A fényképezőgép, annak legfontosabb alkatrészeinek működését egyszerű, közérthető módon ismertető cikksorozatunk  első részében az objektív működését, az általa megvalósított leképezést magyaráztuk. A jelen második részben az objektív által előállított kép rögzítéséért, megőrzéséért felelős képérzékelőkkel foglalkozunk. Ezúttal sem merülünk el a részletekben, igyekszünk a legfontosabb ismeretekre szorítkozni.

A cikk szerkezete hasonló az előzőhöz: mondandónkat néhány dián foglaltuk össze, szemléltető képekkel jól megtűzdelve. Minden dia előtt egy rövid szövegben ismertetjük annak tartalmát, ami esetleg kissé eltérő módon magyarázza, mintha egy előadáson szóban kiegészítenénk a dián látható információkat.

Az objektív által a fényképezőgép hátsó falára vetített kép, ahogyan a gép elé táruló látvány, folyamatosan változik (egy tájkép készítésekor lassan, de ha pl. egy ugráló trambulinon játszó gyermeket célzunk meg vele, nagyon gyorsan). Fényképezőgépünkkel ebből a folyamatosan változó látványból szeretnénk egy pillanatot kimerevíteni, rögzíteni, megőrizni. Erre szolgál a fényképezőgépben a képrögzítő alkatrész, a képérzékelő.

 

A filmes fényképezőgép érzékelője manapság egy filmtekercs (illetve annak egy darabja), amit minden egyes kép elkészülte után egy új darabkájára tekerünk tovább. A filmen a kép érzékelése, rögzítése során kémiai folyamatok játszódnak le. A digitális fényképezőgépekben elektronikus érzékelő van (CCD, vagy CMOS, illetve azok valamilyen továbbfejlesztett változata), egy mikroelektronikai alkatrész, működése leginkább a számítógépekéhez hasonlítható.

A továbbiakban a kétféle (analóg és digitális) fényképezőgép érzékelője működésének legalapvetőbb folyamatait mutatjuk be. A közös bennük, hogy a fénykvantumok, energiájukat átadva az érzékelő anyagában levő elektronoknak, azokat „kiszakítják” atomokban kötött állapotukból, úgynevezett fotoelektronokat hoznak létre. Ez indít el kémiai folyamatokat a filmes érzékelőben, míg az elektronikus érzékelőben magukat a szabaddá tett elektronokat gyűjtjük össze, azok mennyisége jellemzi a fény mennyiségét, a kép világosságát.

Felhívjuk a figyelmet arra a tényre, hogy a képérzékelő kettős funkciót tölt be. Egyrészt érzékeli a fényt (a fény erősségének, világosságának eloszlását a képen), és a látvány egy pillanatát rögzíti, másrészt gondoskodik annak tartós megőrzéséről, tárolásáról (célszerűen minél több kép tárolásáról).

Az első dián ezúttal is szerepel egy tükörreflexes fényképezőgép elvi felépítésének vázlata, amin bejelöltük a képérzékelőt.



A fotográfiai film és az elektronikus érzékelő összehasonlítása

A kétféle érzékelő – bár az érzékelés folyamatát mindkettőben a fotonok által az atomi kötelékből szabaddá tett fotoelektronok indítják el – működése merőben eltérő folyamatokból áll. A film fotoemulziójába ágyazott apró ezüsthalogenid kristály szemcsékben kémiai folyamatok játszódnak le, az ezüst ionokból (elektron befogással) ezüst atomok jönnek létre, ilyen atomos eloszlásban ezek feketék. A néhány ezüst atom még nem eredményez látható képet, „látens” kép a neve. A látens képet tartalmazó fotoemulzió szerkezetét, a kristályszemcséket a képen látható elektronmikroszkópos felvétel szemlélteti. A folyamat megfelelő kémiai eljárással felerősíthető (előhívás), a kép láthatóvá válik. A nem redukálódott, még fényérzékeny ezüsthalogenidet ki kell oldani a kép stabilizálásához (fixálás). Az eddigi eljárást fénytől elzárva kell végezni. Eredménye a látvány tónusvilágával ellentétes tónusvilágú, negatív kép (ahol a látvány legvilágosabb, a kép ott a legsötétebb). Pozitív képpé (amelynek tónusvilága a látványéhoz hasonló) ennek átvilágításával, fotópapírra vetítésével fordítható át, az előbbihez teljesen hasonló folyamatban.

