A két fényképezési eljárás merőben különböző folyamatokból áll. Az alkalmazott képérzékelők felépítése ránézésre is teljesen különböző, működésükben látszólag nem lehet felfedezni semmi közöset. A film, mint érzékelő, „egyszer használatos”, egy-egy filmkockára egyetlen felvétel készíthető (a filmet cserélni kell a fényképezőgépben). Kémiai kezelés (előhívás, fixálás) hatására magán az érzékelőn alakul ki a kép (legfeljebb a lefényképezett eredeti látvány negatívja – azaz a világos és sötét tónusok megfordulnak). Ezzel szemben a digitális fényképezőgép érzékelője egy félvezető elektronikus áramkör, fixen beépítve a fényképezőgépbe, egymás után számos felvétel készíthető vele („többször használatos”). Az érzékelőből „ki kell olvasni” a képet, ami egyáltalán nem hasonlít a lefényképezett eredeti látványra, egyszerűen egy számhalmaz (az érzékelőben töltés/feszültség-jelek sokasága). A kiolvasott képfájl számítógépes, informatikai feldolgozása után, kinyomtatva (vagy monitoron, TV képernyőn) állítjuk elő a látványra hasonlító képet. Ezután meglepően hangzik a címben megfogalmazott állítás, mégis igaz: ha a működésük mélyére ásunk, a fény hatására a kétféle érzékelőben lejátszódó elemi folyamat nagyon hasonló, akár azt is mondhatjuk, hogy azonos fizikai folyamat indítja el a kép kialakulását.

A kép kialakulását elindító alapfolyamat

A folyamat megértéséhez a fénynek az anyaggal való kölcsönhatásáig kell leásnunk. Nevezetesen a fénynek az anyagban levő elektronokkal való kölcsönhatásáig.

Fémből fény hatására elektronok lépnek ki (külső fotoeffektus). Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

 

A fény elektromágneses hullám, de ebben a hullámban az energia nem folytonosan áramlik, hanem kvantált, a fény frekvenciájára (színére) jellemző energia-csomagokban terjed, ezek a fotonok. Ha valamilyen anyagot világítunk meg fénnyel, a fotonok (vagy azok egy része) elnyelődik az anyagban. Az elnyelődés során a fotonok energiájukat az anyag egy-egy elektronjának adják át, ezt a folyamatot fotoelektromos effektusnak nevezzük. Ha a fény fém felületére esik, és a frekvenciája nagyobb a fémre jellemző küszöbfrekvenciánál (a foton energiája meghaladja az adott fém kilépési munkáját), elektronok lépnek ki a fémből. Ezt a jelenséget külső fotoeffektusnak nevezzük. Ez a jelenség a fotocella működésének az alapja.

Más anyagoknak (szigetelő kristályoknak, félvezetőknek) a fémekétől eltérő az elektronszerkezete. Az ilyen anyagokban is elektronoknak adják át az energiájukat a bennük elnyelt fény fotonjai. Ezek az elektronok nem lépnek ki az anyagból, csak annak belsejében hagyják el helyhez kötött állapotukat, az anyag belsejében válnak szabadon mozgóvá – vegyérték (valencia)-elektronokból vezetési elektronokká válnak, gerjesztett energiaállapotba kerülnek. Az áramvezetésben a vezetési sávba került elektronon kívül a gerjesztett állapotba került elektron helyén megüresedett állapot (jóllehet helyhez kötött, egy meghatározott atomhoz tartozik, de a szomszédos atomról átléphet erre az atomra egy elektron, és ez folytatódik a következő atomokra átlépéssel), amit lyuknak nevezünk, szintén részt vesz az áram vezetésében, de úgy, mintha egy pozitív töltéshordozó mozogna ez elektronokkal ellentétes irányba. Ezt a jelenséget belső fotoeffektusnak nevezzük. Ez a belső fotoeffektus az az elemi folyamat, ami elindítja mind a filmes, mind a digitális fényképezőgép érzékelőjében a kép kialakulását.

