Gegenseitigkeit (Fotografie)

Die angegebenen Zeiten gelten für Schwarz/Weiß -Film.
Notiz Dass die Zeiten ungefähr sind und zwischen verschiedenen Filmen und ASA -Zahlen variieren, aber die Tabelle zeigt im Allgemeinen, wie die Belichtungszeit angepasst wird.

Im Fotografie, Gegenseitigkeit ist die inverse Beziehung zwischen Intensität und Lichtdauer, die die Reaktion von lichtempfindlichem Material bestimmt. Innerhalb eines Normalen Exposition Bereich für Filmbestände zum Beispiel die Gegenseitigkeitsgesetz stellt fest, dass die Filmantwort durch die Gesamtbelastung bestimmt wird, die als Intensität × Zeit definiert wird. Daher die gleiche Antwort (zum Beispiel die optische Dichte des entwickelten Films) kann durch die Verringerung der Dauer und die Erhöhung der Lichtintensität und umgekehrt resultieren.

Die gegenseitige Beziehung wird in den meisten angenommen Sensitometriezum Beispiel beim Messen a Hurter und Driffield Kurve (optische Dichte gegen Logarithmus der Gesamtbelichtung) für eine fotografische Emulsion. Gesamtbelichtung des Films oder Sensors, das Produkt der Fokusebene Beleuchtung Zeiten Expositionszeit, wird in gemessen Lux Sekunden.

Geschichte

Die Idee der Gegenseitigkeit, einst als Bunsen -Roscoe -Gegenseitigkeit bekannt, stammt aus der Arbeit von Robert Bunsen und Henry Roscoe 1862.[1][2][3]

Abweichungen vom Gegenseitigkeitsgesetz wurden vom Kapitän gemeldet William de Wiveleslie Abney 1893,[4] und ausführlich untersucht von Karl Schwarzschild 1899.[5][6][7] Schwarzschilds Modell wurde von Abney und Englissch, von Abney und England, gefunden,[8] In den folgenden Jahrzehnten des frühen 20. Jahrhunderts wurden bessere Modelle vorgeschlagen. 1913 formulierte Kron eine Gleichung, um die Wirkung in Bezug auf Kurven der konstanten Dichte zu beschreiben,[9][10] was J. Halm übernommen und modifiziert hat,[11] führt zum "kron -halm Catenar Gleichung"[12] oder "Kron -Halm -Webb -Formel"[13] Abweichungen von Gegenseitigkeit zu beschreiben.

In der chemischen Fotografie

Im Fotografie, Gegenseitigkeit bezieht Expositiondas Produkt der Lichtintensität und Belichtungszeit, gesteuert von Öffnung und Verschlusszeitbestimmt - bestimmt die Wirkung des Lichts auf den Film. Das heißt, eine Zunahme der Helligkeit durch einen bestimmten Faktor wird genau durch eine Abnahme der Expositionszeit durch denselben Faktor und umgekehrt kompensiert. Mit anderen Worten, es gibt unter normalen Umständen a gegenseitiger Anteil Zwischen Blendenbereich und Verschlusszeit für ein bestimmtes fotografisches Ergebnis, wobei eine breitere Blende für denselben Effekt eine schnellere Verschlusszeit erfordert. Zum Beispiel eine Ev von 10 kann mit einer Blende erreicht werden (Fnummer) von f/2.8 und eine Verschlusszeit von 1/125s. Die gleiche Exposition wird erreicht, indem der Aperturbereich verdoppelt wird. f/2 und halbieren Sie die Belichtungszeit auf 1/250 s oder durch Halbierung des Blendenbereichs bis zu f/4 und Verdoppelung der Expositionszeit auf 1/60 s; In jedem Fall wird erwartet, dass die Antwort des Films gleich ist.

Gegenseitigkeitsausfall

Für die meisten fotografischen Materialien gilt die Gegenseitigkeit mit guter Genauigkeit über einen Bereich von Werten der Expositionsdauer, wird jedoch zunehmend ungenau, wenn dieser Bereich abgewichen ist: Dies ist Gegenseitigkeitsausfall (Reziprozitätsgesetz Misserfolg, oder der Schwarzschild -Effekt).[14] Wenn der Lichtniveau aus dem Gegenseitigkeitsbereich abnimmt, wird die Erhöhung der Dauer und damit die Gesamtexposition, die zur Erzeugung einer äquivalenten Reaktion erforderlich ist als die Formel -Zustände. Beispielsweise muss bei der Hälfte des Lichts, das für eine normale Belichtung erforderlich ist, die Dauer für das gleiche Ergebnis mehr als verdoppelt werden. Multiplikatoren, die diesen Effekt korrigieren, werden genannt Reziprozitätsfaktoren (Siehe Modell unten).

