ثلاثة أجيال من الخلايا الكهروضوئية أمدّت أجهزة قياس التعريض اليدوية والمدمجة في الكاميرا، وكل منها يخفق بطريقة مختلفة. المقياس لا يكون أمينًا إلا بمقدار أمانة خليته، والفجوة بين selenium وكبريتيد الكادميوم والسيليكون ليست ترفًا أثريًا: هي التي تقرر ما إذا كان بإمكانك الوثوق بالإبرة في غرفة خافتة، أو تحت ضوء تنغستن، أو بعد لحظات من توجيه الخلية مباشرةً نحو السماء. أخطئ في ذلك وسيتجسّد الخطأ في السلبية كظلال في غير موضعها. وجّه مقياسًا من السيليكون غير المصحَّح نحو غرفة مضاءة بالتنغستن وفيلم Tri-X، وسيقرأ الأشعة تحت الحمراء التي لا يسجّلها الفيلم، ويوصي بتعريض أسرع، فتسقط تفاصيل ظل المنطقة III نحو المنطقة II. الخلية هي التي اتخذت ذلك القرار، لا المصوّر.

Selenium: مكتفٍ ذاتيًا، مطابق لعين الإنسان، أعمى في الظلام

كانت خلية selenium أول خلية قياس تعريض عملية، قدّمها Rhamstine وWeston في مطلع الثلاثينيات من القرن الماضي عبر Weston Electrical Instrument Corporation؛ وغدت سلسلة Weston Master صورتها الأكثر شيوعًا. هي بنية فولتوضوئية متعددة الطبقات: قاعدة من الحديد، وطبقة من selenium، وقطب ذهبي شبه شفاف دقيق للغاية في الأعلى. يمرّ الضوء عبر الذهب فيولّد تيارًا بين الذهب والحديد يُقرأ مباشرةً بمقياس جالفانومتري دون أي بطارية في الدائرة. التيار الناتج يتناسب مع الضوء الساقط، وهذا ما يجعل Weston Master العمرها خمسون عامًا تعمل داخل جسم ميكانيكي بالكامل.

طيفيًا، selenium حسن السلوك. تبلغ استجابته ذروتها في الأخضر حول 560 إلى 570 نانومتر، مائلًا قليلًا نحو الأحمر من دالة اللمعان الضوئي التي تبلغ ذروتها عند 555 نانومتر. هذا التطابق الوثيق هو ما يجعله يتجاهل الأشعة تحت الحمراء، ويمنحه قراءات النهار “المتسامحة” التي اشتهرت بها هذه المقاييس؛ وقد أكّدت ورقة J. Sci. Instrum. لعام 1949 حول مرشّحات التصحيح الطيفي لـ selenium أن الاستجابة كانت قريبة جدًا من الضوء الإبصاري لدرجة أن التصفية الزجاجية الخفيفة وحدها كانت كافية.

يكمن الإخفاق في الحساسية. في Weston Master III يمتد النطاق الساطع من 25 إلى 1600، وينخفض إلى نطاق منخفض من 0.2 إلى 50، لكن أسفل قراءة الإبرة عند نحو 10 تتكدس تقسيمات السلّم معًا وتصبح غير مقروءة. هذا هو الحد العملي: مقياس selenium يتعامل بصعوبة مع إضاءة المنازل الداخلية ولا يستطيع تسجيل ضوء الشمعة أو ضوء القمر على الإطلاق. يُفاقم ذلك التقادمُ. يتدهور القطب الذهبي الرقيق والإحكام بمرور العقود، وتعاني الخلية من تعب ناتج عن الضوء، فتنجرف خلايا selenium العجوزة نزولًا، قارئةً أقل مما ينبغي. مقياس يوصي بتعريض أطول بنصف وقفة (stop) من نظرائه هو في الغالب خلية selenium متعبة، لا معايرة يُعتمد عليها.

كبريتيد الكادميوم: حساسية كافية لـ TTL، لكن مع ذاكرة

خلية كبريتيد الكادميوم (CdS) هي مقاومة ضوئية: تنخفض مقاومتها كلما زاد الضوء، لذا تحتاج إلى بطارية لتشغيل دائرة الجسر. الثمرة حساسية تتخطى selenium بمراحل، وحجم صغير بما يكفي للجلوس داخل الكاميرا. لهذا استخدم Asahi Pentax Spotmatic عام 1964 — من أوائل الكاميرات الإنتاجية بقياس عبر العدسة، إثر Topcon RE Super عام 1963 — خليتَي CdS خلف المنشور، وهذا ما جعل CdS تحلّ محل selenium في أعمال TTL والإضاءة المتاحة طوال ذلك العقد.

لـ CdS فجوة نطاق قريبة من 2.42 eV، مما يمنحها ذروة طيفية حول 515 نانومتر واستجابة مفيدة من نحو 515 إلى 730 نانومتر، مطابقة عن كثب لعين الإنسان. لكنها تحمل عيبين. الأول يتعلق بالسرعة: أقصى زمن استجابة طيفية نحو 100 مللي ثانية، وفوق ذلك يقع أثر الذاكرة. تعتمد المقاومة على تاريخ الضوء الأخير للخلية؛ بعد انتقال من سطوع إلى خفوت قد يستغرق تسجيل الظلام صحيحًا من 30 ثانية حتى دقيقتين، وقد تنجرف الأنواع عالية الحساسية لساعات. قِس شارعًا مشمسًا، ثم ادخل مدخل بناء واقرأ فورًا، وستجد الخلية لا تزال تتذكر نصف الشمس، فتُبلّغ عن ضوء أكثر مما هو موجود فعلًا وتنقص الظلال بوقفة (stop) أو أكثر حتى تستقر. تخزين المقياس في الضوء قبل الاستخدام بدلًا من تغطيته في حقيبة مظلمة يقلّل من هذا التأخر.

