Как получить цветное интегральное изображение

Казалось бы, просто. Нужно только приложить к линзовому растру не обычную светочувствительную эмульсию, а цветную, хорошо нам известную. Ведь каждая элементарная ячейка интегральной пластинки это обычный фотоаппарат, только маленький. К сожалению, самые лучшие современные эмульсии, предназначенные для цветной фотографии, не обладают нужной для интегральной фотографии разрешающей способностью¹. Более того, их разрешающая способность меньше требуемой приблизительно в 20 раз.

¹ (Разрешающая способность характеризует свойство светочувствительной эмульсии раздельно передавать очень мелкие детали и выражается числом раздельно передаваемых штрихов на 1 мм, причем ширина штрихов и интервалов между ними одинакова)

Этот разрыв слишком велик, и поэтому возникает вопрос: пригоден ли принятый сейчас метод многослойных эмульсий с химическими красителями для создания высокоразрешающих цветных фотографических эмульсий?

Рассмотрим иную принципиальную возможность решения этой задачи.

История цветной фотографии началась с небольшим отставанием по сравнению с историей обычной, черно-белой фотографии. Если существование черно-белой фотографии принято отсчитывать с 1839 года, когда Дагер продемонстрировал свои первые снимки, то уже в 1848 году Беккерель получил цветные снимки с фотохимическим окрашиванием изображения. К настоящему времени Цветная фотография имеет солидную собственную историю [12] и после многих сменявших друг друга успехов и неудач достигла современного, известного нам уровня в виде цветных обращаемых пленок и фотобумаг.

Сущность современной цветной фотографии заключается в экспонировании белым светом трех светочувствительных слоев, наложенных один на другой с желтым светофильтром после первого слоя. В каждом слое светочувствительной эмульсии заложен компонент красителя, который в процессе цветной обработки образует соответствующее цветное изображение - красное, синее и желтое.

В аспекте проблемы создания высокоразрешающих фотослоев эта структура и принцип окраски весьма неудачны. Во-первых, окраска слоев с помощью химических красителей, синтезируемых непосредственно в слое желатина, не способствует получению высокоразрешающих слоев в связи с неизбежной диффузией красителя в некоторый объем желатина, окружающий место химической реакции выделяющей данный краситель.

Во-вторых, расположение трех эмульсий в виде слоев, наложенных друг на друга, неизбежно приводит к размытости цветного элемента изображения, состоящего из трех цветовых компонентов, распределенных в трех слоях эмульсии. Размеры каждой детали изображения в нижнем слое существенно увеличиваются по сравнению с ее размерами в верхнем слое этой же эмульсии. Это вызвано рассеянием света в двух верхних слоях эмульсии. В результате разрешающая способность слоев цветной эмульсии неодинакова, например: верхний слой имеет 62 мм^-1 средний слой - 55 мм^-1 а нижний слой только 27 мм^-1.

Вероятно, задачу получения высокоразрешающих цветных фотопленок следует решать иным путем, а не на основе многослойной светочувствительной эмульсии.

Цветную фотографию пытались осуществить многие известные ученые прошлого века, но наиболее изящное решение, с нашей точки зрения, предложил Липпман, который изобрел позднее интегральную фотографию. Он не только предложил идею, но и реализовал свой метод и показывал студентам в Сорбонне цветные фотоснимки.

Первое сообщение о своем методе Липпман сделал в 1891 году [13], затем описал подробно метод цветной фотографии [14], а в 1908 году за изобретение цветной фотографии был удостоен Нобелевской премии. Казалось бы, такое признание работы Липпмана обеспечит развитие цветной фотографии, по этого не произошло. Его метод почти полностью забыт, хотя по точности цветопередачи и по чистоте цветов он остается до сих пор не превзойденным никакими современными методами.

Основной причиной, по которой метод Липпмана не применяют, является малая светочувствительность эмульсионного слоя. К тому же, как отмечает в своей работе Фридман [12], цветные снимки Липпмана можно рассматривать только под определенным углом зрения, в результате чего "...липпмановский процесс остался игрушкой ученых". Тем не менее этот способ представляет интерес, поскольку он сочетает в себе то, что необходимо для цветной интегральной фотографии, а именно: очень высокую разрешающую способность (2000 лин/мм) и хорошую передачу цветов.