Bei sehr schwierigen Lichtstufen, Film ist weniger reaktionsschnell. Licht kann als ein Strom von angesehen werden Diskrete Photonenund eine lichtempfindliche Emulsion besteht aus diskreter Lichtempfindlichkeit Körner, normalerweise Silberhalogenid Kristalle. Jedes Getreide muss eine bestimmte Anzahl von Photonen absorbieren, damit die lichtgetriebene Reaktion auftritt und die latentes Bild Formen. Insbesondere, wenn die Oberfläche des Silberhalogenidkristalls einen Cluster von ungefähr vier oder mehr reduzierten Silberatomen aufweist, was auf die Absorption einer ausreichenden Anzahl von Photonen zurückzuführen ist (normalerweise einige Dutzend Photonen), wird sie entwickelbar gemacht. Bei schlechten Lichtverhältnissen, d.h. Nur wenige Photonen pro Zeiteinheit, Photonen beeinflussen auf jedes Getreide relativ selten; Wenn die vier erforderlichen Photonen über ein lang genuges Intervall ankommen, ist die teilweise Änderung aufgrund der ersten ein oder zwei nicht stabil genug, um zu überleben, bevor genügend Photonen eintreffen, um eine dauerhafte zu machen latentes Bild Center.

Diese Aufschlüsselung des üblichen Kompromisses zwischen Blende und Verschlusszeit wird als Gegenseitigkeitsfehler bezeichnet. Jeder unterschiedliche Filmtyp hat eine andere Reaktion bei schlechten Lichtverhältnissen. Einige Filme sind sehr anfällig für Gegenseitigkeitsfehler, andere viel weniger. Einige Filme, die bei normalen Beleuchtungsniveaus und normalen Belichtungszeiten sehr leicht empfindlich sind, verlieren einen Großteil ihrer Empfindlichkeit bei niedrigen Lichtniveaus und werden für lange Expositionen effektiv "langsame" Filme. Umgekehrt behalten einige Filme, die unter normaler Belichtungsdauer "langsam" sind, ihre Lichtempfindlichkeit bei niedrigen Lichtniveaus besser.

Zum Beispiel für einen bestimmten Film, wenn a Lichtmeter Zeigt eine erforderliche an Ev von 5 und der Fotograf setzt die Blende auf f/11, dann wäre normalerweise eine 4-Sekunden-Exposition erforderlich; Ein Reziprozitätskorrekturfaktor von 1,5 würde für das gleiche Ergebnis auf 6 Sekunden verlängert werden. Reziprozitätsfehler wird bei Expositionen von länger als etwa 1 Sekunden lang für den Film und über 30 Sekunden lang signifikant.

Reziprozität bricht auch bei extrem hohen Beleuchtungsstufen mit sehr kurzen Expositionen zusammen. Dies ist eine Sorge um wissenschaftlich und technisch Fotografie, aber selten zu General Fotografen, wie Expositionen deutlich kürzer als a Millisekunde sind nur für Themen wie z. Explosionen und in Teilchenphysik, oder wenn Hochgeschwindigkeitsfilme mit sehr hohen Verschlusszeiten (1/10.000 Sekunden oder schneller) aufgenommen werden.

Schwarzschild Gesetz

Als Reaktion auf astronomische Beobachtungen eines Reziprozitätsversagens mit geringer Intensität,, Karl Schwarzschild schrieb (ca. 1900):

"In Bestimmungen der Sternhelligkeit durch die fotografische Methode konnte ich kürzlich die Existenz solcher Abweichungen noch einmal bestätigen und diese auf quantitative Weise verfolgen und sie in der folgenden Regel ausdrücken, was das Gesetz von ersetzen sollte Gegenseitigkeit: Lichtquellen unterschiedlicher Intensität I verursachen unter verschiedenen Expositionen den gleichen Maß an Schwärzung t Wenn die Produkte sind gleich."[5]

Leider entschlossen Schwarzschilds empirisch 0,86 Der Koeffizient erwies sich als begrenzter Nützlichkeit.[15] Eine moderne Formulierung von Schwarzschilds Gesetz wird gegeben als

wo E ist ein Maß für die "Wirkung der Exposition", die zu Änderungen in der führt Opazität des photosensitiven Materials (in dem gleichen Maße wie ein gleicher Wert der Belichtung H = es tut in der Gegenseitigkeitsregion), I ist Beleuchtung, t ist Expositionsdauer und p ist der Schwarzschild -Koeffizient.[16][17]

Ein konstanter Wert für jedoch p bleibt schwer fassbar und hat die Notwendigkeit realistischerer Modelle oder empirischem sensibilanter Daten in kritischen Anwendungen nicht ersetzt.[18] Wenn die Gegenseitigkeit gilt, verwendet Schwarzschildes Gesetz p = 1.0.

Da die Gesetzesformel von Schwarzschild in der Region, in der die Reziprozität hält, unangemessene Werte für die Zeiten liefert, wurde festgestellt, dass eine modifizierte Formel in einem größeren Bereich von Expositionszeiten besser passt. Die Modifikation betrifft einen Faktor, den die ISO multipliziert Filmgeschwindigkeit:[19]

Relative Filmgeschwindigkeit

bei dem die t + 1 Term impliziert einen Haltepunkt in der Nähe von 1 Sekunde, der den Bereich trennt, in dem die Gegenseitigkeit aus dem Bereich hält, in dem sie fehlschlägt.