A digitális fényképezőgépek elektromos érzékelőjében szabályos sorokba, oszlopokba rendezett fotodiódák gyűjtik a fotoelektronokat (pixelek). A pixelenkénti töltésmennyiségeket kiolvasva, digitalizálják, egész számokká kerekítik. Ez a számhalmaz (akár több tízmillió egész szám) a digitális „kép”, benne a látvány képe nem felismerhető – szoftverrel kell értelmezni és megjeleníteni (pl. monitoron, TV képernyőn, vagy akár papírra nyomtatva). Az ábra kinagyítva mutatja az analóg és a digitális kép részletét. Az előbbi véletlen eloszlású fekete pontokból (ezüst szemcsékből), az utóbbi négyzetes pixelekből áll. Aki a digitális és analóg fogalmakról szeretne többet megtudni, töltse le egy korábbi előadásom anyagát, abból részletesen megismerheti a kétféle érzékelő működését is.

 Negatív és pozitív kép, RAW és JPG fájl

A következő dián szemléletesen megmutatjuk a negatív és a pozitív kép különbségét, egy 1964-ben, az épülő Erzsébet hídról készült felvételekkel. Megemlítjük, hogy filmes géppel is lehet közvetlenül pozitív képeket készíteni, sőt olyan fényképezőgép/eljárás is van, amelyik azonnal előhívott, fixált papírképet készít.

A szemünk a fény erősségét logaritmikus léptékben érzékeli, az elektronikus érzékelő pedig lineárisan, ezért az érzékelőből kiolvasott (és digitalizált) kép a szemünkkel látott képhez viszonyítva eltorzított (összenyomott) tónus viszonyokat mutat (ezt is szemléltetjük a dián egy kép-párral). A fényképezőgép processzora azonnal korrekciókat végez a tónuseloszlásra, és a gépen beállított egyéb tulajdonságokra is, a színes felvételek esetén még további számításokat (lásd később). A korrigált képet (ezúttal is egész számok tömegeként) .JPG típusú fájlban tárolja a gép memóriájában, és megjeleníti a hátoldali monitorán. Az igényesebb gépek a korrigálatlan adatokat is tudják menteni, RAW típusú fájlban. Ez azért hasznos, mert a korrigálatlan adatok több, pontosabb információt tartalmaznak a képről, mint a JPG fájl (ez utóbbi még tömörített is, ami jóval kisebb fájlméretet eredményez, de a kép némileg torzulhat). A JPG fájl előnye viszont, hogy szabványos, szinte valamennyi képmegjelenítő és feldolgozó program egyformán tudja értelmezni. A RAW fájlok nem szabványosak, gyártó cégenként, sőt gép típusonként eltérőek. Speciális programokkal lehet őket értelmezni, az igényes amatőr, és hivatásos fotósok mégis szívesen használják. A RAW fájlokat szokás digitális negatívnak is nevezni.

 

A kép színeinek érzékelése

Az eddig ismertetett képérzékelők (az ezüsthalogenid emulziót tartalmazó fekete-fehér film, és a fotodiódákból álló elektronikus érzékelő) nem tudják megkülönböztetni a rájuk eső fény színét. Mivel bármely szín előállítható három alapszín (pl. vörös, zöld és kék) keverékeként, ha három színszűrővel készítünk három fekete-fehér felvételt (de más módon is elérhetjük, hogy az egyes felvételek csak egy-egy alapszínnel készüljenek), és azokat ugyanolyan színszűrőkkel egymásra vetítjük, a látványhoz hasonló színes képet kapunk.