Идея метода получения цветного изображения, по Липпману, основана на известном явлении интерференции при отражении света от поверхностей тонких пленок, если толщина их соизмерима с длиной волны света. Подобное явление можно наблюдать в жизни, например, рассматривая радужную окраску мыльных пузырей. На это ссылается Липпман в своем докладе Французской Академии наук [13]. Он заметил, что изменение толщины стенки мыльного пузыря ведет к изменению наблюдаемого цвета, следовательно, цвет, получаемый в результате интерференции, поддается управлению. Было также очевидно, что управление можно осуществить, изменяя только толщину пленки.

На рис. 33 упрощенно изображена возможная схема получения цветного изображения, основанная на интерференции света в тонкой пленке. На участках пленки различной толщины могут образоваться цветные элементы составляющие в целом изображение. При этом красному цвету будет соответствовать наибольшая толщина пленки, средняя толщина передает зеленый цвет, а более тонкая - синий цвет. Все другие возможные цвета и оттенки могут быть получены путем вариации толщины пленки. Аналогичные, но случайные вариации толщины пленки бензина или масла, растекающихся по поверхности воды, создают радужные цвета, которые мы часто наблюдаем. Однако эти цвета неуправляемы, а для создания цветного изображения надо ими управлять. В чем же суть управления, почему изменяется цвет?

Рис. 33. Схема получения различного цвета световых лучей из белого света при интерференции на тонких пленках

В результате интерференции при одном соотношении фаз двух волн их амплитуды складываются, а при другом соотношении результирующая окажется нулевой (см. рис. 31). Таким образом, результат интерференции зависит от фазы, а фаза при постоянной скорости света зависит от величины пройденного пути. Если учесть, что мыльный пузырь и нашу схематичную пленку на рис. 33 освещает белый свет, являющийся комплексом различных длин волн, то можно заметить, что волны интерферируют только после отражения от обеих стенок тонкой пленки. Однако волны, отраженные от нижней стенки, проходят несколько более длинный путь, чем волны, отраженные от верхней стенки. Следовательно, волны, отразившиеся от нижней стенки, чуть-чуть запаздывают, т. е. у них появляется сдвиг по фазе (которого раньше не было), а дальнейшая интерференция усиливает только волну, у которой фазовый сдвиг равен длине волны и одновременно гасит все другие волны, у которых фазовый сдвиг иной. Таким образом, интерференция выделяет только одну длину волны т. е. только один цвет из белого света.

Схематично показано в трех вариантах, что изменение толщины пленки, т. е. разности хода, определяет сдвиг по фазе и управляет процессом интерференции. Создавая различные расстояния между двумя отражающими плоскостями и делая эти пары плоскостей достаточно малых размеров по площади, можно создать, в принципе, цветное изображение любого объекта: цветка, пейзажа, портрета

Открытие Липпмана заключалось в том, что он нашел способ изготовить фотографическим путем такие отражающие плоскости, расстояние между которыми было пропорционально цвету объекта в данной точке изображения и соизмеримо с длиной волны света.

Для осуществления своего метода Липпман изготовил специальную прозрачную и высокоразрешающую светочувствительную эмульсию и полил ею стеклянную пластинку необыкновенно толстым слоем, в десять раз более толстым (примерно 50 мкм), чем эмульсии, предназначенные для обычной фотографии.

Такая эмульсия явилась уже объемным регистрирующим материалом, где по толщине регистрировались различные потемнения. Обычная эмульсия, где по всей ее толщине в данной точке степень почернения одинакова, является практически двумерной регистрирующей средой, так как ее толщина не только невелика (примерно 5 мкм), но и вовсе "не работает".

