黑暗环境中的成像技术_红外线摄影

1、 红 外 线 摄 影中国科学院遥感应用研究所(北京100101)钱育华11 前言在黑暗环境中, 以及在星光、月光等低照 度微光下获取目标物的可视影像信息, 对某 些生物学及医学试验研究; 对采集暗环境中 的心理学和医学的某些行为信息; 对了解暗 环境中动物行为的速写和植物生态学特征; 对公安破案及罪行调查; 对采集剧场、歌舞厅 内观众对某演出活动的反映信息以及对暗环 境中的军事活动事件的记录等等, 都具有实 用意义和应用前景。在黑暗环境中获取目标物的可视影像信 息, 可采用的技术方法有: 红外线摄影法、红 外线光电阴极的电子光学变换器法、热红外 线成像法。 其中, 最简便实用的是红外线摄 影。

2、 电子光学变换及热红外线成像技术需要 专门的技术装备, 影像分辨率较低, 一般使用 者多感不方便。 本文中专门讨论在黑暗环境 中的红外线摄影。1959 年, 前苏联出版的2 2专著; 1959 年, 中国电影出版社出版的 索拉维也夫著红外线摄影; 1985 年, 文化艺术出版社出版的张汉玺译特种摄影;1986 年, 中国电影出版社出版的 苏 尼·尼·库德拉绍夫著特种电影摄影; 1987 年出 版的摄影技术大会; 贺修桂等编著的摄影 手册以及笔者在 1996 年感光材料杂志上 发表的红外照相技术及应用, 都在有关章节中对红外线摄影的理论和技术作了介绍, 阐明了红外线摄影获取暗

3、环境中目标物的可 视影像信息在理论和实践上是可行的。21 红外线的特性红外线是人们肉眼感觉不到的, 只能用 间接的方法发现它的存在。 红外线在可见光 谱的红色端以外, 是波长从 760 1100×106的不可见光。 但由于红外线感光乳剂层nm仅对近红外光敏感, 所以实际应用红外线摄影的是波长在 760 1350 nm 的一段。 红外 线摄影是从 1925 年开始应用的。红外线摄影的价值是由其自身的某些性 质所决定的。 红外线很少受到大气中以致混浊气 体中散射光的影响。 它能够更好地透过空中 的烟雾及薄云, 因此有利于很远处目标物的摄影成像。 红外线的吸收及反射有时比可见光 好。因此,

4、 若干目标物在红外线摄影成像信息 中, 会得出完全不同的色调显示, 这样就有可 能发现目标物影像的许多有趣的及重要的信 息。例如健康树木的叶绿素、青草植被能强烈 地吸收短波而反射红外线的大部分。此外, 叶 绿素吸收紫外线时会在红外线区发出荧光。 因此, 在红外黑白照片上, 绿色植被成为白色 影像, 在彩色红外照片上成为不同程度的红 色。对于人眼感到很亮的许多染料, 由于红外 线几乎全被吸收, 因而在红外照片上成为黑 色影像。 红外线可以透过可见光不能透过的 介质。 对可透过红外线的人体皮肤进行红外 线摄影, 可以清楚地看到血管的影像信息。红 外线能穿透除黑纸以外的纸张、皮革、绸布、 薄木片、硬

5、橡胶、昆虫与植物的黑壳。1997 年第 6 期感光材料·39·312红外线照相机在黑暗环境中摄影, 除了专用的红外线31 暗环境中红外线摄影311人工红外线辐射源红外线是非可见光。 用红外线照明目标 物进行摄影, 实质上就是在黑暗环境中摄影。在黑暗环境中目标物自身辐射的热红外线对 红外感光胶片是不敏感的, 只有反射短波红 外线才能使红外胶片敏感, 因此必须给目标 物以足够的红外线照明。 在黑暗环境中进行 红外线摄影, 一定要解决好人工红外线辐射源。选择利用发热到足够温度的热辐射器, 一 般采用钨丝白炽灯, 并匹配适用的红外滤光 镜, 就可以在红外线光谱区内达到足够的辐 射能