A következő dián bemutatjuk a színes negatív film szerkezetét, és röviden ismertetjük működését. Az így készült színes negatívról, akárcsak a fekete-fehér negatív filmről, átvilágítva, hasonló színes érzékelő rétegeket tartalmazó fotópapírra vetítve, színes pozitív képet kapunk. Természetesen közvetlenül színes pozitív képet („színes diát”) is készíthetünk, fordítós színes filmre. Az elektronikus érzékelők is alkalmassá tehetők színes kép érzékelésére: a fotodiódák elé a három alapszín színszűrőit kell elhelyezni, egyenként, megfelelő sorrendben. A képen bemutatjuk a leggyakrabban alkalmazott szűrő-elrendezést, a Bayer maszkot. Az egyes pixelekben azonban csak 1-1 szín világosságával arányos jelet kapunk. Minden pixelben jelen kell legyen mindhárom szín-információ, ezt utólag, a szomszédos, megfelelő színű szűrő mögötti pixelekből kiolvasott adatok interpolálásával számítja ki a processzor.

A színes film működése és a Bayer maszk hatása, mozaiktalanítás

Az előző dián már röviden bemutattuk, hogyan lehet a színekre érzéketlen fotoemulziót és a fotodiódákból álló elektronikus érzékelőt alkalmassá tenni színes képek rögzítésére. A színes film működésének megértéséhez szükség van az ezüsthalogenid fényérzékenységi tartományának megismerésére. Az ábrán bemutatjuk, hogy a tiszta (eredeti) ezüsthalogenid fotoemulzió érzékenységi tartománya szűk, csak a kék fény kelt benne fotoelektronokat. Adalékanyagokkal kiterjeszthető érzékenységi tartománya a zöldre (ortokromatikus film), sőt a vörösre is (pánkromatikus film). Ezekből egymás alatti rétegeket képezve (és az első után még egy sárga színszűrőt is beiktatva) elérhető, hogy az egyes rétegek egyenként érzékeljék a három alapszínt. Negatív képet készít, amiben nem csak a tónusok, hanem a színek is „fordítottak”, az egyes alapszíneket kiegészítő színük helyettesíti. Előhívás, és a színképző anyagok működése után nemcsak a redukálatlan ezüsthalogenidet kell kioldani, hanem a redukált ezüstöt is (az csak a színképző működését szabályozza, szerepét maga a színezék tölti beI).

Képsorozaton mutatjuk be, hogy a Bayer maszk alkalmazása valójában nem változtatja meg azt, hogy az elektronikus érzékelő fotodiódáiban a fotoelektronok csak a fény erősségéről hordoznak információt, annak színéről nem (2. kép). Az egyes fotodiódák előtt levő színszűrő ismeretében, azok sorrendje, elrendezése alapján utólag, a kiolvasást követően kell a megfelelő színeket hozzájuk rendelni (3. kép – figyeljük meg, hogy itt még csak tiszta alapszínek vannak). Mozaiktalanítás, interpolálás útján kell megbecsülni az egyes pixelekben a hiányzó színeket (4. kép, ez már hasonló az eredeti látványhoz, amit az 1. kép mutat, megjelennek a keverék színek). A képek részleteinek megfigyeléséhez célszerű a diát kinagyítani, 50%-ra, esetleg 100%-ra.

A képek megőrzése, tárolása

Megállapítjuk, hogy az ezüsthalogenid fotoemulzió az analóg képeket tárolja is, nekünk csak vegyszermentes, száraz környezetben tárolásáról, karcolásoktól megóvásáról kell gondoskodnunk. A papírképeket dobozokban, albumokban őrizhetjük.

