Применение конкурентного фотонного усиления для съёмки при

низкой освещенности в диапазоне средних выдержек

 

кандидат технических наук  Кирилл Анатольевич Занин

 

          В статье рассматриваются существующие методы повышения качества изображения полученного при съёмке в условиях низкой освещенности при выдержках допускающих съёмку с рук. Приводится описание и ссылки на реализацию метода конкурентного фотонного усиления (concurrent photon amplification)  дающего существенный эффект повышения квантового выхода фотоэмульсии в среднем диапазоне выдержек от 1/30 до 1 с.

 

          Каждый фотолюбитель в своей практике сталкивается с необходимостью проводить фотосъёмку в условиях низкой освещенности.           Такие ситуации могут возникать при съёмке дружеских вечеринок, концертов. В основном репортажные фотографы разрешают такую ситуацию применением штативов  и осветительного оборудования. Однако, например, при съёмках в церкви и музеях применение фотовспышек крайне нежелательно. Аналогичная ситуация возникает при съемке динамичного ночного пейзажа, где присутствуют подвижные объекты и мощности электронной фотовспышки не хватает что бы полностью осветить всю сцену.

          Перечисленные факторы являются лишь техническими ограничениями. В то же время существует и художественный аспект фотосъемки при малой освещенности. Использование фотовспышки  нарушает распределение естественной  освещенности сцены. Например, съёмка со вспышкой у костра или при свечах уже не будет передавать романтической обстановки. Поэтому фотовспышкой при съемке необходимо пользоваться только в самом крайнем случае. В большинстве случаев возможностей фотоматериалов и объективов вполне достаточно для получения выразительного снимка без применения фотовспышки.  Рассмотрим особенности  съемки в условиях низкой освещенности.

          Для получения качественного изображения приемник излучения должен получить экспозицию, превышающую определенный порог. Напомним, что экспозиция это плотность энергии - произведение освещенности на выдержку. В единицах СИ экспозиция  измеряется в джоулях  на метр квадратный, освещенность в ваттах на метр квадратный, а выдержка в секундах.  То есть экспозиция это количество энергии полученной определенной площадью фотоматериала [1].

          Так как освещенность сцены ограничена, то единственными путями позволяющими повысить экспозицию приемника являются:

          - увеличение светосилы объектива;

          - увеличение выдержки.

          Освещенность на фотоплёнке связана с освещенностью снимаемой сцены через светосилу объектива. Светосильный объектив собирает больше света, однако при этом падает и глубина резко-изображаемого пространства (ГРИП). Кроме того, светосила объектива ограничивается геометрическими и технологическими  факторами. Поле зрения качественного изображения у сверхсветосильных объективов невелико.

          Выдержка ограничиваться смазом  изображения. Считается, что максимальная выдержка при съёмке с рук определяется фокусным расстоянием объектива. Существует простое правило, максимальная выдержка равна обратному значению фокусного расстояния, выраженного в миллиметрах. По сути, это правило учитывает только  масштаб изображения и не учитывает разрешающей способности.  В зависимости от аберраций объектива, требований к ГРИП, реальные выдержки могут быть выше или ниже указанного значения.

          Кроме того, необходимо учитывать и особенности применяемой фотокамеры: мягкость спуска, удобство захвата, массу камеры и динамику срабатывания затвора.  Для большинства зеркальных фотоаппаратов с ламельным затвором в районе 1/10...1/15 c существует область резонансных колебаний системы затвор-корпус не устранимых даже при предварительно подъеме зеркала и установке камеры на штатив. Для фотоаппаратов со шторным затвором ситуация несколько лучше. Наименьшие собственные колебания имеют центральные затворы.

          Смаз возникает не только из за  вибрации и движения фотокамеры, но и из за динамики снимаемых объектов. Практика показывает, что если не требовать от людей находящихся в кадре замереть на время экспозиции, то выдержка не может быть более 1/15...1/25 c.  С учетом выше изложенного, на практике рациональная  выдержка при съёмке с рук примерно равна 1/25 с.

          Если   увеличение светосилы объектива и  увеличение выдержки осуществить не удается, то необходимо снижение необходимого порога экспозиции. Это возможно путем увеличения коэффициента полезного действия фотоэмульсии.  В частности снижение необходимого порога экспозиции осуществляется повышением светочувствительности применяемой фотоплёнки. Однако путь повышения чувствительности не всегда приводит к пропорциональному росту качества изображения. Рассмотрим, почему так происходит.

          Известно, что разрешающую способность ограничивает два фактора, связанные с корпускулярно-волновыми свойствами света [2]:

1) Функция передачи модуляции фотографической  системой, имеющая свойства фильтра высоких частот. В основном значения частоты среза ФПМ ограничивается дифракцией в оптической системе, обусловленной волновой  природой света и различными аберрациями.