На рис. 34 показана схема фотографирования по методу Липпмана. Как и в предыдущей схеме, возьмем три точки окрашенные в синий, зеленый и красный цвета. Объектив фотоаппарата направляет окрашенные световые пучки 1 на фотопластинку, состоящую из стеклянной пластинки 2 и толстого слоя фотоэмульсии 3. Эмульсия обращена не к объективу, как обычно, а прикасается к поверхности ртути 4, которая налита в ванночку 5.

Рис. 34. Схема интерференционной Цветной Фотографии Липпмана на фотопластинке с толстым слоем эмульсии

Во время съемки объекта различные участки эмульсии 3 освещаются различно окрашенными световыми пучками Условно избранные нами световые волны - синяя, красная и зеленая - проходят сквозь стеклянную пластинку 2 эмульсию 3 и попадают на зеркальную поверхность РТУТИ 4. Отразившись от нее, волны начинают распространяться в обратном направлении. Поскольку волны, идущие от объектива, падают на пластинку почти перпендикулярно, отраженные от ртути волны совпадают по направлению с падающими и направлены навстречу. В результате их взаимодействия возникают стоячие волны. Пучности где интенсивность световой энергии максимальна, будут неподвижными в пространстве, благодаря чему за определенное время экспозиции в этих местах светочувствительная эмульсия окажется экспонированной, в то время как в других местах эмульсия останется неэкспонированной, т. е. там не произойдет никаких фотохимических реакций.

После проявления пластинки в эмульсии, в тех местах где были пучности, образуются плоскости из выделившегося металлического серебра. Плоскостями они являются потому, что падавшая на фотопластинку волна была плоской. Эти плоскости изображены на рис. 34 в виде параллельных пунктирных линий. Каждая плоскость полупрозрачна, т. е. часть света отражает, а часть света пропускает. Можно вычислить и расстояние между плоскостями и их количество. Поскольку пучности располагаются на расстоянии λ/2, то для синего света, где λ=0,47 расстояние между плоскостями будет 0,23 мкм, для красного света с λ=0,62 мкм это расстояние будет равно 0,31 мкм, а для зеленого света с λ=0,5 мкм расстояние будет равно 0,25 мкм. Соответственно количество плоскостей для эмульсии с толщиной 50 мкм составит: для синего 220, для красного 155, а для зеленого 200.

Здесь необходимо отметить, что если по слою с толщиной 50 мкм размещается в среднем 200 линий (плоскостей) то для их регистрации разрешающая способность соответствующей эмульсии, необходимой для осуществления интерференционной регистрации, должна быть не меньше 4000 мм^-1. Поэтому для интерференционной цветной фотографии необходима высокоразрешающая эмульсия.

На рис. 35 показано увеличенное сечение фотопластинки, экспонированной и проявленной. Эта фотопластинка с толстослойной эмульсией совсем не похожа на те пленки к которым привыкли фотолюбители, имеющие дело с обычными негативами и позитивами. Изображение объекта которое в ней зафиксировано, состоит из множества элементарных участков, где полупрозрачные слои серебра образуют "этажерку", уходящую в глубь эмульсии от ее поверхности и до стеклянной подложки. Примечательно что это обычная черно-белая эмульсия, проявленная в обычном черно-белом проявителе, а изображение, наблюдаемое на ней - цветное. Но рассматривать его следует в отраженном свете.

Рис. 35. Структура толстослойной фотопластинки Липпмана, где в черно-белом изображении содержится цветное, получаемое в процессе интерференции световых волн при освещении пластинки белым светом

В отраженном свете эта пластинка является позитивом, передающим объект в натуральных цветах, причем цвета очень чистые и яркие.

