Техника и материалы интегральной фотографии

С момента изобретения интегральной фотографии в 1908 году последователи Липпмапа ограничивались только лишь проверкой ее принципов, сооружая различные устройства, характерные для лабораторного физического эксперимента.

Техники, подобной обычной фотографической, в интегральной фотографии пока не существует, хотя многие энтузиасты предпринимали попытки "оживить" интегральную фотографию. Причиной этого являются технические трудности, которые до настоящего времени еще не удалось преодолеть. Среди них следующие:

1) процесс изготовления линзовых растров очень сложен, причем оптимальная структура растров еще не реализована;

2) для получения нормального качества микроизображений требуется светочувствительная эмульсия с высокой разрешающей способностью;

3) проблему цвета в интегральном изображении пока даже не пытались решить из-за ее сложности.

Линзовые растры являются двумерной матрицей сферических линз. Заметим, что рассмотренные в предыдущих главах способы растровой стереофотографии основаны на применении матриц, составленных из цилиндрических линз, способы изготовления которых относительно просты. Изготовление же сферических линзочек не только само по себе сложно, но и порождает новую проблему - осуществление нулевого стыка между линзами в двух измерениях.

На рис. 28 показаны варианты взаимного расположения линзочек в растре: а - квадратное расположение, б - гексагональное. Очевидно, при квадратном расположении нерабочая площадь, зачерченная на рисунке, больше, чем при гексагональном. Растр с такими нерабочими участками обладает существенным недостатком: сетка из этих темных участков просматривается при восстановлении интегрального изображения, нарушая его слитность, что производит неприятное впечатление. В связи с этим при изготовлении линзовых растров следует стремиться к нулевой площади нерабочих (неактивных) участков растра. На рис. 28, в и г показаны те же два вида расположения линз с нулевой неактивной площадью. Трудности изготовления таких растров существенно возрастают.

Рис. 28. Основные разновидности линзовых растров для интегральной фотографии

Способы изготовления линзовых растров со сферическими линзами чрезвычайно сложны и кропотливы. Простой и доступной технологии пока нет, что ограничивает число лиц, имеющих возможность заниматься экспериментами по интегральной фотографии. Наилучших результатов в изготовлении линзовых растров со сферическими линзами добился С. Иванов [7], но опыты по интегральной фотографии не получили должного развития на основе его растров.

Необходимо рассмотреть еще одну особенность работы линзового растра в качестве интегральной пластинки. Все линзовые растры, изготовленные в виде монолита, не имеют, естественно, перегородок между линзами, которые показаны на рис. 28 и в других схемах. Это приводит к тому, что при падении лучей света на элементарные линзочки за пределами критических углов поле микроизображения выходит за площадь микрокадра. В результате соседние микрокадры на части своей площади получают двойную экспозицию, т. е. изображения одного и того же объекта частично перекрываются.

При восстановлении интегрального изображения это создает сильные помехи [8], для предотвращения которых необходимы непрозрачные перемычки между линзочками растра. Перемычки должны проходить сквозь весь растр, от поверхности линз до эмульсионного слоя, создавая тем самым миниатюрные фотокамеры, изолированные друг от друга.

Для растровой стереофотографии эта задача, применительно к растру с цилиндрическими линзами, решается относительно просто. Контролируют величину сдвига растра, не допуская перехода через границы зон кодированного изображения.

Однако в случае интегральной пластины экспонирование производится одновременно по всей площади эмульсионного слоя, и здесь нужно либо ограничивать апертуру падающих лучей в нужной мере, либо ввести упомянутые перемычки, которые не допустят перехода изображений из одной зоны в другую. Оба решения задачи связаны с серьезными техническими трудностями.

Эмульсионный слой, где регистрируется каждое микроизображение, должен иметь очень высокую разрешающую способность. Для оценки требований к эмульсии, обеспечивающей возможность получения интегрального изображения, сравним хорошо известные фотолюбителям кадры малоформатного фотоаппарата типа "Зенит" 24×36 ми среднего кадра из матрицы интегральной пластинки 0,5×0,5 мм. Исходя из разрешающей способности обычной цветной негативной или обратимой фотопленки, равной в среднем 50 мм^-1 вычислим число точек в изображении для каждого из кадров. В наших рассуждениях пренебрежем разрешающей способностью объективов, которая заведомо меньше, чем для пленки, поскольку нужен только относительный результат. Из простейших расчетов следует, что изображение кадра 24×36 мм содержит 2 160 000 элементов. Следует отметить, что этого достаточно большого количества едва хватает для получения удовлетворительного по качеству изображения. Микрокадр 0,5×0,5 мм будет содержать только 625 элементов. Большая разница в качестве этих двух кадров очевидна.

При восстановлении интегрального изображения имеет место очень большое линейное увеличение. Пусть, например, воссоздают интегральное изображение с пластинки, где в связи с применением обычной цветной фотопленки в каждом кадрике содержится всего 625 точек. Если интегральная пластинка имеет размер 25×25 см, то увеличение изображения кадрика (размером 0,5×0,5 мм) до размера 250×250 мм будет равным 500. Увеличение в 500 раз такого мозаичного изображения приведет к резкому ухудшению фотографического качества.