          2) Предельный  разрешаемый контраст - итоговое соотношение сигнал-шум, которое определяется корпускулярными свойствами света  и шумами фотоэмульсии.     

          Общее количество градаций яркости, визуальная резкость и разрешающая способность будет зависеть от шумов на изображении. При уменьшении экспозиции шум на изображении возрастает.  Рассмотрим суть этого явления.

          Согласно корпускулярно-волновой теории света, световой поток состоит из отдельных квантов энергии, которые при больших энергиях и в видимом диапазоне спектра ведут себя как поток капель дождя.  Подсчитать точное количество капель упавших в определенную ячейку за некоторый интервал времен невозможно, их количество будет иметь случайное значение с определенным разбросом  и средним значением.

          Количество переносимой квантами энергии видимого света подчиняется статистике Пуассона. При небольших энергиях фотонный шум наглядно описывается суперпозицией начальных случайных колебаний фазы и амплитуды волны.       Данный вид шума называется квантовым (фотонным) и в условиях малой освещенности является основным. Среднеквадратическое отклонение (СКО) количества регистрируемых квантов от среднего значения равно корню квадратному из количества падающих квантов света.

          Улучшить отношение сигнал-шум при регистрации квантов можно только путем накопления сигнала, чем больше выдержка, тем отношение сигнала к шуму больше. Это условие качества изображения противоречит требованиям к максимальной допустимой выдержке. С точки зрения корпускулярной теории только случайный характер изображения препятствует получению высокого разрешения при ограниченной освещенности.

          В фотоэмульсии изображение создается микрокристаллами металлического серебра, имеющими два устойчивых состояния прозрачности - проявленное или не проявленное.  Все полутоновые значения градаций образуются усреднением на элементе разрешения глаза (сканера) по множеству микрокристаллов. И чем больше микрокристаллов попадает в один элемент разрешения, тем меньше среднеквадратичное отклонение их количества и больше градаций тональности различается. Это и определяет видимый шум зернистости.

          Таким образом, смысл пороговой экспозиции заключается в необходимом количестве квантов  света, при котором достигается требуемого соотношения сигнал-шум на изображении.

          Количество микрокристаллов пропорционально количеству упавших на фотоэмульсию квантов света. Коэффициент пропорциональности зависит от ряда факторов и определяет чувствительность фотоэмульсии.

           Повышения выхода количества микрокристаллов в эмульсии          добиваются в основном двумя путями. Использованием изначально фотоэмульсии высокой чувствительности и дополнительной обработкой как до, так  и после экспонирования.       Не углубляясь в  физико-химические подробности, рассмотрим факторы, от которых зависит чувствительность фотоэмульсии. Это  квантовый выход, площадь кристаллов галогенида и химическое усиление при проявлении. Все эти факторы по разному влияют на итоговое соотношение сигнал шум.

          Кристалл фотоэмульсии это сложное химическое соединение желатины, галогенидов серебра и различных примесей [3]. Он, по сути, является полупроводниковым материалом. Механизм  фоточувствительности основан на фотоэффекте - возникновении подвижных фотоэлектронов и дырок внутри кристалла. Электроны, двигаясь по кристаллу притягиваются к дефектам, образующих для них потенциальные ямы. После накопления в дефектах определенного количества электронов образуется центр скрытого изображения из нескольких атомов серебра, и микрокристалл становится способным к проявлению.

          В обычных эмульсиях центр скрытого изображения становится способным к проявлению, если он состоит не менее чем из 3-4 атомов серебра, то есть поглотил не менее 4-х электронов. . Промежуточные субцентры скрытого изображения неустойчивы. На получение 4-х фотоэлектронов в кристалле тратится гораздо большее количество квантов света. Образующиеся фотоэлектроны так же не все могут доходить до субцентров изображения.

          Квантовый выход равен количеству кристаллов металлического серебра скрытого изображения способных к проявлению отнесенных к количеству поглощенных квантов света. Квантовый выход определяется химическим составом и сенсибилизацией эмульсии.

          Отражение и рассеивание света, преждевременная рекомбинация фотоэлектронов и дырок в кристалле и  различные другие факторы снижают реальную квантовую эффективность детектирования (КЭД) в несколько раз. У современных эмульсий КЭД не превышает 2-4%. Эта величина примерно равна КЭД человеческого глаза. Инерционность глаза в дневных условиях около 1/30 c, однако, в ночных условиях мозг человека способен суммировать сигнал от неподвижных объектов от 0,1 до 1 с по времени. Светосила глаза так же составляет около 1 к 4. Заметим, что характеристики глаза человека близки с характеристиками фотопленки по чувствительности и времени накопления, поэтому результаты фотосъемки с рук в условиях низкой освещенности должны примерно соответствовать тому, что мы видим глазом. В обычной  практике фотолюбителя этого не происходит. Таким образом, следует вывод, что светочувствительность фотографического процесса не достигает своих возможностей и необходим поиск путей ее повышения доступными методами.

