УДК 772.4:535.416

СОГОКОНЬ А. Б.
ЛИППМАНОВСКАЯ ФОТОГРАФИЯ
НА СЛОЯХ БИХРОМИРОВАННОЙ ЖЕЛАТИНЫ

   Исследованы спектральные характеристики липпмановских изображений,    полученных на слоях бихромированной желатины (БХЖ). Показано, что    цвет изображения зависит не только от длины волны излучения, но и от    его интенсивности. Это связано с неоднородным набуханием желатины и    с изменением ее структуры в необлученных участках при быстрой    дегидратации.
   Необычные свойства липпмановских фотографий на БХЖ могут быть    использованы для изготовления селективных зеркал, для отображения    графической информации, а также для регистрации и обработки    изображений.

Известен [1] способ получения цветных изображений, основанный на регистрации стоячих волн в объеме толстой прозрачной фотографической эмульсии. Период зарегистрированной интерференционной структуры однозначно связан с длиной волны падающего на слой излучения, что обеспечивает правильную цветопередачу сфотографированного изображения при освещении его белым излучением. Из-за больших технических трудностей в свое время этот способ не получил широкого применения.
Развитие голографии привело к созданию принципиально новой техники эксперимента и новых регистрирующих сред. Появились сообщения о записи липпмановских фотографий на современных эмульсиях типа ЛОИ-2 [2,3] и на слоях бихромированной желатины (БХЖ) [4,5].
Цель данной работы - исследование особенностей липпмановских фотографий, полученных на слоях БХЖ, механизма формирования изображений и возможностей их практического применения.

Методика и результаты эксперимента

Для приготовления слоев БХЖ за основу взят способ Лина [6]. Голографические пластинки ПЭ-2 и ЛОИ-2 фиксировали в кислом фиксаже, промывали в проточной воде и сушили при комнатной температуре. Сенсибилизацию высушенных пластинок проводили непосредственно перед экспонированием. Для этого пластинку погружали на 5-15 мин в 1-5%-ный раствор бихромата аммония и после его стекания сушили в струе горячего воздуха или в сушильном шкафу при температуре 100-150°. Продолжительность сушки 3-5 мин.

Рис. 1. Схема установки для контактного печатания
липпмановских фотографий; 1 - источник света
(лазер или ртутная лампа), 2 - линза, 3 - негатив,
4 - слой БХЖ, 5 - зеркало

Схема установки для печатания липпмановских фотографий приведена на рис. 1. Расширенный лазерный пучок направляют на негатив, расположенный перед регистрирующей средой, прошедшее излучение отражается от плоского зеркала и, распространяясь в обратном направлении, образует в объеме регистрирующей среды стоячую волну, амплитуда которой зависит от пропускания негатива. В качестве источников излучения использовали лазеры ЛПМ-11 (442) и ЛГИ-21 (337 нм) и ртутную лампу ДРШ-250 (365, 436 нм). Кроме того, посредством обычного фотоувеличителя осуществляли непосредственное проекционное печатание увеличенных изображений.
Режим обработки экспонированных пластин практически ничем не отличался от режима обработки БХЖ для получения голограмм [7].
Изображения, полученные по приведенной выше методике, имеют ряд интересных свойств. При рассматривании изображения в отраженном свете (почти нормальное падение света) различные участки изображения в зависимости от плотности исходного негатива приобретают различный цвет. Под прозрачными участками получается изображение синего цвета, а под непрозрачными - красного. Полутона негатива передаются оттенками в пределах от оранжевого до зеленого. Отсюда можно сделать вывод, что период интерференционной структуры, зафиксированной в слое БХЖ, зависит как от длины волны излучения, так и от его интенсивности.
Если липпмановский отпечаток расположить на листе черной бумаги и рассматривать под большим углом, то наблюдается обычное черно-белое изображение. Под прозрачными участками негатива желатина остается прозрачной, а под непрозрачными приобретает молочно-белый тон. В данном случае изображение строится не за счет поглощения света, а за счет его рассеяния, что напоминает свойства изображений на везикулярных материалах [8].
Для исследования зависимости цвета изображения от величины экспозиции на одной пластинке осуществляли ряд экспозиций равномерным коллимированным лазерным пучком или фотографировали изображение сенситометрического клина, а затем измеряли спектры пропускания полученных изображений.