Az elektronikus érzékelők valóban csak érzékelik a képet (áttekintjük, mik a részei), a digitális képek (képfájlok) tárolását különálló félvezető alkatrész, a memória oldja meg (néhány képet gyors, beépített memória, sok fájlt cserélhető memóriakártya). A kártyákon levő információt minél hamarabb át kell másolni biztonságos helyekre, lehetőleg több példányban. Külön gond, hogy az elektronikusan tárolt információk sérülékenyebbek a gondosan tárolt filmnél, papírképnél, sőt a tárolás formátuma, az azokat olvasó egységek konstrukciója néhány év, esetleg évtized „élettartamú”, a tárolt információ olvashatósága, értelmezhetősége kompatibilitási problémák miatt is gondot okozhat hosszú távon. Az ilyen problémák elkerülése érdekében célszerű képeinket tároló adatbázisainkat néhány évente (évtizedente) átmásolni, frissíteni.

A képek részleteinek, a jobb szélső képen levő méret adatoknak olvasásáhot esetleg érdemes a diát nagyítani. Manapság akár 16 GB kapacitású memória kártyák is beszerezhetők, elfogadható áron.

 

Újabb elektronikus érzékelő típusok

Előbb a két alap-típust mutatjuk be. Leírjuk a CCD és a CMOS gyártástechnológiájának különbségét, majd egy összehasonlító ábrán szemléltetjük felépítésük, működésük eltérő voltát. Egy másik ábrán a CMOS érzékelő egyetlen pixelének felépítése látható (előtte a Bayer szűrő éppen vörös. Jól megfigyelhető a szűrő elé helyezett mikrolencse, ami a pixel felületén kialakított áramköri elemek (ezeket az előző dián soroltuk fel) miatt lecsökkent felületű fotodiódára gyűjti lehetőség szerint a pixel teljes felületére eső fényt.

A következő dián először a fotodiódával begyűjthető fény mennyiségének növelését célzó fejlesztések közül a hátulról megvilágított (back illuminated) érzékelőt írjuk le, összehasonlító ábrán is bemutatjuk a hagyományos érzékelőtől eltérő szerkezetét. Jól megfigyelhető, hogy a hátulról megvilágított érzékelőben a fény sokkal vékonyabb anyagrétegen halad át, mielőtt elérné a fényt érzékelő fotodiódát, így kisebb gyengülést szenved, több fotoelektront hoz létre, ami érzékenység növekedést eredményez.

Megemlítjük a Fuji cég néhány érdekes fejlesztését, továbbá a tükör nélküli gépek automatikus élesség-állítását meggyorsító úgynevezett "dual pixel sensor" érzékelőt (ez utóbbiról, valamint a kontraszt detektáláson és a fázis érzékelésen alapuló autofókusz módszerekről esetleg egy későbbi, egyelőre még konkrétan nem tervezett cikkben írunk, amelyet a gépek nem alapvető fontosságú, hanem a minél egyszerűbb használatot szolgáló alkatrészeknek szentelünk, talán).

Egyetlen olyan, fényképezőgépben felhasználásra került érzékelő van, amelyik közvetlenül érzékeli a fény színét, a Foveon X3 (Sigma cég gépeiben). Felépítése annyiban hasonlít az analóg színes filmhez, hogy a három alapszínt egymás alatti rétegekben érzékeli, egymás alatt kialakított fotodiódákban, minden egyes pixelben. Működését az teszi lehetővé, hogy a szilícium (az érzékelő alapanyaga) fényelnyelő képessége függ a fény frekvenciájától, így a különböző színű fénysugarak eltérő mélységbe hatolnak be az anyagába (ezt szemlélteti az ábra bal oldala), így a szilícium rétegben egymás alatt helyezkedik el a három alapszínt érzékelő fotodióda (az ábra jobb oldala).

A következő (harmadik) cikkünkben a fényképezőgépek lényegében ugyancsak nélkülözhetetlen alkatrészeivel, a keresőkkel foglalkozunk (ugyancsak egyszerűen), hiszen a géppel nem vaktában kívánunk lövöldözni. Tudnunk kell, a látványnak melyik részlete jelenik meg az érzékelőn, majd az elkészült felvételen. Erre is különböző megoldások születtek.