          Повышение чувствительности современных фотоплёнок идет в основном путем увеличения эффектвиной площади микрокристаллов галогенида. Площадь кристалла галогенида серебра влияет на количество собранных им квантов света. Чем больше площадь, тем больше фотоэлектронов способных давать устойчивый центр скрытого изображения образуется в одном кристалле.

          Увеличение площади микрокристаллов требует и увеличения их размера. В результате высокочувствительные фотоэмульсии крупнозернистые. В настоящее время увеличение площади микрокристалла осуществляется так же путем рационального выбора его формы, например использование плоских кристаллов.

          Дальнейшее повышение чувствительности без существенного увеличения зернистости ожидается после перехода на полифорные  кристаллы представляющие из себя  фрактальные структуры с развитой поверхностью аналогичные по формам  снежинкам или  "ёжикам".

          Усиление скрытого изображения в процессе проявления связано с каталитическим действием центров скрытого изображения. На один атом серебра проявляется от 100 до 1000 и более соседних атомов.  Существуют разработки эмульсий с усилением до 1000000 раз на основе лавинного эффекта.  Хорошо известен фотолюбителям и процесс инфекционного проявления.

          При малых освещенностях и длительных выдержках темп образования фотоэлектронов оказывается меньше чем темп распада зародышей скрытого изображения.  При высоких освещенностях темп образования фотоэлектронов и дырок таков, что они не успевают образовывать устойчивые центр и рекомбинируют. Эти факторы  приводят к  эффекту невзаимозаместимости (НВЗ) - существенному увеличению необходимой экспозиции при коротких и длинных выдержках.

          Для уменьшения НВЗ в современных эмульсиях применяются различные примеси и сложные гетероструктуры. Микрокристаллы серебра в таких эмульсиях имеют вид плоских многогранников, в вершинах которых путем химической обработки созданы "эпитаксы" - дефекты повышающие эффективность улавливания электронов и отделяющие их от дырок для предотвращения рекомбинации. Примером такой фотоэмульсии является Фуджи Неопан Акрос 100. При невысокой чувствительности эта эмульсия обладает крайне высокой эффективностью на длительных (более 10 сек) выдержках.

          В случае съёмки с рук длительных выдержек не требуется, поэтому процессы обработки фотоэмульсий с целью снижения невзаимозаместимости далее рассматривать не будем.

          Форсированное проявление или пуш процесс является самым распространенным приёмом при съёмке в условиях малой освещенности.  Заметим, что в этом случае увеличивается только действующее почернение и контраст изображения. В тех участках, где центров скрытого изображения недостаточно усиления практически не происходит и детали в тенях не могут появиться, так как их там нет изначально.  В связи с этим необходимо критически относится к заявлениям некоторых фотолюбителей о повышении чувствительности в 8-10 раз при форсированной обработке. Так как негатив получается достаточно тонкий  то, форсированная обработка необходима только для достижения требуемого контраста и выявления всех доступных центров скрытого изображения.

          В итоге, очевидно, что уменьшить пороговую экспозицию, можно только увеличивая КЭД фотоэмульсии.      В пределе для идеального приемника зарегистрированное отношение сигнал-шум будет равно таковому обусловленному квантовой природой  регистрируемой экспозиции. При этом получить отношение сигнал-шум больше, чем в регистрируемой экспозиции путем увеличения одной только чувствительности фотоматериала невозможно.        

          Усиление уже образованного в эмульсии скрытого изображения не повышает итоговое соотношение сигнал-шум на фотоэмульсии, а в худшем случае даже усиливает шумы зернистости [4]. Всем известно, например, что зерно при форсированной обработке возрастает.

          После экспонирования ряду атомов серебра не хватает  фотоэлектронов для сформирования в центры скрытого изображения способные проявлятся. Особенно много таких субцентров в участках получивших малую экспозицию.

          Существуют методы усиления скрытого изображения, основанные на превращении неустойчивых  субцентров  в устойчивые  и способные к проявлению. Эти методы называются латенсификацией.

          Одним из эффективных способов латенсификации является повторная засветка слабым светом. При этом имеющиеся субцентры более эффективно присоединяют образующиеся фотоэлектроны, чем другие дефекты кристалла. В случае если засветка проводится до действия основной экспозиции, такой процесс называется гиперсенсибилизацией.

          Другие методы латенсификации основаны на химической обработке фотоэмульсии веществами, отдающими в присутствии серебра свои электроны и достраивающими таким образом субцентры.  Эти методы можно сравнить с химической засветкой.     При рациональной латенсификации и гиперсенсибилизации увеличивается КЭД и итоговое отношение сигнал-шум.