Рис. 2. Характеристики липпмановских изображении:
а, г - зависимость спектров пропускания изображений
от величины экспозиции при записи излучением
гелий-кадмиевого (442 нм) и азотного (337 нм) лазеров;
б и д - зависимость плотности изображения от экспозиции
для тех же длин волн; в - зависимость цвета изображения
от логарифма экспозиции (кривая 1 - 442, кривая 2 - 337 нм);
е - зависимость полуширины спектров пропускания изображений
от экспозиции (1 - 442, 2 -337 нм)

На рис. 2 представлены спектральные характеристики изображений, полученных на пластинках ПЭ-2, сенсибилизированных 1%-ным раствором бихромата аммония при экспонировании излучением лазеров ЛПМ-11 (рис. 2, а) и ЛГИ-21 (рис. 2, г). Из анализа спектров следует, что в зависимости от величины экспозиции изменяется ширина спектров отражения (рис. 2,е), длина волны максимума отражения (рис. 2, в), а также плотность изображения (рис. 2,б,д). Следует отметить, что длина волны максимума отражения при больших экспозициях не соответствует длине волны излучения записи. Это связано с тем, что в процессе обработки слоя происходит увеличение периода интерференционной структуры. Длина волны максимума отражения линейно зависит от логарифма экспозиции (рис. 2, в), что дает возможность записать

                                                                                              (1)

где - длина волны максимума отражения при большой энергии экспозиции (длина волны насыщения), H - энергия экспозиции, k - коэффициент пропорциональности, который можно интерпретировать как коэффициент цветового контраста.
При преобразовании цвета изображения происходит и изменение его плотности (рис. 2, б, д). Эти зависимости аналогичны характеристической кривой почернения обычных регистрирующих сред. Однако фотографическая широта линейного участка значительно меньше, а в области больших экспозиций наблюдается особенно большой разброс экспериментальных точек, который нельзя объяснить погрешностями измерений. Можно предположить, что зависимость изображения в области насыщения носит осциллирующий характер, например, как показано на рис. 2, д.

Механизм образования изображений

В процессе подготовки пластин к сенсибилизации они продолжительное время (около 1 ч) находятся в воде. В результате этого желатина разбухает, длинные белковые молекулы раскручиваются и стремятся образовать линейные цепочки. Молекулам, находящимся на поверхности слоя, это удается в большей степени, чем молекулам, находящимся в глубине, так как они в меньшей степени испытывают сопротивление смежных молекул. В разбухшем слое получается неоднородная задубленность, которая возрастает от поверхности слоя к подложке. Поверхностные молекулы желатины, образовавшие линейные цепочки, уже не могут совершать работу, они заняли энергетически выгодное положение, в то время как молекулы, находящиеся в глубине слоя, имеют некоторый запас потенциальной энергии, так как взаимодействие одних с другими и с молекулами дубителя не позволяет им выстроиться в линейные цепочки. Задубленность можно определить величиной, обратно пропорциональной работе, совершаемой молекулами при обработке в воде. Слой не задублен, если молекулы реализуют всю запасенную потенциальную энергию, и задублен, если потенциальная энергия при обработке в воде не реализуется. Распределение потенциальной энергии по толщине разбухшего слоя можно схематически представить, как показано на рис. 3, а.
Рассмотрим процессы, происходящие при набухании экспонированных слоев. При этом считаем, что фотохимические превращения Cr(VI) в Сr(III) в желатине происходят в соответствии с моделью, описанной в работе [9]. При малых энергиях экспозиции число фотосшивок между молекулами, образовавшихся в пучностях стоячей волны, мало, суммарная энергия связи между ними также мала, и распределение потенциальной энергии молекул набухшего слоя имеет вид, показанный на рис. 3, б. Кроме того, при продолжительной обработке в воде наряду с набуханием слоя в узлах стоячей волны может происходить локальное растворение желатины, т. е. гидратированные молекулы приобретают относительную свободу, изменяя структуру желатины, но покинуть слой не могут из-за задубленных участков в пучностях. В работах [10,11] показано, что структура желатины изменяется как при обработке слоя в воде, так и в процессе сушки. Поэтому при обработке изопропанолом изменение структуры желатины в узлах и пучностях происходит по-разному, т. е. при быстрой потере воды молекулы не успевают вернуться в исходное состояние и вынуждены образовывать новую молекулярную сетку, отличную от той, которая получается при обычном студнении или медленной сушке. В узлах стоячей волны плотность желатины уменьшается за счет увеличения объема слоя, а в пучностях увеличивается за счет изменения структуры под действием образовавшегося Сr(III). В результате желатина теряет эластичность, и в слое фиксируется увеличенный период интерференционной структуры. По мере увеличения экспозиции возрастает модуляция потенциальной энергии разбухшего слоя. Число изофазных поверхностей, записанных в слое, увеличивается (рис. 3, в, г, д), ширина спектров отражения и смещение в красную область уменьшаются, а дифракционная эффективность повышается.
Изменением структуры желатины можно объяснить и образование черно-белого изображения. Деструктурированные участки сильно рассеивают свет, что придает им молочно-белый вид.