Рассмотрим процесс восстановления изображения. Пусть на фотопластинку падает поток белого света, причем угол падения должен быть таким же, как и при экспонировании пластинки. На рис. 35 приведен маленький участок пластинки, где показаны три варианта плоскостей с расстояниями между плоскостями 0,32, 0,25 и 0,23 мкм. Каждая пара отражающих плоскостей в "этажерке" аналогична по действию тонкой пленке, после отражения от которой происходит интерференция и выделение только одного светового луча, длина волны которого зависит от оптической разности хода. В пластинке Липпмана эта зависимость весьма проста, поскольку лучи падают перпендикулярно, а расстояния между плоскостями равны половине длины волны. Действительно, если первый луч отразился от первой, самой верхней плоскости, то второй луч, отразившийся от второй (более низкой) плоскости, придет в точку отражения первого луча с оптической разностью хода, равной удвоенному расстоянию между плоскостями, т. е. со сдвигом на целую длину волны. А это означает, что фаза обоих колебаний совпадает и они будут усиливать друг друга. Следовательно, от данной системы плоскостей отразится луч только той длины волны, которая создала эти плоскости при экспонировании. Если, например, система плоскостей создана синим светом, то плоскости, при освещении их белым светом, отразят только синий свет. Аналогично будут действовать и системы с расстоянием между плоскостями 0,32 мкм, отражая красный свет, и системы с расстоянием 0,25 мкм, отражая зеленый свет. Так же действуют и другие системы плоскостей, характерных промежуточными расстояниями, которые позволяют получить все нужные цвета.

Интерференция волн происходит и в глубине эмульсии по мере отражения от всех глубоко расположенных пар плоскостей. Каждая пара этих отражающих плоскостей добавляет свой "вклад" в результирующее отраженное в данном месте излучение. Этот "вклад" заключается в том что избранный цвет усиливается, а все остальные ослабляются.

По подсчетам Липпмана, в слое эмульсии с толщиной ¹/₂₀мм (т. е. 50 мкм) содержится до 200 отражающих слоев. Цвет отраженных от фотопластинки световых лучей становится чище и правильнее с ростом числа отражающих слоев. В связи с этим вполне объяснимо, что окраска мыльного пузыря очень неяркая. Там ведь только две отражающие поверхности, т. е. в 100 раз меньше, чем в пластинке Липпмана. Соответственно яркость и насыщенность цветных снимков Липпмана в 100 раз больше, чем окраска мыльных пузырей. Такие чистые краски трудно даже представить; по-видимому, никакие современные методы цветной фотографии не могут обеспечить цветов, которые можно получить по методу Липпмана.

Из изложенного видно, что цветное интегральное изображение может быть получено, если использовать липпмановский процесс, так как разрешающая способность фотоэмульсии, необходимой для получения цветной фотографии этим способом, совпадает с величиной разрешающей способности эмульсии, необходимой для регистрации микроизображений в интегральной фотографии.

Каковы здесь трудности и каковы возможности?

Трудность в том, что отсутствует конкретный опыт в создании микроизображений на толстослойных эмульсиях. Сам Липпман, по-видимому, не пытался их изготовить а с точки зрения обычных понятий микрофотографии требуется, наоборот, очень тонкая эмульсия. Остается нерешенной проблема, отсутствующая в обычной фотографии, т. е. избирательность по направлению наблюдения. Неясно также поведение интерференционной системы под линзовым растром, если, например, толстослойную эмульсию ввести в состав интегральной пластинки Липпмана.

Однако есть и положительные факторы, позволяющие надеяться, что забытый интерференционный метод цветной фотографии Липпмана будет возрожден. Главным фактором являются фундаментальные работы Ю. Н. Денисюка [15, 16], который предложил использовать эмульсии Липпмана для регистрации голограмм.

В аспекте рассматриваемого вопроса появление объемных голограмм может повлиять на дальнейшую судьбу метода Липпмана. Во-первых, все авторы, работающие с объемными голограммами, ссылаются на работы Липпмана по цветной интерференционной фотографии, не интересуясь, впрочем, ею как объектом исследования на современном уровне. Но при этом работа Липпмана постепенно выходит из забвения, длившегося почти 6о лет. Во-вторых, развитие работ с объемными голограммами приводит к накоплению конкретного опыта у многих экспериментаторов, а промышленность осваивает производство толстослойных прозрачных эмульсий для объемных голограмм, которые пригодны для цветной фотографии. Все это в целом может привести к возрождению интерференционной цветной фотографии, может быть, даже в сочетании с интегральной.