6、照射被摄黑暗环境中的目标物。 图 1 所 示是白炽钨丝灯的光谱辐射能分布, 它是最适宜的红外线摄影照明光源。 在光源辐射方 向加上红外滤光镜后, 完全排除了白炽灯辐 射的可见光, 从而成为一个非可见的照明光 源。 此时, 在黑暗中摄影, 在照相机镜头前不 必再用红外滤光镜。 为了获得理想的非可见 光照明, 最好把灯泡接在降低的电压上, 例如把两个灯泡串联起来, 以便减少白炽灯的可 见光辐射。 其它辐射红外线的非可见光源也 可以用。 以上是在有电源的情况下非可见的 红外线照明。在没有动力电源的黑暗环境中, 为了在随机黑暗环境条件下进行隐蔽的红外线摄影, 可携带方便的专业红外线摄影闪光灯, 如 N

7、 O C TO 480 型、森帕克牌红外线 400型闪光灯。照相机外, 常用的各型照相机均可用于红外线摄影, 只是不同类型的照相机采用不同规 格的红外胶片。另外, 由于红外线能穿透某些物质, 故必须选用能防止红外线透过的金属 机身箱体及暗盒。红外线比可见光波长长, 因此, 在摄影调 焦清楚后, 应将距离标度挪动与红外标志红色“R ”对准, 才能获得清晰影像。313红外滤光镜对不同类型的红外胶片, 应选不同类型 的红外滤光镜与之匹配。 如在黑暗中用红外 线摄影闪光灯, 则不必用红外滤光镜。适用于 红外线摄影的滤光镜类型很多, 如柯达公司的W RA T T EN F IL T ER N o15,

8、25, 29, 70,87, 87A , 87B , 87C , 88A , 89B。 选择何种滤光镜取决于所用的红外胶片和对影像效果的要 求。图 2 为几种红外滤光镜的光谱透射曲线; 表 1 为几种滤光镜透射率。 采用普通光源进行红外线摄影时, 推荐在光源前用滤光镜N o87, 88A , 或 89B , 以便截止可见光的影响。314红外感光材料在黑暗环境中的红外线摄影所用的红外 感光胶片, 在感色范围、反差系数、分辨率和 稳定性等照相性能指标方面, 与普通的感光胶片存在差异。 对于红外感光胶片的感色特 性, 国外一般用其灵敏度峰值对应的波长对 商品进行标识。如红外 750, 表示其敏感波长

9、在 550 950 nm , 最大灵敏度对应的波长在750 nm 。国外红外感光材料按最大灵敏度峰 值的波长分为 700, 750, 800, 850, 950, 1050等几种。 图 3 为各种感光胶片的光谱灵敏度 曲线。 红外感光材料外包装上还注有“硬”或 “快”的字样, 分别表示反差系数较高, 感光度 较高。图 1白炽灯的相对光谱能量分布© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ·40·感光材料1997 年第 6 期表 1 红外摄影

10、滤光镜透射率波长(nm )N o 87N o 87AN o 87B N o 87C N o 88AN o 89B7007107207307407507607707807908008108208308408508608708808909009109209309409509609709809901112321457166911771683118510861187108717881188148816881889108912891489168911891990109011901290139014901590159015901590151111410331754107015771381188512871

11、08810881889108912891289128911891189118911891189118911891189138913891490119013018315121322112312441959196312681073137613781579158014801781148119821182178311831483168410841384168419图 3各种红外胶片灵敏度曲线红外感光材料随灵敏度峰值波长的增 长, 其感光度、分辨率、反差系数与有效保存 期都相应地下降, 特别是稳定性表现得特别 明显。如红外 750 感光材料有效期为 1 年, 而950, 1050 的红外感光材料有效保存

12、期只有15 30 天, 一般要求在 10以下, 相对湿度40% 60% 的条件贮存。 若在- 18的冰箱 中保存, 效果会更好。中国乐凯胶片公司制造的红外感光胶片有黑白红外 1411 型、1421 型、1431 型及彩色 红外 1821 型、1822 型。它们不是按红外灵敏 度峰值波长编号, 而是胶片系列编号, 其照相 性能参数见 1996 年感光材料杂志“红外照 相技术及应用”一文。315红外摄影曝光红外线能量的大小 , 由于摄影地点场所 环境的不同而有差异, 准确地计算出摄影曝 光量是不容易的。 红外感光材料一般不标志感光度, 因为在摄影时常需加用各种不同类 型的滤光镜, 且摄影处理冲药配

