Введение

Невидимое изображение, образующееся при экспонировании светочувствительного материала свету. Латентное изображение – это невидимое изображение, возникающее при воздействии света на светочувствительный материал, такой как фотопленка. При проявлении фотопленки экспонированные участки темнеют и формируют видимое изображение. В ранние годы фотографии природа невидимых изменений в кристаллах галогенида серебра эмульсионного слоя пленки была неизвестна, поэтому изображение считалось "латентным" до обработки пленки проявителем. В более физическом смысле, латентное изображение представляет собой небольшое скопление атомов металлического серебра, сформированное внутри или на кристалле галогенида серебра в результате восстановления интерстициальных ионов серебра фотоэлектронами (фотолитическое скопление серебра). При продолжительном интенсивном экспонировании такие фотолитические кластеры серебра увеличиваются до видимых размеров. Этот процесс называется вытравливанием изображения. С другой стороны, формирование видимого изображения под действием проявителя называется проявлением изображения. Размер кластера серебра в латентном изображении может быть всего несколько атомов серебра. Однако для эффективной работы в качестве центра латентного изображения необходимо как минимум четыре атома серебра. В то же время, в проявленном зерне серебра может содержаться несколько миллиардов атомов серебра. Таким образом, проявитель, действующий на латентное изображение, является химическим усилителем с коэффициентом усиления до нескольких миллиардов. Система проявления была важнейшей технологией, увеличившей светочувствительность в истории фотографии.

Механизм образования

Влияние света на зерна галогенида серебра в эмульсии формирует участки металлического серебра в этих зернах. Основной механизм этого процесса был впервые предложен Р. В. Гурни и Н. Ф. Моттом в 1938 году. Поступающий фотон высвобождает электрон, называемый фотоэлектроном, из кристалла галогенида серебра. Фотоэлектроны мигрируют к неглубокой электронной ловушке (участку чувствительности), где они восстанавливают ионы серебра, образуя крошечную частицу металлического серебра. Также генерируется положительная дырка, но ей уделяется мало внимания. Последующие исследования несколько скорректировали эту модель, включив в рассмотрение захват дырок (Митчелл, 1957). С тех пор понимание механизма чувствительности и формирования скрытого изображения значительно углубилось. Скрытое изображение формируется, когда свет изменяет заряд атомов в молекуле. Если взять бром в качестве галогена для примера, то при попадании света на молекулу галогенида серебра галоген изменяет свой заряд с отрицательного на нейтральный, высвобождая электрон, который затем изменяет заряд серебра с положительного на нейтральный.

Фоточувствительность

Одним из важных способов повышения фотографической чувствительности является манипулирование электронными ловушками в каждом кристалле. Чистый, лишенный дефектов кристалл демонстрирует плохую фотографическую чувствительность, поскольку в нем отсутствует мелкая электронная ловушка, способствующая формированию скрытого изображения. В таком случае многие фотоэлектроны будут рекомбинировать с кристаллом галогенида серебра и будут потеряны. Мелкие электронные ловушки создаются с помощью серной сенсибилизации, введения кристаллического дефекта (смещения краев) и добавления следового количества не серебряной соли в качестве допанта. Расположение, тип и количество мелких ловушек оказывают огромное влияние на эффективность, с которой фотоэлектроны создают центры скрытого изображения, и, следовательно, на фотографическую чувствительность. Другой важный способ повышения фотографической чувствительности – уменьшение порогового размера скрытых изображений, пригодных для проявления. Золотая сенсибилизация по Кословски создает металлические золотые частицы на поверхности кристалла, что само по себе не делает кристалл проявляемым. Когда скрытое изображение формируется вокруг золотой частицы, известно, что присутствие золота уменьшает количество атомов металлического серебра, необходимых для того, чтобы кристалл стал проявляемым. Еще одна важная концепция для повышения фотографической чувствительности – разделение фотодырок от фотоэлектронов и чувствительных участков. Это должно снизить вероятность рекомбинации. Восстановительная сенсибилизация является одной из возможных реализаций этой концепции. Недавняя техника 2-электронной сенсибилизации основана на этой концепции. Однако научное понимание поведения фотодырок более ограничено, чем понимание поведения фотоэлектронов. С другой стороны, глубокая электронная ловушка или участок, способствующий рекомбинации, будет конкурировать за фотоэлектроны и, следовательно, снижать чувствительность. Однако эти манипуляции используются, например, для повышения контраста эмульсии.