Обсуждение результатов

Необычные свойства липпмановских фотографий на слоях БХЖ можно использовать для изготовления селективных зеркал, для получения псевдоцветных слайдов с черно-белых негативов, для регистрации и обработки изображений.
Возможность использования липпмановских фотографий в качестве селективных зеркал непосредственно следует из рис. 2. Длина волны отражения и полуширина зависят от величины экспозиции. При этом коэффициент отражения достигает 99%, что позволяет использовать такие зеркала в резонаторах лазеров, в интерферометрах Фабри-Перо, а также в качестве светоделителей в голографических устройствах. Стоимость их значительно ниже, чем интерференционных диэлектрических зеркал, и при этом имеется возможность изготовления зеркал практически любых размеров и создания любого распределения спектральных характеристик в плоскости зеркала.

Рис. 3. Схема, поясняющая зависимость периода интерференционной
структуры от величины экспозиции: а - распределение задубленности
в разбухшем неэкспонированном слое; б, в, г, д - модуляция задубленности
в разбухшем слое в зависимости от экспозиции

Псевдоцветные слайды, полученные с черно-белых негативов, могут быть использованы для отображения графической информации, например схем, таблиц, графиков. Слайды можно демонстрировать как в проходящем свете обычным кадропроектором, так и в отраженном с применением эпидиаскопа. Второму варианту следует отдать предпочтение, так как при этом более полно используется цветовая гамма и достигается более высокий контраст изображения.
При печатании с черно-белых негативов значение и в уравнении (1) можно представить в виде

и

где - интенсивность света, падающего на негатив, - наименьшая плотность негатива (плотность вуали), - плотность изображения, - время экспонирования. Подставив эти значения в (1), получим

откуда следует, что изменение цвета на липпмановской фотографии линейно связано с плотностью негатива.
В последнее время все чаще используют представление сложных пространственных распределений различных физических величин посредством условных цветов, например, при цифровой обработке изображений [12]. Липпмановским фотографиям на БХЖ это свойство присуще по самой их природе. При этом липпмановское "раскрашивание" имеет то преимущество, что полученное изображение может быть подвергнуто дальнейшей оптической обработке. Рассматривая псевдоцветное изображение через светофильтр с полосой пропускания , будем наблюдать детали исходного изображения, находящиеся в интервале плотностей .
Изменением длины волны светофильтра можно выделять интересующие детали изображения, а путем изменения его полуширины - интересующий диапазон плотностей. Если изображение, наблюдаемое через интерференционный светофильтр, сфотографировать на контрастном фотографическом материале, то можно получить изображения линий одинаковой плотности - эквиденсит. Для иллюстрации проведена обработка изображения планеты Юпитер. Для этого с астронегатива печатали изображение с увеличением на слой БХЖ. Полученное изображение фотографировали через интерференционный светофильтр с =640 нм и =90A. На рис. 4, а представлена фотография исходного изображения, а на рис. 4, б, в - серии фотографий при разных углах наклона интерференционного светофильтра, т. е. при разных и . Видно, что даже в условиях некорректно поставленного эксперимента (перестройку длины волны светофильтра осуществляли путем его наклона) на полученных изображениях можно обнаружить больше интересных деталей, чем на исходном негативе.

