Photographie - Grundlagen
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- Anneliese Möller
- vor 7 Jahren
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1 Photographie - Grundlagen Im Rahmen dieses Vortrages soll zunächst eine Einführung in die Grundlagen der Photographie bzw. der Silberphotographie geben werden. Die Schwerpunkte liegen hierbei in der Beschreibung des Aufbaus photographischer Materialien, der Erklärung der Belichtung - insbesondere der Bildung des Latentbildes - der Darstellung des Entwicklungsvorgangs und einer Diskussion der Eigenschaften der Photoschicht. 1 Anwendungsgebiete / Einsatzmöglichkeiten Obwohl die klassische chemische Photographie zunehmend von der Digitalphotographie verdrängt wird, gibt es immernoch eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten. Anwendungsmöglichkeiten (Auswahl): Bildphotographie Röntgenphotographie Infrarot-, Ultraviolettphotographie Kernphysik (Teilchenbahn, Energie,...) 2 Aufbau photographischer Materialien Photographische Materalien - hier am Beispiel eines Kleinbildfilms gezeigt - bestehen aus verschiedenen dünnen Schichten (Größenordnung µm) siehe Abbildung 1. Unter einer Schutzschicht befindet sich die lichtempfindliche Schicht, eine Mischung aus Silberhalogenidkristallen in Gelatine. Diese befindet sich auf einer Haftschicht aus Gelatine und Cellulose-Diacetat, welche über einer Lichthofschutzschicht 1 auf dem Schichtträger aus Acetylcellulose, PEN oder Glas aufgetragen ist. An der Rückseite des Schichtträgers kann sich eine Antistatik- und eine Deckschicht (weiterer Lichthofschutz) anschließen. 3 Photoschicht, Belichtung und Latentbildentstehung Die Photoschicht besteht wie oben bereits angedeutet zumeist aus kleinen AgBr-Kristallen 2 (Körnern) in einer Gelatineumgebung. Es können dabei auch Anteile von AgI und AgCl vorhanden sein. Bei der Herstellung der Photoschicht werden im Prozess der chemischen 1 Die Wirkung der Lichthofschutzschicht wird im Abschnitt 5 im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Photoschicht erläutert. 2 Abhängig von der Emulsion g cm, vgl. [4, Tab. 9, S. 56] 2
2 Lichteinfall Schutzschicht <1µm Emulsion / Photoschicht AgX in Gelatine µm Haftschicht Lichthofschutzschicht Gelatine & Cellulose-Diacetat <1µm Schichtträger Antistatikschicht Deckschicht (Lichthofschutz) Acetylcellulose, PEN, Glas >100µm 1..2µm Abbildung 1: Schichtaufbau photographischer Materialien Reifung Ag 2 -Reifekeime (Urkeime) an der Oberfläche dieser Kristalle gebildet. Sie sind für die Bildung des Latentbildes wesentlich. Abbildung 2: Körnigkeit (Schwarzweiß-Film) und Kristallformen fotografischer Emulsionen, aus [1, Bild 35, 42] Bei der Belichtung der Photoschicht werden aus den Ag 2 -Urkeimen sogenannte Latentbildoder Vollkeime Ag n mit n 4 gebildet. Diese besitzen die für die spätere Entwicklung notwendige katalytische Wirkung, sind jedoch selber noch nicht sichtbar (Latentbild). Im folgenden wird die Bildung der Latentbildkeine nach der Version des FCI beschrieben. Ein auf die Photoschicht auftreffendes Photon erzeugt bei Absorption aus einem Br -Ion des Kristall ein freies Elektron e und ein Bromradikal Br (Elektronen-Leerstelle, Defektelektron). Das Photoelektron kann sich mit einem im Kristall beweglichen Zwischengitter-Silberion Ag + i verbinden und am Urkeim anlagern. Das gebildete Ag 3 -Teilchen zieht ein weiteres Ag + i -Ion an und bildet ein Ag 4 + -Teilchen. Dieses kann zunächst ein Photoelektronen absorbieren und Ag 4 bilden und daraufhin ein weiteres Ag + i anziehen. Auf diese Weise bilden sich im Laufe der Belichtung die erwähnten Ag n -Cluster.
3 Latentbildentstehung: nagbr hν Ag n + nbr Br hν Br +e Ag + i + e Ag Ag 2 Ag 3 Ag 3 + Ag + i Ag + 4 Ag e Ag 4. hn Ag + Br Ag + Br Ag + Br Ag + Br Br Br Ag + Br Br Ag + Ag + i Ag + Br Ag + Br e - Br Ag + Br Ag + Ag n Ag i + Ag + Br Ag + Br e - d + Br Ag + Br Ag + Ag n Erzeugung von Photoelektr on (e - ) und Defektelektron (d + = Br ) Wanderung eines Defektelektrons im Kristall (durch Elektronentransfer) Aufbau eines Latentbildkeimes Ag n durch wiederholte Assoziation von Photoelektronen mit Zwischengitter -Silberionen (Ag i + ) Abbildung 3: Reaktionen im Silberhalogenid-Kristall, aus [1, Bild 8] An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch Verlustprozesse bei der Latentbildentstehung auftreten, welche die Bildung des Vollkeimes beeinträchtigen, z.b. Rekombination (der Photoelektronen mit Defektelektronen) oder Regression (Abbau des Clusters durch Defektelektronen).