13、方也会影响 胶片的感光度。 通常制造厂只提供此片的参 考感光度, 应用者要认真阅读使用说明书, 并 通过试拍实践, 这样可大体上获得正确的感光度。红外线摄影时, 不可用普通的测光表来 测光。 因为普通测光表是根据可见光来校准 所测光的数据, 故不适于测红外线。316红外胶片冲洗红外胶片摄影后应防热、防湿, 在没有红 外辐射的全黑环境中冲洗。 通常红外摄影曝 光多有不足, 因此在冲洗之前, 要通过试冲来01553108131612251738104814571565137215781580168212831384178516861487128717881388180110016011864107

14、71581217181024153112381044114915531758126117641667167010011001280173115521954189713310121410171821182613 1000 8513 3012 7313 8912 9015 9015 图 2几种滤光镜的光谱透射曲线© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1997 年第 6 期感光材料·41·用沾有水或甘油的湿布擦两下就可以消除反光。 如果被翻

15、拍件有玻璃的反光, 在没有偏振镜的情况下, 需要移动一下照明灯。另外, 当光线与被摄件表面夹 角小于 45°时还必须在相机另一侧放一盏同功率, 并 与被摄件距离相同的补光灯。对于大尺寸翻拍件, 布 光原则是“对称”, 也就是说被摄件周围的照明灯功 率及与被摄件距离都一样, 以保证被翻拍件各区域 所受的光照度都相同。对于这一点, 最好用入射光测 光表在翻拍件表面各处测光强, 在入射光光强均匀 一致的情况下方可开始对焦拍摄。翻拍对焦 对焦在翻拍摄影中很重要, 也困 难得多。建议翻拍时选用对焦屏较大的单反机, 最好 不用A F 相机和镜头。目测对焦完成之后, 要用放大 镜检查对焦屏, 以确

16、保最准确的对焦。布光测光后, 只要电压波动不大, 一般更换翻拍件后无须再重新 布光测光, 但必须重新对焦, 因为每一翻拍件不尽相 同。翻拍曝光布光测光和对焦完成后, 要根据 所用胶片及翻拍件色彩等因素确定快门、光圈组合。 例如用黑白全色片翻拍色彩浓艳的美术作品, 曝光 值在正常条件下要增加 1/2 档, 这样诸多色彩被压 缩成黑白灰的色调, 曝光略过一些可避免照片偏灰 的缺点。又如用彩色负片翻拍色彩浓艳的美术作品 时, 曝光也以增加 1/2 档为宜。采用彩色反转片翻拍 艳丽的美术作品, 曝光值要增加 1/3 档, 以保证能表 现出阴暗部位的色彩, 避免色彩发闷。如果其翻拍件 色彩淡雅, 为了准

17、确还原色彩, 保证底片色彩饱和 度, 曝光值则以减少 1/3 档为宜。翻拍是项有趣的工作, 平时应注重数据的积累。经验与体会谈 翻 拍屠氵勇说起翻拍, 一般人都认为只与档案资料室或印刷厂有关, 实际上并不尽然。比如说, 看见一张很不 错的书法、美术作品, 或者说一张很重要、很满意照 片的底片丢了, 这时就能用上翻拍技术了。翻拍所需器材 包括一台单反相机、一只有 效口径较小的镜头、遮光罩、一块独立式入射光测光表、快门线、细绳、胶带纸及三脚架。如果相机聚焦屏 较大, 最好再备一只放大镜; 如果镜头是定焦镜头而被翻拍件尺寸又较小, 最好再备一只近摄镜或近摄 接圈。胶片选用 一般用途的翻拍, 可以选用各种 型号的 ISO 100/21°胶片。若翻拍书刊的文字、图表,宜选用高反差的胶片。实际工作中, 我个人认为目前国产乐凯 SHD 100 和 SHD 400 这两种黑白胶卷较 通用。冲卷时通过对药水温度和搅拌频率、力度的控 制, 这两种黑白全色片反差有所变化。需要软调底片 时, 可以略降低一些药水的温度以及搅动的频率和 力度; 需要硬调底片时, 按标准温度冲洗, 每隔 5060 秒搅动 40 秒。翻拍用光 翻拍件尺寸较小时, 布光并不会 成为主