Очевидно, для качественного интегрального изображения желательно получить высокоразрешающий микрокадр. Полагая, что такое изображение должно содержать не менее чем 2×106 элементов (как на негативе формата 24×36 мм цветной негативной пленки), вычислим нужную разрешающую способность для кадра размером 0,5×0,5 мм.

Предположим, что на длине 0,5 мм располагается 1000 элементов и они должны быть зафиксированы светочувствительной эмульсией, следовательно, ее разрешающая способность должна быть равной 2000 мм^-1.

Это обстоятельство создает значительные трудности, препятствующие реализации интегральной фотографии, поскольку выпускаемые высокоразрешающие фотопленки не цветные.

В настоящее время налажено производство высокоразрешающих пленок, которые обеспечивают разрешение 2000 мм^-1 и даже больше. Разумеется, эти пленки или пластинки можно использовать для интегральной фотографии, однако такие фотослои обладают крайне низкой светочувствительностью, приблизительно равной 0,003 ед. ГОСТ.

При обычной съемке фотолюбитель в худшем случае пользуется фотопленкой светочувствительностью 22 ед. ГОСТ. Если сравнить эти цифры, отличающиеся почти в 7000 раз, то очевидно, что при применении таких высокоразрешающих пленок необходимо очень большое время экспозиции, которая достигает нескольких минут [8].

Из сказанного выше следует, что низкая чувствительность фотоэмульсии существенно снижает изобразительные возможности интегральной фотографии, причем проблема чувствительности не может быть просто решена. Известно, что, выигрывая в чувствительности, мы неизбежно теряем в разрешающей способности, и наоборот. Поскольку для интегральной фотографии решающим является разрешающая способность то приходится мириться с малой чувствительностью.

К сожалению, это еще не все трудности, связанные с возможностью получения микроизображений. Упомянем здесь еще две, хотя на самом деле их больше.

Из самого принципа интегральной фотографии вытекает необходимость получения элементарного изображения, обладающего всеми деталями сфотографированного объекта. Известно, что детали в полутоновом изображении могут быть переданы удовлетворительно, если светочувствительная эмульсия обладает достаточной фотографической широтой. Широта тем меньше, чем выше контрастность эмульсии. Высокоразрешающие фотослои обладают особенно большой контрастностью, что неизбежно сужает фотографическую широту. Проявление интегральных фотопластинок с обращением еще больше уменьшает фотографическую широту. В целом, получить нормальную передачу градаций, полутонов на высокоразрешающих фотоматериалах в настоящее время, по-видимому, невозможно.

Все соображения, особенно те, которые относятся к четкости изображения в микрокадре, были отнесены только к фотопленке и ее свойствам. Требуя, чтобы фотопленка передала изображение с четкостью 1000×1000 строк, мы ничего не сказали о том, откуда такое изображение возьмется. Совершенно очевидно, что оптические элементы, создающие изображение, должны обладать не меньшей, чем пленка, разрешающей способностью.

Известно, что в микрофотографии [9] для этого используется высокоразрешающий микроскоп с многокомпонентным корригированным объективом.

В интегральной фотографии вместо микроскопа с тщательно корригированной оптикой применяется простейшая плоско-выпуклая линза с единственной преломляющей поверхностью. Эта положительная линза характеризуется всеми аберрациями, которые определяют размеры кружка рассеяния в плоскости эмульсии. В итоге все вычисленные для примера количества передаваемых в микроизображении элементов не будут воспроизводиться таким простейшим объективом, как линза интегральной пластинки. При восстановлении интегрального изображения в обратном ходе лучей света каждый элемент на фотоэмульсии, размытый из-за несовершенства линзы, будет давать свой, еще более увеличенный кружок рассеяния при наблюдении. Следовательно, изображение будет низкого качества.

Известные работы по интегральной фотографии, даже самые современные [5, 8], не затрагивают вопроса о цветном интегральном изображении. Действительно, разрыв между реальной разрешающей способностью лучшей цветной обращаемой пленки типа "Орвоколор" с разрешающей способностью 100 мм^-1 и требуемой разрешающей способностью 2000 мм^-1 слишком велик. При взгляде на эти две цифры можно даже потерять веру в то, что интегральная фотография станет когда-либо цветной. В то же время, современное объемное изображение должно быть цветным. Это бесспорно, так как окружающий нас мир мы видим цветным и к этому привыкли.

Современные изобразительные средства, например кино, телевидение и полиграфические открытки, приучили нас также к цветному изображению. Черно-белые изображения терпимы в кино, в книжной графике, но никто не станет смотреть на объемные черно-белые изображения, тем более что выпускаемые стереоскопические открытки известны нам только в цвете, причем цвет очень хороший.

В связи с этим в следующем параграфе будет рассмотрена одна из потенциальных возможностей получения цветного интегрального изображения, которая экспериментально никем не проверялась, но при надлежащей проработке сможет, по-видимому, обеспечить получение цветных интегральных фотографий.