Рис. 4. Выделение эквиденсит на изображении планеты Юпитер:
а - отпечаток сисходного астронегатива; б - фотографии липпмановского изображения, полученные с интерференционным светофильтром при разных углах его наклона в отраженном свете; в - то же самое, но в проходящем свете

Однако при двухстадийном процессе неизбежно сказываются искажения и шумы, возникающие на первой стадии регистрации. Зернистость изображений на рис. 4, б обусловлена зернистостью материала, на котором зарегистрирован исходный негатив. Поэтому значительно больший объем информации можно извлечь при обработке липпмановских изображений, полученных при непосредственной регистрации. Однако довольно малая чувствительность слоев БХЖ не позволяет непосредственно регистрировать изображения других астрообъектов, кроме Солнца. Непосредственная регистрация липпмановских изображений возможно в биологии. При этом излучения лампы ДРШ-250 вполне достаточно для получения изображений с увеличением 30-100х.
Таким образом, липпмановские фотографии, полученные на слоях БХЖ с использованием источников монохроматического света, имеют свойства, существенно отличные от свойств обычных липпмановских фотографий. Это связано с особенностями регистрирующей среды: период фиксируемой интерференционной структуры зависит не только от длины волны падающего излучения, но и от его интенсивности. В результате появляется возможность однозначного преобразования интенсивности света в цвет. Простота схемы получения липпмановских фотографий, возможность использования источников с малой длиной когерентности и высокая дифракционная эффективность изображений открывают широкие возможности практического применения этого метода.
В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность В. П. Шерстюку и Л. Е. Мазур за ценные обсуждения, В. А. Каминской и Л. Е. Никишиной за помощь в проведении спектрофотометрических измерений и В. Н. Дудинову - за любезно предоставленные астронегативы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Lippmann G. С. R. // Acad. Sci. 1891. V. 112. P. 274.
2. Костылев Г. Д. //Письма в ЖТФ 1976. Т. 2. Вып. 23. С. 1086.
3. Костылев Г. Д., Иваненко Л. И. // Тез. докл. IV Всесоюз. конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". М., 1982. С. 119.
4. Согоконь А. В. // Тез. докл. IV Всесоюз. конф. "Бессеребряные и необычные фо- тографические процессы". Черноголовка, 1984. Т. 1. Ч. 2. С. 251.
5. Согоконь А. Б. // Тез. докл. II Всесоюз. конф. "Формирование оптического изображения и методы его обработки". Кишинев, 1985. Т. 1. С. 125.
6. Lin L. Н. // Appl. Opt. 1969. V. 8. № 5. P. 963.
7. Sjolinder S. // Photogr. Sci. and Eng. 1984. V. 28. № 5. P. 180.
8. Нагорный В. И., Чибисова Н. П. //УФН. 1978. Т. 19. С. 32.
9. Шерстюк В. П., Дилунг И. И. В кн.: Фундаментальные основы оптической памя- ти и среды. Киев: Вища шк. 1982. Вып. 13. С. 33.
10. Леви С. М., Сучкова О. М., Суворин В. В. // Журн. науч. и прикл. фото- и кинема тографии. 1984. Т. 29. № 4. С. 252.
11. Мурзинов А. В., Моисеева Г. В., Стрюкова Е. Г. и др. // Тез. докл. республ. се- минара "Прикладная голография". Киев, 1984. С. 49.
12. Усиков А. Я., Бабичев А. А., Егоров А. Д. и др. // Вести. АН УССР. 1977. № 10. С. 47.

Харьковский государственный университет им. А. М. Горького
Поступила в редакцию13.XII.1985