          Преимуществом засветки является простота реализации. Недостатком является то, что метод латенсификации наиболее эффективен  для изображений полученных при высоких интенсивностях и коротких выдержках менее 1/500 c. И наоборот - гиперсенсибилизация засветкой  эффективна на выдержках длительностью более 1 с.

          Особенностью гиперсенсибилизации и латенсификации является так же то, что они более эффективны для малочувствительных фотоэмульсий с маленькими размерами кристаллов галогенида серебра. Вероятность захвата фотоэлектрона дефектом в кристалле малого размера выше.  На высокочувствительных эмульсиях они могут давать даже отрицательный эффект. Это связано с тем, что кристаллы высокочувствительной фотоэмульсии уже содержат в себе достаточное количество примесей повышающих эффективность захвата фотоэлектронов.

          Съёмка динамичных сцен с рук в условиях низкой освещенности не попадает в области, где возникает существенная невзаимозаместимость. Типовые выдержки могут составлять от 1/60  до 1/5 c. Поэтому  гиперсенсибилизация и латенсификация напрямую не подходят, и требуется  режим обработки способный повышать КЭД без изменения НВЗ.

          В литературе известен  способ, называемый конкурентным фотонным усилением или CPA (concurrent photon amplification) . Суть способа заключается в засветке фотоэмульсии слабым светом непосредственно в момент ее экспонирования. Интенсивность засветки подбирается так, что бы за время экспонирования  совместная плотность вуали и засветки не превышала 0,2D.  Отличительной особенностью метода является одновременное действие основной и дополнительной засветки.  

          По различным данным, приводимым в литературе [3], время жизни единичного атома серебра возникающего при захвате первого фотоэлектрона крайне мало и составляет тысячные доли секунды. Если второй фотоэлектрон запаздывает с подходом, то дальнейшие стадии роста кристалла серебра до 2-4 атомов, образующих устойчивый  субцентр уже не происходит. В тоже время опытные данные показывают, что время жизни двухатомного субцентра, уже доходит до нескольких десятков  часов [3]. Таким образом, вторая стадия образования скрытого изображения, заключающаяся в присоединении второго атома серебра к первому неустойчивому одноатомному субцентру  труднее всего происходит именно в условиях низкой освещенности, когда темп образования фотоэлектронов невелик.            Засветка, действующая одновременно с основной экспозицией позволяет поддерживать в фотоэмульсии необходимое количество готовых короткоживущих одноатомных  субцентров серебра, что  существенно увеличивает вероятность их дальнейшего роста. Небольшая интенсивность дополнительной засветки и неустойчивость одноатомных субцентров не позволяют нарастать вуали.

          Гиперсенсибилизация и латенсификация наоборот действуют в основном путем наращивания двухатомных долгоживущих субцентров, что в последствии значительно увеличивает вуаль изображения.

          В зарубежной литературе результаты применения CPA изложены в работах [5,6].        К сожалению,  в отечественной литературе описания данного приема найти не удалось. В то же время известно, что CPA эпизодически применялся отечественными фотолюбителями и кинематографистами.

          До настоящего времен реализация этого способа в практике фотолюбителя была затруднительной в виду отсутствия компактных регулируемых  источников слабого света видимого диапазона. Светодиоды выпускались только красного и зеленого цвета.

          Для засветки использовались миниатюрные индикаторные лампы накаливания, работающие в режиме недокала, что приводило к сильному смещению спектра в красную область. В результате было невозможно применение цветных фотоматериалов и фотоматериалов со слабой красной чувствительностью.

          В настоящее время имеется широкий ассортимент светодиодов белого и синего цвета свечения. Существует мнение, что для регулировки свечения светодиода необходимо применение широтно-импульсной модуляции. Однако, проведенный автором эксперимент показал, что применение простого переменного резистора дает вполне приемлемые возможности регулирования интенсивности свечения белого светодиода.    В результате автором было принято решение доработать один из имеющихся фотоаппаратов для оценки возможностей  CPA.

          В следующих статьях будет приведено краткое описание особенностей доработки и результаты тестовых съёмок.

 

          Автор выражает благодарность Николаю Днепровскому за обсуждение идеи метода CPA и его реализации.

 

Москва, 22 июня 2010 г.

Библиографический список

 

          1. К.А. Августинович. Основы фотографической метрологии. - М: Легпромбытиздат, 1990 - 286 с.

          2. Х. Фризер. Фотографическая регистрация информации. Перевод с немецкого. М.: Мир, 1978. - 670 с. 

          3. А.Л.Картужанский, Л.В.Красный-Адмони, Химия и физика фотографичесикх процессов. Л:Химия, 1983 - 137 с.

          4.  М.Экклз, Э.Симм, К.Триттон,  Детекторы слабого излучения, М:Мир,1986 - 198 с.

          Ссылки на источники интернета:

          5. Статья о CPA.

          6. Отчет о СРА (pdf для скачивания)