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.
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.
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
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.
A digitális fényképezőgép elektronikus érzékelőjének működése
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.
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.