Azok kedvéért, akik nem rettennek meg egy kicsit több fizikától, és szeretnék megérteni, mit jelentenek a vegyérték(valencia)- és vezetési-elektron elnevezések, egy pici betekintést adunk a szilárdtestfizikába, a szilárdtestek elektronszerkezetébe (egyébként bátran átugorható ez a bekezdés). Talán emlékszünk rá, hogy az atomokban az (atomokhoz kötött) elektronok energiája nem változhat folytonosan, csak meghatározott értékeket vehet fel, csak meghatározott energiájú héjakon tartózkodhatnak az elektronok (leegyszerűsítve a Bohr-féle atommodell, pontosabban a kvantumfizika, pl. a Schrödinger egyenlet írja le). Alapállapotban az elektronok a rendelkezésükre álló legalacsonyabb energiájú héjakon vannak. Minden héjon csak meghatározott számú (mondhatjuk, egy-egy) elektron tartózkodhat. Ha valamilyen folyamatban (pl. egy foton elnyelésekor, vagy melegítés hatására) az atom valamely elektronja energiát kap (gerjesztődik), egy magasabb energián levő (üres) héjra ugrik át. A kristályos, szabályos térbeli szerkezetű szilárdtestekben megváltozik az elektronszerkezet, a magukban álló atomokéhoz képest. Ezt szemlélteti vázlatosan a bekezdés végén levő ábra, szigetelők/félvezetők esetében. Az atomi elektron héjak diszkrét energia értékei sávokká szélesednek (egy-egy sávban annyi, egymástól csak nagyon kis értékkel különböző megengedett energiaérték van, ahány atom a kristályban, ezekben a megengedett sávokban az elektronok energiája kvázi folytonosan változhat). Az alábbi ábra mutatja, hogy a szomszédos atomok Coulomb potenciálja átfed, összeadódik. Ennek eredménye, hogy az alacsonyabb energiájú sávok elektronjai változatlanul egy-egy atomhoz kötődnek (mint a magukban álló atomokban), míg a magasabb energiájú sávokban az elektronokat nem rögzíti egy-egy atomhoz Coulomb potenciálgát, az azokban levő elektronok szabadon mozoghatnak a kristályban. Az a legmagasabb energiájú sáv, amelyik alapállapotban (teljesen) betöltött, a valencia (magyarul vegyérték) sáv (ebben az elektronok egy-egy atomhoz kötöttek), a fölötte levő sáv a vezetési sáv (ebben az elektronok szabadon mozoghatnak a kristályban). A szigetelők és a félvezetők vezetési sávja alapállapotban teljesen üres, közöttük a különbség annyi, hogy a vegyérték- és a vezetési sáv közötti tiltott energiasáv (amilyen energiát az elektronok nem vehetnek fel, csak úgy tudnak gerjesztődni, ha ennek átugrásához elegendő energiát nyernek) a szigetelők esetében szélesebb, mint a félvezetők esetében (nagyobb energiaközlés, például magasabb hőmérséklet kell ahhoz, hogy egy elektron a vegyérték sávból a vezetési sávba kerüljön). Tehát alapállapotban a vegyérték sáv teljesen betöltött, abban az elektronok nem tudnak elmozdulni, nincs üres állapot, ahova átléphetnének, így nem hoznak létre áramvezetést. A vezetési sávban viszont alapállapotban nincsenek elektronok, tehát ott sem történik áramvezetés. Ezért nevezzük az első csoportot szigetelőknek. Nagyon alacsony hőmérsékleten (amikor minden elektron alapállapotban van, a félvezetők is szigetelőként viselkednek. De ha egy elektron elegendő energiát kap ahhoz, hogy a vegyérték sávból a vezetési sávba lépjen, nem csak a vezetési sávban szabad mozgásra képes negatív elektron járul hozzá az áramvezetéshez, hanem a valencia sávban a helyén visszamaradt betöltetlen elektronállapot (a neve lyuk, úgy viselkedik, mint egy pozitív töltéshordozó) a külső elektromos tér hatására az elektronnal ellentétes irányba mozdul el, szintén áramvezetést ad (valójában itt is az elektronok lépnek át egy üres, megengedett állapotba, ez adja a lyuk „vándorlását”). A fémek (jó vezetők) elektronszerkezete abban különbözik az ábrán bemutatottól, hogy a vezetési sáv alapállapotban is részben betöltött, vannak benne betöltetlen állapotok is, az ebben levő elektronok gerjesztés nélkül is szabadon mozoghatnak a kristályban (ezért jó elektromos vezetők).
           Félvezetők elektron-sávszerkezete. Forrás: https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulators-semiconductors/

 

Tudom, hogy ez meglehetősen elvont leírása az alapfolyamatnak, de talán érthetőbb lesz, ha megnézzük, mi történik a szabaddá vált elektronokkal a kétféle képérzékelőben, hogyan járulnak hozzá a kép kialakulásához.