Неудача закона о взаимности

Недостаток закона взаимности — это явление, при котором одинаковое количество экспозиции (интенсивность излучения, умноженная на время экспозиции) приводит к разной плотности изображения при изменении интенсивности излучения (и, следовательно, времени экспозиции). Существует два вида нарушения закона взаимности. Оба они связаны с низкой эффективностью использования фотоэлектронов для формирования латентных центров изображения.

Высокоинтенсивный отказ взаимности (HIRF)

Высокоинтенсивный отказ от взаимности (HIRF) часто возникает, когда кристалл подвергается воздействию интенсивного, но кратковременного света, например, импульсной лампы. Это приводит к снижению светочувствительности и контрастности. Это характерно для эмульсий, оптимизированных для максимальной чувствительности при длительной экспозиции с использованием устаревшей эмульсионной технологии. HIRF обусловлен образованием множества латентных суб-изображений, которые не могут быть проявлены из-за малого размера. В результате кратковременного и интенсивного воздействия одновременно генерируется большое количество фотоэлектронов. Они формируют множество латентных суб-изображений (которые не делают кристалл проявляемым), а не одно или несколько латентных изображений (которые могут). HIRF можно улучшить путем введения допантов, создающих временные глубокие электронные ловушки, оптимизации степени серной сенсибилизации и введения кристаллических дефектов (вывинов). В последние годы многие фотоотпечатки изготавливаются методом сканирующей лазерной экспозиции. Каждая точка на фотобумаге подвергается воздействию очень короткого, но интенсивного лазера. Проблемы, связанные с HIRF, были основной технической проблемой при разработке таких продуктов. Цветные фотобумаги обычно изготавливаются с очень высоким содержанием хлорида серебра (около 99%), а остальное – бромид и/или йодид. Хлоридные эмульсии особенно подвержены HIRF и часто страдают от LIRF. Производители бумаги используют допанты и точный контроль над расположением дислокаций для улучшения (фактически устранения) HIRF в этом новом применении.

Недостаток взаимности низкой интенсивности (LIRF)

Неудача взаимности низкой интенсивности (LIRF) возникает при экспонировании кристалла слабым светом в течение длительного времени, например, в астрофотографии. LIRF обусловлена неэффективностью формирования скрытого изображения, что снижает светочувствительность, но увеличивает контраст. Из-за низкой интенсивности освещения отдельному кристаллу может потребоваться значительное время для поглощения достаточного количества фотонов. В процессе формирования стабильного центра скрытого изображения образуется небольшая и менее стабильная частица серебра. Для увеличения этой частицы до большего, стабильного скрытого изображения необходимо дальнейшее генерирование фотоэлектронов. Существует конечная вероятность того, что эта промежуточная нестабильная частица разрушится до того, как следующие доступные фотоэлектроны смогут ее стабилизировать. Эта вероятность возрастает при уменьшении интенсивности освещения. Улучшить LIRF можно путем оптимизации стабильности скрытого подобраза, оптимизации серочувствительности и введения кристаллических дефектов (дислокаций).

Местонахождение скрытого изображения

В зависимости от кристалла галогенида серебра, скрытое изображение может формироваться внутри или снаружи кристалла. В зависимости от места формирования ЛИ, фотографические свойства и реакция на проявитель различаются. Современная эмульсионная технология позволяет очень точно управлять этим фактором различными способами. Каждая эмульсия имеет определенное место внутри каждого кристалла, где ЛИ формируются преимущественно. Эти места называются "центрами чувствительности". Эмульсии, в которых ЛИ формируются внутри кристалла, называются внутренне чувствительными эмульсиями, а те, в которых ЛИ формируются на поверхности – поверхностно-чувствительными эмульсиями. Тип чувствительности в значительной степени отражает расположение очень мелких электронных ловушек, эффективно формирующих скрытое изображение. Большинство, если не все, эмульсии негативных пленок старых технологий содержали множество непреднамеренно созданных дислокаций (и других кристаллических дефектов) внутри кристалла, а сенсибилизация серой проводилась на поверхности. Поскольку присутствовало множество центров чувствительности, эмульсия обладала как внутренней, так и поверхностной чувствительностью. То есть, фотоэлектроны могут мигрировать к одному из множества центров чувствительности. Для максимального использования чувствительности таких эмульсий обычно считается, что проявитель должен обладать некоторым растворяющим действием на галогенид серебра, чтобы сделать внутренние участки скрытого изображения доступными. Многие современные эмульсии для негативов вводят слой непосредственно под поверхностью кристалла, где намеренно создается достаточное количество краевых дислокаций, сохраняя при этом основную часть кристалла свободной от дефектов. Химическая сенсибилизация (например, сенсибилизация серой и золотом) применяется на поверхности. В результате фотоэлектроны концентрируются в нескольких центрах чувствительности на поверхности кристалла или в непосредственной близости от нее, что значительно повышает эффективность формирования скрытого изображения. Для других применений, таких как прямая положительная эмульсия, создавались эмульсии с различной структурой. Прямая положительная эмульсия содержит центры засветки, встроенные в ядро эмульсии, которые отбеливаются фотоотверстиями, образующимися при экспонировании. Этот тип эмульсии создает положительное изображение при проявлении в обычном проявителе без процесса обращения.