4 4 Entwicklung Der Entwicklungsvorgang besteht aus den Teilschritten Entwicklung, Stoppbad, Fixieren, Wässern und Trocknen. Entwicklung. In diesem ersten Schritt werden die AgBr-Kristalle unter der katalytischen Wirkung der Latentbildkeime zu Silber reduziert, gemäß AgBr + red }{{} Ag n(kat.) Ag + Br + ox Entwickler Dabei tritt eine bis zu 10 8 Verstärkung 3 (bzw. entsprechende Vergrößerung) der ursprünglichen Latentbildkeime ein, so dass diese eine sichtbare Schwärzung erzeugen. AgBr-Kristalle, die keinen Latentbildkeim besitzen werden hierbei nicht umgesetzt. Man unterscheidet hierbei zwei Arten der Entwicklung. Bei der chemischen Entwicklung bilden sich an der Oberfläche des AgBr-Kristalls vom Latentbildkeim ausgehend Silberfäden, während bei der physikalischen Entwicklung der AgBr-Kristall zunächst aufgelöst wird und das Silber sich kugelförmig am Latentbildkeim abscheidet. Der Entwicklungsvorgang besitzt einen wesentlichen Einfluss auf die entstehende Schwärzung des Bildes, abhängig von der Entwicklungszeit, der Temperatur und der Benetzung/Bewegung des Photomaterials. Bekannte Entwicklersubstanzen sind unter vielen anderen Hydrochinon (SW) und CD4 (FA, Phenyldiaminderivat). Die Entwicklerflüssigkeiten enthalten außerdem einen Reaktand zum Binden des Entwicklerrückstandes, einen ph-puffer, Oxidationsschutz, Netzmittel usw. Stoppen. Unterbrechen der Entwicklerwirkung, z.b. durch ph-wert-änderung, und Auswaschen des Entwicklers. Fixieren. Entfernung nicht umgesetzter AgBr-Kristalle, durch Bildung eines löslichen Komplexes, damit diese nicht erneut belichtet werden können. AgBr + 2 Na 2 S 2 O } {{ } 3 [Ag(S 2 O 3 ) 2 ] 3 +Br + 4Na + } {{ } Fixiersalz löslicher Komplex Wässern. Auswaschen des Ag-Komplexes und des Fixiersalzes. Trocknen. Nach dem Trocknen besitzt das Filmmaterial eine sehr lange Haltbarkeit. 3 Siehe [6, S. 290]
5 Entwickler red ox red Entwickler AgBr Kristall Ag i + e Ag n - Keim Ag + e Ag n -Keim e ox Br Ag-Faden red Entwickler ox Ag + chemische Entwicklung Keimwachstum an der Gr enzfläche AgBr/Ag n (Transport von Ag i + im Kristall ) physikalische Entwicklung Keimwachstum am isolierten Ag n -Keim (Transport von Ag + in der Lösung) Abbildung 4: Entwicklung Silberhalogenid, aus [1, Bild 14] 1 µm 1 µm chemisch entwickelt physikalisch entwickelt Abbildung 5: Abscheidungsformen von Silber, aus [1, Bild 15]
6 5 Eigenschaften von Photoschichten Hier folgt nun eine Zusammenstellung einiger wichtiger Eigenschaften der Photoschicht, welche die Abbildungsqualität entscheidend beeinflussen. 5.1 Korngröße, Körnigkeit Die lichtempfindliche Schicht einer Photoplatte besteht im Wesentlichen aus Silberhalogenid- Kristallen (Körner) in Gelatine. Die mittlere Größe dieser Körner (und deren Schwankung) wird durch die Herstellung bestimmt. Hierbei ist nun die Wahrscheinlichkeit, dass ein Korn von einer außreichenden Lichtmenge getroffen und entwickelbar wird bei großen Körnern entsprechend höher. Andererseits ist eine feine Körnigkeit für eine gute Abbildungsschärfe und eine hohe Detailtreue notwendig. 5.2 Schleier Der sogenannte Schleier wird durch Körner in der Photoschicht hervorgerufen, die bereits ohne Belichtung entwickelbar sind und damit bei der Entwicklung eine Schwärzung an unbelichteten Stellen erzeugen. Der Schleier nimmt mit der Empfindlichkeit und der Lagerungszeit zu, kann aber durch bestimmte Additive bei der Herstellung reduziert werden (vgl. auch hierzu [4]). 