استخدمت بعض المقاييس كبريتيد الكادميوم والسيلينيوم (CdSe) عوضًا عن ذلك، تبلغ ذروته أعمق في الأحمر عند 690 إلى 730 نانومتر مع استجابة أسرع عند 10 مللي ثانية لمدى أوسع في الضوء الخافت، غير أن مقاومة CdSe أكثر حساسية للحرارة بكثير من CdS، فجاء الكسب على حساب الاستقرار في البرد أو الحر.

العيب الثاني في CdS هو مصدر الطاقة. كانت دوائر الجسر مُعيَّرة وفق 1.35 فولت الثابتة والمستوية لبطارية PX625 أو PX13 الزئبقية، وكثير منها لا يحتوي على منظّم جهد. ضع بطارية قلوية بـ 1.5 فولت في تلك المقبس وستتحرك القراءة بمقدار يتراوح بين نصف وقفة (stop) ووقفة (stop) كاملة. حُظر بيع البطاريات الزئبقية عام 1996 لأسباب سُمّية، لذا فأي مقياس CdS موروث يستخدم PX625 يعمل الآن على بديل: استخدم خلية زنك-هواء بجهد 1.35 فولت أو محوّلًا مناسبًا، لا بطارية قلوية مجردة، وإلا زالت دقة الخلية قبل أن يُبدي أثر الذاكرة رأيه.

السيليكون: سريع، خطي، ومتعطّش للأشعة تحت الحمراء

الصمام الضوئي السيليكوني فولتوضوئي، غير أنه يولّد جهدًا أقل بكثير من selenium، لذا يعتمد على مضخّم وبطارية. في المقابل يستجيب في غضون ميكروثوانٍ، لا يعاني من أثر ذاكرة يُقاس، ويبقى خطيًا عبر نطاق واسع جدًا. السرعة حاسمة في تصوير الفلاش: تستغرق وميضة الفلاش جزءًا من المللي ثانية، وخلية CdS بتأخرها البالغ 100 مللي ثانية لا تستطيع فيزيائيًا استيعاب الومضة كاملةً، في حين يسجّل خلية السيليكون الوميض بأكمله. دمجت Gossen الخلية السيليكونية الزرقاء في Profisix وLuna-Pro SBC عام 1977، وأضافت Lunasix F / Luna-Pro F عام 1981 قياس الفلاش استنادًا بالضبط إلى تلك الاستجابة الزمنية. حلّ السيليكون محل CdS في معظم المقاييس بنهاية الثمانينيات.

ضعفه طيفي. يستجيب السيليكون العاري من نحو 200 نانومتر في فوق البنفسجي حتى نحو 1100 نانومتر، مع أعلى استجابة في عمق الأشعة تحت الحمراء القريبة، نحو 850 إلى 980 نانومتر وبنحو 0.4 إلى 0.7 A/W، بعيدًا كل البعد عما تسجّله أفلام البانكروماتيك كإضاءة مرئية. دون تصحيح، يقرأ أكثر من اللازم لأي مصدر غني بالأشعة تحت الحمراء، والتنغستن أسوأها جميعًا. الحل هو مرشّح تصحيح لوني متكامل يقطع الأشعة تحت الحمراء ويُعيد تشكيل الاستجابة نحو الطيف الضوئي الإبصاري، ويُباع الناتج باسم الخلية السيليكونية الزرقاء (SBC) أو SPD. يحلّ نفس مشكلة المطابقة الإبصارية التي تناولها أدب مرشّحات selenium، لكن بوسيلة معاكسة: حيث احتاج selenium إلى تصفية طفيفة لإضافة التصحيح، يحتاج السيليكون إلى تصفية عدوانية لطرح نهمه للأشعة تحت الحمراء. مقياس السيليكون لا يكون دقيقًا إلا بمقدار دقة ذلك المرشّح.

الاختيار وفق نمط الإخفاق

طابق الخلية مع المهمة والإخفاق الذي لا مفر منه. لمنظر طبيعي نهاري، تقرأ كلٌّ من selenium والخلية السيليكونية الزرقاء بأمانة؛ فـ selenium لا يحتاج بطارية ويتجاهل الأشعة تحت الحمراء بطبيعته. للإضاءة الخافتة في الداخل، الجأ إلى CdS أو السيليكون لحساسيتهما، لكن أعطِ CdS من 30 ثانية حتى دقيقتين لتنسى المشهد الأكثر إضاءة الذي قستَه للتو. للفلاش، السيليكون وحده هو الحل؛ كلٌّ من selenium وCdS بطيء جدًا على التقاط الوميض. لأي مقياس موروث أو متقادم، اشكك في selenium أولًا بسبب الانجراف النزولي، وتحقق مما تتطلبه وحدة CdS من بطارية قبل أن تثق بقراءة واحدة. تحت ضوء التنغستن، ثق بمرشّح SBC على خلية سيليكون عارية وإلا نقّصتَ تعريض الظلال بالوقفة (stop) التي اخترعها الأشعة تحت الحمراء. معرفة أي خلية تقبع خلف الإبرة تفسّر معظم الاختلاف بين مقياسين موجّهَين نحو المشهد ذاته.