A fotográfiai film működése

 Az AgBr kristályszerkezete. Forrás: https://scholarcommons.sc.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1085&context=senior_theses

 

A régebbi, hagyományos, újabban analógnak is nevezett fényképezőgép érzékelője, a film fényérzékeny rétegét zselatin emulzió alkotja, amibe ezüst-halogenid szemcsék, apró, rendszerint 1 μm-nél kisebb (nagyságrendben 1012 Ag atomot tartalmazó) kristályok vannak beágyazva. A kristályt pozitív Ag+ és negatív Br- ionok alkotják, szabályos geometriai elrendezésben (példaként vegyük az ezüst bromidot – AgBr). Bár a kristályt összetartó erők stabil szerkezetet biztosítanak, az atomok és az elektronok kis hányada el tud mozdulni a kristály szemcsén belül. A fény hatására bekövetkező redukálási folyamat, fém ezüst atom kiválása az AgBr molekulából (ami a kép létrejöttének lényeges folyamata) úgy jön létre, hogy a pozitív ezüst ion egy – a fény hatására szabaddá vált – elektronnal semleges Ag atommá alakul. A folyamat eredménye: a fény hatására, a megvilágított helyen a film (a finom szemcsés ezüsttől) feketedik, negatív kép jön létre. Részletesebben: az AgBr-szemcsét eltaláló fénykvantum egy szabad elektronból és egy elektron-hiányból (lyukból) álló töltéshordozó párt hoz létre, leszakítva a Br- ion elektronját, azaz a Br- ion egyik, a vegyérték sávban levő elektronját a vezetési sávba gerjeszti. Ez a szabaddá vált elektron találkozhat a kristályban mozgó Ag+ ionnal, azt semlegesíti – ez a fém ezüst kiválásának folyamata, még így is csak vázlatosan. A valóságban ennél jóval bonyolultabb folyamatok játszódnak le az AgBr szemcsében. Egy tiszta, szabályos AgBr kristályban a létrejött elektron-lyuk pár hamarabb rekombinálódik, mintsem az elektron találkozna egy Ag+ ionnal. A valós fotoemulzióban levő AgBr kristályszemcse nem tökéletes, és a benne levő rácshibák, illetve tudatosan bevitt, célszerű szennyeződések (érzékenyítő centrumok) növelik meg az Ag+ ionok semlegesítődésének valószínűségét. Arról csak említést teszünk, hogy a fém ezüst kiválás folyamata nagyon lassú, tehát látható méretű Ag kiváláshoz rendkívül hosszú megvilágításra, óriási fénymennyiségre lenne szükség. De ha egy szemcsében kb. 4 Ag atom megjelent, az már olyan centrumot alkot (látens kép centrumot), amit megfelelő kémiai eljárással (előhívás) fel lehet erősíteni, a képet láthatóvá tenni. A folyamatot az ábra szemlélteti vázlatosan. Ahol a filmre vetített kép világosabb, több foton csapódik be az emulzióba, több AgBr szemcsében indul meg az ezüst kiválás, az előhívás során kialakuló kép sötétebb lesz.

                                                                          Az ezüst kiválás folyamata vázlatosan.
                                             Forrás: https://scholarcommons.sc.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1085&context=senior_theses

A digitális fényképezőgép elektronikus érzékelőjének működése
  A fotodióda sávszerkezete. Forrás: https://www.intechopen.com/books/photodiodes-world-activities-in-2011/silicon-photo-multipliers-detectors-operating-in-geiger-regime-an-unlimited-device-for-future-applic

 

A CCD, CMOS és az újabb, fejlettebb képérzékelők eltérő működésével nem foglalkozunk, kizárólag a kép keletkezését elindító elemi alapfolyamatot vizsgáljuk meg. Valamennyi elektronikus képérzékelőben a fényt az egyes képpontokban, pixelekben félvezető fotodiódák érzékelik, amik kondenzátorként gyűjtik, és ideiglenesen (a kiolvasásig) tárolják az adott képpontra (pixel területére) beérkező fotonok által létrehozott elektromos töltést. A félvezető diódák elektron szerkezetének, és működésének részletes ismertetése nélkül elég annyit megjegyeznünk, hogy a diódában (a két, p és n típusú félvezető réteg eltérő elektron szerkezete, és a rá kapcsolt feszültség eredményeként) olyan belső elektromos tér van, ami az elnyelt foton által létrehozott elektron-lyuk pár két tagját (ellentétes töltésüknek köszönhetően) egymáshoz képest ellentétes irányba mozgatja, szétválasztja. Az eredmény: a dióda két oldalán levő elektródák, egy kondenzátor két fegyverzete, egységnyi elektromos töltést nyer. Minél több foton nyelődik el a diódában, annál nagyobb lesz a kondenzátor töltése. Tehát a töltés mennyisége arányos a diódára eső fény mennyiségével – a képpontokban nem feketedés, hanem a töltések eloszlása „rajzolja ki” a képet. Fotodiódának az olyan diódát nevezzük, aminek belsejébe be tud jutni a fény, és a p és n réteg között kialakuló elektromos tér tartományában nyelődik el, kelt elektron-lyuk párt.

