成八面体。如果 晶体形成过程中由于堆积缺 陷导致孪晶的形成。就会得到各向异性的扁平晶体(T-颗粒) 照相材料中一般不会单独使用碘化银,它总是与溴化银形成混合晶体。微量的碘化银(<3%摩 尔)的存在对提高感光度有很大作用。随温度变化的晶格振动使卤化银晶体产生Frenkel型点 阵缺陷。某些银离子脱离其晶格位置形成可移动的 “填隙银离子”(Agi+)和 “银离子空穴 ”(Agv -)。填隙银离子的存在是照相过程的一个关键。在卤化银微晶中填隙银离子的相对 数量比大晶体要多得多,而且分布不均匀,这些分布不均匀的填隙银离子在卤化银的光化学反 应---产生潜影时起到了主要作用。 4.光化学反应:卤化银晶体吸收一个高能(>2.6ev)光子后,卤离子释放一个电子,该电子从价 带 激发至导带。该光电子在生存期内可以在晶体内移动。卤离子失去一个电子后变成中性 卤原子。周围晶格银离子的过剩不平衡电荷在卤原子位置产生一个正电荷;所得正空穴h+由 于能 与相邻的卤离子交换电子也可以移动。但移动速度比光电子慢得多。光电子在移动中 碰到填隙银离子,就相互结合,形成银原子:
连续吸收几个光子后,相继产生的银原子发生聚集,直至形成足够尺寸的银聚集体---潜影斑。从理论上讲,每吸收一个光量子可形成一个银原子。由于大约4个银原子将足以形成一个潜影斑,因此,一个卤化银晶体在吸收4个光量子后就能被显影。但需要满足以下条件:不能发生无效反应;形成的全部银原子必须聚集在一起;而且银的聚集体必须位于晶体表面(容易与显影剂反应)。 事实上,反应是复杂的。比如 “无效反应”是难以避免的,产生的光电子也会碰上正空穴复合回到溴离子;生成的银原子也会被正空穴氧化而回到银离子;生成的银原子难以聚集……无论出现哪一种情况,结果是光电子的损失和量子效率的降低。因此,正空穴不可逆地消失是很重要的。另外,光解银在卤化银晶体中是随机分散的,难以聚集,这也是影响光量子效率的重要因素。在晶体表面掺杂诸如Ag2S,(Au,Ag)2S之类的 “感光中心”后,感光度会大大提高,其原因主要是这些感光中心易使潜影聚集和定位。 卤化银感光材料对光的响应可用特性曲线(D-LgH曲线)来表示。D表示感光材料的(反射或透射)光学密度, LgH表示曝光量的对数。对可见光而言,曝光量H定义为Tt, T为照度(勒克斯),t为时间(秒)一般情况下,该曲线都呈S形状,可分三个部分:低曝光区,曝光量增加,密度没有变化;曝光量超过一定阈值时, 曝光量增加,密度按一定比例增加;达到饱和(全部卤化银都被还原),曝光量增加,密度不再增加。
1.4互易率失效:互易率指对于一个给定的曝光量(Tt),必然得到相同的密度响应,与T或t的大小无关。但是,当T或t达到一定的极限值时, T和t的互易率就会失效。也就是说,要获得给定密度所需的曝光量比互易率有效范围内更高。互易率失效有分低照度互易率失效(LIRF)和高照度互易率失效(HIRF),可用产生规定密度所需曝光量(纵座标)与照度(横座标)作图来说明: 例如, 激光胶片使用高强度激光为曝光光源,曝光时间很短(10-5-10-7 秒),这时,就易发生高照度互易率失效。卤素吸收剂或某些重金属的掺杂可降低互易率失效的程度。 1.5 光谱增感:卤化银对篮紫光敏感,但敏感光谱范围取决于卤素成份,AgCl,AgBr,AgI的光谱感光度的极大值分别在420 nm,470 nm,和520 nm。 将卤化银的敏感范围扩展至长波方向的方法称为 “光谱增感”,在乳剂中加入能吸附在卤化银晶体上的染料(光谱增感染料),这些增感染料可以吸收篮,绿,红和红外波谱范围的光线,并把这些光线的能量传递给卤化银晶体,使卤化银的感光范围延伸至绿,红或红外范围,同时降低了卤化银对原来敏感范围的感光度。用于卤化银材料的光谱增感染料大多为多甲川染料,其中又分为阳离子染料(箐染料)和中性染料(份箐染料)。 增感染料吸附于卤化银晶体上,其最大吸收(即最大增感峰)大约比染料在溶液状态的单分子的吸收波长往长波方向移动30-50 nm。这是由于染料分子在吸附时形成了聚集体,降低了吸收能。 箐染料的增感机理非常奥秘,对此有很多研究,并形成了多种理论。简单说,染料吸收光子能量后从基态S0变为单线激发态S1 ,电子从染料的单线态转移至卤化银的导带,再经还原形成潜影。 虽然光谱增感的机理很复杂,但光谱增感的技术的应用已非常成熟,人们可把卤化银感光材料的感光范围从400 nm扩大到1200 nm。 1200 nm可能是光谱增感的极限,因为其光子能量已低于1ev,而从热力学的观点证明:要打破一个Ag-Br健大约需要1ev的能量。 超增感是指具有超加和作用的物质(超增感剂)使增感染料在其增感范围内的感光度增加,超增感剂可以是增感染料,也可以是无色化合物,超增感的机理同样是非常奥秘的,而应用已十分普遍。 1.6显影理论:从量子效率角度看,照相(初级)过程并不比其他光化学过程优越,照相初级过程的量子效率总是小于1(Ψ≤1),只是通过显影过程把光化学反应的结果放大,才表现了卤化银照相过程对光的高感光度,并使卤化银感光材料超过所有其他已知的光化学过程。显影过程实际是一个信息放大过程,其放大倍率可达107-109倍。卤化银感光材料在显影时,有潜影(Agn)的卤化银晶体被还原剂(显影剂)还原成金属银,重要的是潜影(Agn)对此还原过程有催化作用: Ag Br + Red - Agn Ag + Br - +Ox
Red – 为显影剂(碱性溶液中呈阴离子态), Ox 是显影剂的氧化态。 关键的是,照相显影以动力学响应为基础。由于潜影银的催化作用,显影剂将已曝光的卤化银颗粒还原成银的速率比未曝光的卤化银颗粒快好几个数量级,在足够长的时间后所有的颗粒,包括未曝光的颗粒才被显影 。 化学显影过程中,显影核与卤化银颗粒表面接触。显影剂在显影核-溶液界面被氧化,但由于没有溶解的卤化银,在此界面没有从溶液还原的银离子。相反,在显影核与卤化银颗粒之间的界面上发生银离子还原反应。显影核由于界面上银的沉淀而进一步生长;银以丝状长入溶液。到显影后期卤化银颗粒完全溶解。通过电镜可观查到银丝和银带,而没有卤化银颗粒。紊乱的银丝几乎全部吸收入射光,而几乎无反射,所以显影银构成的图像就特别黑。 |
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