Введение

В фотографии взаимность — это обратная зависимость между интенсивностью и длительностью света, определяющая реакцию светочувствительного материала. Для пленочного материала, в пределах нормального диапазона экспозиции, закон взаимности утверждает, что реакция пленки определяется общей экспозицией, определяемой как интенсивность × время. Следовательно, один и тот же результат (например, оптическая плотность проявленной пленки) может быть получен как за счет уменьшения длительности и увеличения интенсивности света, так и наоборот. Предположение о взаимной зависимости используется в большинстве сенситометрических измерений, например, при построении кривой Хуртера и Дриффилда (оптическая плотность в зависимости от логарифма общей экспозиции) для фотографической эмульсии. Общая экспозиция пленки или сенсора, представляющая собой произведение освещенности в фокальной плоскости на время экспозиции, измеряется в люкс-секундах.

В химической фотографии

В фотографии закон взаимности описывает взаимосвязь, при которой общее количество световой энергии – пропорциональное общей экспозиции, определяемой произведением интенсивности света и времени экспозиции, контролируемых диафрагмой и выдержкой соответственно – определяет воздействие света на фотоплёнку. Иными словами, увеличение яркости в определенное количество раз точно компенсируется уменьшением времени экспозиции во столько же раз, и наоборот. Таким образом, при нормальных условиях существует обратная пропорция между площадью диафрагмы и выдержкой для получения заданного фотографического результата: более открытая диафрагма требует более короткой выдержки для достижения того же эффекта. Например, значения экспозиции EV 10 можно достичь при диафрагме f/2.8 и выдержке 1/125 с. Та же экспозиция будет получена при увеличении площади диафрагмы вдвое до f/2 и уменьшении времени экспозиции вдвое до 1/250 с, или при уменьшении площади диафрагмы вдвое до f/4 и увеличении времени экспозиции вдвое до 1/60 с; в каждом случае ожидается одинаковая реакция плёнки.

Недостаток взаимности

Для большинства фотографических материалов закон взаимности выполняется с хорошей точностью в определенном диапазоне значений выдержки, но становится все менее точным при отклонении от этого диапазона: это и есть сбой взаимности (нарушение закона взаимности, или эффект Шварцшильда). По мере уменьшения уровня освещенности за пределы диапазона взаимности, увеличение выдержки и, следовательно, общей экспозиции, необходимое для получения эквивалентного результата, оказывается больше, чем предсказывает формула; например, при освещенности, составляющей половину необходимой для нормальной экспозиции, выдержка должна быть увеличена более чем вдвое для достижения того же эффекта. Множители, используемые для коррекции этого эффекта, называются коэффициентами взаимности (см. модель ниже). При очень низком уровне освещенности чувствительность пленки снижается. Свет можно рассматривать как поток дискретных фотонов, а светочувствительная эмульсия состоит из дискретных светочувствительных зерен, обычно кристаллов галогенида серебра. Каждое зерно должно поглотить определенное количество фотонов, чтобы произошла реакция, вызванная светом, и сформировалось скрытое изображение. В частности, если на поверхности кристалла галогенида серебра образовался кластер из примерно четырех или более атомов серебра в результате поглощения достаточного количества фотонов (обычно требуется несколько десятков фотонов), он становится пригоден для проявления. При низком уровне освещенности, то есть при небольшом количестве фотонов в единицу времени, фотоны попадают на каждое зерно относительно редко; если четыре необходимых фотона приходят в течение достаточно длительного интервала, частичное изменение, вызванное первым или двумя фотонами, оказывается недостаточно стабильным, чтобы сохраниться до тех пор, пока не прибудет достаточное количество фотонов для создания постоянного центра скрытого изображения. Это нарушение обычной зависимости между диафрагмой и выдержкой известно как сбой взаимности. Каждый тип пленки по-разному реагирует на низкий уровень освещенности. Некоторые пленки очень чувствительны к сбою взаимности, а другие – гораздо меньше. Некоторые пленки, которые очень чувствительны к свету при нормальном уровне освещения и нормальной выдержке, теряют значительную часть своей чувствительности при низком уровне освещения, фактически становясь «медленными» пленками для длительных экспозиций. И наоборот, некоторые пленки, которые являются «медленными» при нормальной выдержке, лучше сохраняют свою светочувствительность при низком уровне освещенности. Например, если экспонометр для определенной пленки показывает требуемое значение EV 5, а фотограф устанавливает диафрагму f/11, то обычно требуется выдержка 4 секунды; коэффициент коррекции взаимности 1,5 потребует увеличения выдержки до 6 секунд для получения того же результата. Сбой взаимности обычно становится заметным при выдержках более 1 секунды для пленки и более 30 секунд для фотобумаги. Закон взаимности также нарушается при чрезвычайно высоких уровнях освещенности и очень коротких выдержках. Это представляет собой проблему для научной и технической фотографии, но редко беспокоит обычных фотографов, поскольку экспозиции, значительно короче миллисекунды, требуются только для съемки таких объектов, как взрывы и в физике частиц, или при съемке высокоскоростных движений с очень короткой выдержкой (1/10 000 секунды или короче).

Простая модель для t > 1 секунды

Некоторые модели микроскопов используют автоматические электронные модели для компенсации закона взаимности, как правило, в форме корректированного времени экспозиции, Tc, выражаемого степенной функцией от измеренного времени, Tm, то есть Tc = (Tm)p, где время измеряется в секундах. Типичные значения p находятся в диапазоне от 1,25 до 1,45, но встречаются значения как низкие, 1,1, так и высокие, 1,8.

Астрофотография

Неудача взаимности — важный эффект в астрофотографии на плёнке. Объекты глубокого космоса, такие как галактики и туманности, часто настолько тусклы, что не видны невооружённым глазом. Усугубляет ситуацию то, что спектры многих объектов не совпадают с кривыми чувствительности плёночной эмульсии. Многие из этих объектов малы и требуют больших фокусных расстояний, что может увеличить светосилу до значений выше 5. Все эти факторы делают съёмку таких объектов на плёнке крайне сложной: типичные выдержки составляют от 30 минут и более, часто превышая час. Например, для получения изображения галактики Андромеды при светосиле 4 потребуется около 30 минут, а при светосиле 8 — около 200 минут для достижения той же плотности. Каждая минута важна при наведении телескопа на объект, поэтому неудача взаимности является одной из главных причин, по которой астрономы переходят на цифровую съёмку. Электронные сенсоры изображения имеют собственные ограничения при длительных выдержках и низкой освещённости, которые обычно не называют отказом взаимности, а именно шум от тёмного тока, однако этот эффект можно контролировать, охлаждая сенсор.

Голография

Аналогичная проблема существует в голографии. Общая энергия, необходимая при экспонировании голографической пленки непрерывным лазером (то есть в течение нескольких секунд), значительно меньше, чем общая энергия, необходимая при экспонировании голографической пленки импульсным лазером (то есть около 20–40 наносекунд) из-за эффекта отказа от взаимности. Это также может быть вызвано очень длительной или очень короткой экспозицией при использовании непрерывного лазера. Чтобы попытаться компенсировать снижение яркости пленки, вызванное отказом от взаимности, можно использовать метод, называемый латенсификацией. Обычно это делается сразу после голографической экспозиции с использованием некогерентного источника света (например, лампы накаливания мощностью 25–40 Вт). Воздействие света на голографическую пленку в течение нескольких секунд может увеличить яркость голограммы на порядок.