5.3 Empfindlichkeit Unter Empfindlichkeit einer photographischen Schicht versteht man im Allgemeinen die Belichtung, welche die erste (für einen bestimmten Zweck ausreichende) Schwärzung hervorruft. Unterhalb dieser Grenze sind die gebildeten Entwicklungskeime zu klein, um durch den Entwickler beeinflusst zu werden (oder es entsteht keine ausreichende Schwärzung). Dieser Sachverhalt lässt sich jedoch bei der Entwicklung entsprechend beeinflussen. Bei der Beschreibung der Empfindlichkeit gibt es verschiedene Kriterien. Zum einen den Schwellwert, d.h. die Belichtung, bei der die Schwärzung gerade oberhalb des Schleiers liegt - wichtig für Aufnahmen bei geringer Beleuchtungsstärke, z.b. Astronomie - zum anderen die Belichtung, bei der die Schwärzung 0,1 über dem Schleier liegt - Voraussetzung für die Kopierfähigkeit von Aufnahmen. Die Empfindlichkeit ist ebenfalls wellenlängenabhängig. Die verwendeten Silberhalogenide reagieren unterschiedlich auf Licht verschiedener Wellenlängen, sind aber im Allgemeinen unempfindlich gegenüber grün, gelb und rot (für Abbildungen im visuellen Spektrum). Durch Zusatz von Farbstoffen zur lichtempfindlichen Schicht - sogenannten Sensibilisatormolekülen - kann jedoch eine Empfindlichkeit im gesammten visuellen Spektralbereich erreicht werden. Siehe hierzu auch [4] und Abbildung 6.
7 5.4 Lichthof Abbildung 6: relative spektrale Empfindlichkeiten, aus [4, Bild 21, S. 66] Der Lichthof bezeichnet Schwärzungen in der Nähe belichteter Stellen, obwohl deren Umgebung unbelichtet geblieben ist. Ursachen hierfür sind zum einen die Reflexion des einfallenden Lichtes an den Grenzflächen der lichtempfindlichen Schicht zum anderen Brechung und Beugung innerhalb der Gelatineschicht und an den Silberhalogenidkörnern. Das auf diese Art gestreute Licht verursacht in der Umgebung des Bildpunktes eine gewisse Schwärzung. Daher werden entsprechend stark beleuchtete Bildpunkte nicht mehr punktförmig und unscharf wiedergegeben. 5.5 Auflösungsvermögen Das Auflösungsvermögen wird prinzipiell durch die Größer der Silberhalogenidkörner in der Photoschicht begrenzt. Voraussetzung für ein hohes Auflösungsvermögen sind daher eine hohe Feinkörnigkeit, eine gleichmäßige Verteilung der Körner und eine Reduzierung des Lichthofes (siehe oben). Ein quantitatives Maß stellt die Anzahl der unterscheidbar abgebildeten Linien pro Millimeter dar.
8 5.6 Konturenschärfe Durch die Konturenschärfe wird der subjektive Schärfeeindruck beschrieben. Hierbei wird als Referenz der Schwärzungsabfall bei der Abbildung einer scharfen Kante verwendet. Dieser wäre im Idealfall eine Stufenfunktion, äußert sich aber zumeist als kontinuierlicher Übergang. Der Abstand zwischen der Kante und dem Punkt an dem die Schwärzung auf 1/10 zurückgegangen ist, dient als quantitatives Kriterium. 5.7 Haltbarkeit Die oben beschriebenen Eigenschaften photographischer Schichten unterliegen zeitlichen Veränderungen, insbesondere Empfindlichkeit, Gradation (Kontrast) und Schleier. Empfindlichkeit und Gradation nehmen mit der Zeit ab während der der Schleier zunimmt. Wärme und Feuchtigkeit verstärken diese Alterungserscheinungen (entsprechend kühle und trockene Lagerung). Die Ausbildung des Schleiers wird ebenfalls duch Anwesenheit von Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoffperoxid, Formaldehyd und Terpentin verstärkt (siehe hierzu [4]).
9 Literatur [1] Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e.v. (Hrsg.). Fotografie, Folienserie. 1. Auflage. Frankfurt/Main [2] G. Teicher (Hrsg.). Handbuch der Fototechnik. 9. Auflage. Fotokinoverlag. Leipzig [3] E. v. Angerer, G. Joos. Wissenschaftliche Photographie. Eine Einführung in Theorie und Praxis. 6. Auflage. Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G. Leipzig [4] K.-W. Junge, G. Hübner. Fotografische Chemie. Aus Theorie und Praxis. 2. Auflage. Fotokinoverlag. Leipzig [5] K. Mütze (Hrsg.). Brockhaus ABC der Optik. VEB F.A. Brockhaus Verlag. Leipzig [6] Pohl. Einführung in die Physik. Band 3: Optik und Atomphysik. 13. Auflage. Springer- Verlag. Berlin, Heidelberg, New-York
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