Einfaches Modell für t > 1 Sekunde

Einige Modelle der Mikroskop verwenden automatische elektronische Modelle zur Kompensation des Reziprozitätsfehlers, im Allgemeinen von einem Formular für die korrekte Zeit. Tc, ausdrucksfähig wie a Machtgesetz der messten Zeit, Tm, das ist, Tc= (Tm)pfür Zeiten in Sekunden. Typische Werte von p sind 1,25 bis 1,45, einige sind jedoch niedrig und 1,8.[20]

Die Kron -Hal -Catenärgleichung

Krons Gleichung, wie durch Halm modifiziert , mit dem durch a definierten Faktor Catenar (Hyperbolischer Cosinus.

wo I0 ist das optimale Intensitätsniveau des fotografischen Materials und a ist eine Konstante, die den Gegenseitigkeitsausfall des Materials charakterisiert.[21]

Quanten-Reziprozitäts-Failure-Modell

Moderne Modelle des Gegenseitigkeitsfehlers beinhalten eine Exponentialfunktion, im Gegensatz zu Machtgesetz, Abhängigkeit von Zeit oder Intensität bei langen Expositionszeiten oder niedrigen Intensitäten, basierend auf der Verteilung von Interquantische Zeiten (Zeiten zwischen Photonenabsorptionen in einem Korn) und temperaturabhängig Lebensdauer der Zwischenzustände der teilweise exponierten Körner.[22][23][24]

Baines und Bomback[25] Erklären Sie die "Intensitätseffizienz" auf diese Weise:

Elektronen werden mit sehr niedriger Geschwindigkeit freigesetzt. Sie sind gefangen und neutralisiert und müssen viel länger als isolierte Silberatome bleiben als bei normaler latenter Bildbildung. Es wurde bereits beobachtet, dass ein solches extremes, subscharakteres Bild instabil ist, und es wird postuliert, dass Ineffizung durch viele isolierte Silberatome verursacht wird, die ihre erworbenen Elektronen während der Instabilitätszeit verlieren.

Astrophotographie

Gegenseitigkeitsfehler ist ein wichtiger Effekt auf dem Gebiet von filmbasiertem Bereich Astrophotographie. Deep-Sky-Objekte wie Galaxien und Nebel sind oft so schwach, dass sie für das nicht unterstützte Auge nicht sichtbar sind. Um die Sache noch schlimmer zu machen, stimmen die Spektren vieler Objekte nicht mit den Sensitivitätskurven der Filmemulsions der Filmemulsion überein. Viele dieser Ziele sind klein und erfordern lange Brennweiten, was das Brennverhältnis weit überschreiten kann f/5. Zusammen erschweren diese Parameter diese Ziele extrem schwierig mit dem Film; Expositionen von 30 Minuten bis weit über eine Stunde sind typisch. Als typisches Beispiel ein Bild der Erfassung des Andromeda Galaxy bei f/4 dauert ungefähr 30 Minuten; um die gleiche Dichte zu bekommen f/8 würde eine Exposition von etwa 200 Minuten erfordern.

Wenn ein Teleskop ein Objekt verfolgt, ist jede Minute schwierig; Daher ist das Versagen des Gegenseitigkeits eine der größten Motivationen für Astronomen, auf die man wechseln kann digitale Bildbearbeitung. Elektronisch Bildsensoren haben ihre eigene Einschränkung zu langer Expositionszeit und niedrigen Beleuchtungsstufen, die normalerweise nicht als Gegenseitigkeitsfehler bezeichnet werden, nämlich Rauschen von dunkle StrömungAber dieser Effekt kann durch Abkühlen des Sensors gesteuert werden.

Holographie

Ein ähnliches Problem besteht in Holographie. Die Gesamtenergie, die bei der Freigabe des holographischen Films mit einer kontinuierlichen Welle erforderlich ist Laser- (d. H. Für mehrere Sekunden) ist signifikant geringer als die Gesamtenergie, die bei der Freigabe des holographischen Films mit einem gepulsten Laser- (d.h. Nanosekunden) aufgrund eines Gegenseitigkeitsfehlers. Es kann auch durch sehr lange oder sehr kurze Expositionen mit einem kontinuierlichen Wellenlaser verursacht werden. Um zu versuchen, die verringerte Helligkeit des Films aufgrund von Gegenseitigkeitsfehler auszugleichen, nannte eine Methode Latenennahme kann verwendet werden. Dies geschieht normalerweise direkt nach der holographischen Belichtung und mit einer inkohärenten Lichtquelle (z. B. einer Glühbirne von 25–40 W). Wenn Sie den holographischen Film für einige Sekunden lang dem Licht ausgesetzt werden, kann die Helligkeit des Hologramms durch eine Größenordnung erhöht werden.

Verweise

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Externe Links