Разработка кристаллов галоида серебра

Разработчик преобразует кристаллы галогенида серебра в металлические зерна серебра, но воздействует только на те, которые содержат скрытое изображение. (Раствор, преобразующий все кристаллы галогенида серебра в металлические зерна серебра, называется проявителем, дающим вуаль, и такой раствор используется во втором проявителе при обратной обработке.) Это преобразование происходит благодаря электрохимическому восстановлению, в котором скрытые центры изображения выступают в роли катализатора.

Потенциал сокращения застройщика

Разработчик должен обладать потенциалом восстановления, достаточно сильным для проявления достаточно экспонированных кристаллов галогенида серебра, содержащих латентный центр изображения. В то же время, потенциал восстановления разработчика должен быть достаточно слабым, чтобы не восстанавливать неэкспонированные кристаллы галогенида серебра. В правильно сформулированном разработчике электроны поступают в кристаллы галогенида серебра только через серебряные зерна (латентное изображение). Поэтому крайне важно, чтобы химический потенциал восстановления раствора разработчика (а не стандартный потенциал восстановления проявляющего вещества) был несколько выше уровня Ферми небольших металлических кластеров серебра (то есть латентного изображения), но значительно ниже зоны проводимости неэкспонированных кристаллов галогенида серебра. Как правило, слабоэкспонированные кристаллы содержат меньшие серебряные кластеры. Кластеры серебра меньшего размера имеют более высокий уровень Ферми, и, следовательно, большее количество кристаллов проявляется при увеличении потенциала восстановления разработчика. Однако, повторюсь, потенциал разработчика должен быть значительно ниже зоны проводимости кристалла галогенида серебра. Таким образом, существует предел увеличения светочувствительности системы за счет повышения потенциала разработчика; если потенциал восстановления раствора установлен достаточно высоким для использования меньших серебряных кластеров, то в определенный момент раствор начнет восстанавливать кристаллы галогенида серебра независимо от экспозиции. Это называется засветкой, представляющей собой металлическое серебро, образованное в результате неизобразительного (не зависящего от экспозиции) восстановления кристаллов галогенида серебра. Также было установлено, что при оптимальной рецептуре раствора разработчика максимальная светочувствительность мало зависит от выбора проявляющего вещества (Джеймс, 1945), и существует предел размера серебряного кластера, который может быть проявлен. Одним из способов решения этой проблемы является использование метода золотой сенсибилизации Козловского. Небольшой металлический золотой кластер, уровень Ферми которого достаточно высок, чтобы предотвратить проявление кристалла, используется для уменьшения порогового размера металлического серебряного кластера, необходимого для того, чтобы кристалл стал проявляемым. Для дальнейшего обсуждения обратитесь к Tani, 1995 и Hamilton, 1988.

Стабильность латентного изображения

При нормальных условиях скрытое изображение, которое может состоять всего из нескольких атомов металлического серебра на каждой галогенидной кристалле, стабильно в течение многих месяцев. Последующая проявка может затем сделать видимым металлическое изображение. Ярким примером стабильности скрытого изображения служат фотографии, сделанные Нильсом Стриндбергом, фотографом в злополучной арктической экспедиции С. А. Андре на воздушном шаре в 1897 году. Фотографии экспедиции и воздушного шара, оставшегося на льду, были обнаружены и проявлены лишь спустя около 33 лет.