Tudom, hogy a fizika iránt kevéssé érdeklődők számára a fenti ismertetésnek talán nem minden részlete érthető pontosan. De azt remélem, minden olvasómat sikerült meggyőznöm arról, hogy bár a filmes (analóg) és a digitális fényképezőgép képérzékelője látszólag rendkívüli mértékben különbözik egymástól, és a kialakuló két kép is teljesen eltérő jellegű (előhívás után közvetlenül megjelenik a fekete-fehér kép, hanem egy elvont, töltéseloszlás formájában alakul ki, illetve a kiolvasott számhalmaz hordozza a képi információt), a kép kialakulásának első lépése szinte teljesen azonos. A képet kirajzoló fény energiáját hordozó fotonok a képérzékelő anyagában elnyelődve (belső fotoeffektus során) elektronokat tesznek szabaddá, szakítanak le agy-egy atomról (ionról). Az így szabaddá tett elektronok sorsa, a képérzékelő működésének folyamata viszont már markánsan eltér a kétféle képérzékelőben.

Ezzel be is fejezhetnénk a cikket, hiszen megmagyaráztuk a címben megjelölt, első látásra meglepő kijelentést. De ráadásként még foglalkozzunk egy keveset a kétféle fényképezési eljárást egymás ellentéteként megjelölő tulajdonsággal, az analóg és a digitális működéssel.


Analóg és digitális fényképezés

A fényképezés történetének első mintegy másfél évszázadában filmre fényképeztünk. A 20. század utolsó évtizedében jelent meg a digitális fényképezőgép, és a 21. században terjedt el. Mára a digitális gépek csaknem kiszorították a filmeseket, azokat a fiatalok többsége már legfeljebb hallomásból ismeri, mint elavult régiségeket. Azokat csak a digitális gépek elterjedése óta emlegetjük „filmes” jelzővel, megkülönböztetésül. De szokás, a digitális jellemzővel szembeállítva, analóg fényképezésnek, gépnek is nevezni. Ugyanakkor a digitális gépek érzékelőjének nem a legfontosabb jellemzője a digitális tulajdonság: a filmhez képest, ami ezüst alapú fényképezés, kémiai eljárás, leginkább azzal jellemezhetjük, hogy elektronikus eszköz, elektronikus eljárás. Tulajdonképpen a kiolvasott (analóg) jeleket egy másik áramkör, az analóg-digitál-átalakító (Analog-Digital-Converter – ADC) alakítja át digitális jelekké. Tehát a kétféle fényképezési eljárás fő jellemzői, használatos elnevezései:

  • filmes,         analóg,         ezüst alapú;
  • digitális,         elektronikus.

 

                           Az analóg és a digitális képérzékelők működésének rejtelmei című előadás címlapképe

Már ebből a rövid ismertetésből is látszik, hogy legalábbis a digitális fényképezésben, analóg folyamat is szerepet játszik, méghozzá az érzékelője alapvetően analóg. Sőt, az analógnak mondott filmes eljárásban is felismerhetők digitális elemek. A témának egy teljes előadást szenteltem "Az analóg és a digitális képérzékelők működésének rejtelmei (Alapjait tekintve a filmes fényképezés digitális, a digitális pedig analóg)" címmel, amit 2017. szeptemberben, a Kutatók Éjszakáján tartottam. Akit érdekel, innen letöltheti az előadás anyagát. E helyen nem is folytatom a téma kifejtését, a letölthető anyagot ajánlom az érdeklődők szíves figyelmébe (abból, többek közt, azt is pontosan megtudhatja, mit fejeznek ki az "analóg" és a "digitális" jelzők). Az előadás a jelen cikk szerves folytatásának tekinthető, mivel a digitális és analóg folyamatok meglepő keverékének „szétszálazásához” is az érzékelők működésének mélyére kell ásnunk. A zárójelben szereplő alcím provokatív kijelentésének magyarázatán túl általános érdeklődésre is számot tarthat az előadás, mert a téma kapcsán a fotózási eljárások viszonylag részletes ismertetését tartalmazza.