Fizikai Szemle 2005/8. 292.o.
FÉNYKÉPEZÉS FILM NÉLKÜL
Már az ókorban észrevették, hogy ha egy dobozba az
egyik lapján fúrt kis lyukon lép be a fény, a szemközti
oldalon megjelenik a külső világ fordított állású, kicsinyített
képe. Az ilyen dobozt camera obscurának, sötétkamrának
nevezték. A középkor néhány neves festője az
ily módon vetített kép segítségével készítette döbbenetesen
élethű tájképeit.
1830 körül fedezte fel 
és Daguerre a képek
kémiai úton való rögzítésének módját. (A pletyka szerint
még a vetített képet sem tudta lerajzolni, ezért
inkább kitalált egy kémiai eljárást a kép rögzítésére.) Rájöttek
arra, hogy az ezüstsók fényérzékenyek, így felhasználhatóak
képalkotásra. Ezüst-jodiddal bekent lemezen,
filmen, papíron képet lehet létrehozni.
Ez a két találmány napjainkig meghatározta a fényképezés
technikáját, a modern fényképezőgépek ezeknek
az egyszerű elveknek az egyre tökéletesebb gyakorlati
megvalósításai voltak.
Körülbelül 180 diadalmas év után most úgy néz ki, hogy
a film mint képeket rögzítő eszköz pályafutása lassan véget
ér. A filmfelvevőt felváltja a videokamera, a hagyományos
fényképezőgép szerepét a digitális gép veszi át.
Az elektronikus fényképezést a félvezetők, az adattárolók
és a számítástechnika fejlődése teszi lehetővé. Félvezető
lapocskát, chipet használunk arra, hogy érzékelje
a fényt, és elektromos jelekké alakítsa. A nagy kapacitású
memóriák olcsósága teszi lehetővé, hogy harminchat kép
helyett akár százat is tárolhassunk a fényképezőgépben.
A képek kezelését, az elektronika összehangolását a
gépbe épített kicsiny célszámítógép végzi. Végül a kész
felvételeket mindenki letöltheti a saját számítógépébe, és
szerkesztheti, kinyomtathatja.
Nézzük részletesen, hogyan is működik a digitális
fényképezőgép! A rögzítendő képeket minden eddigi
eljárásnál elemekre bontották, és a fekete-fehér képelemek
összességéből bontakozott ki a kép. Ha megnézünk
egy hagyományos fényképet, ott például az emulzió
szemcséi alkotják a képelemeket. Továbbítás előtt így
bontják elemeire például a televíziós kamera által közvetített
képet is.
Képelemeket (picture element, röviden pixel) állít elő
a digitális kamera érzékelője, a CCD is. A CCD egy úgynevezett
töltéscsatolt eszköz, az angol Charge Coupled
Device kezdőbetűiből álló betűszó. Több millió, négyzetrácsban
elrendezett pixelből áll egy ilyen félvezető lapka.
A szilícium kristályrácsa olyan, mint a gyémánté. Az
atomok tetraéder alakzatban helyezkednek el a rácsban.
Minden atomhoz négy elektron tartozik a külső héjon, és
minden atom négy szomszédjával van kötésben. Így
alaphelyzetben nincsenek szabad töltéshordozók. Ha
három vegyértékű atomokkal szennyezzük a szilíciumot
p-típusú (a hiányzó elektronokat pozitív töltésnek, úgynevezett
"lyukaknak" tekinthetjük), ha öt vegyértékű
atomokkal, akkor n-típusú (negatív töltéshordozókat,
plusz elektronokat tartalmazó) félvezetőt kapunk.
Egy pixel szerkezetét az 1. ábrán figyelhetjük meg. A
p-típusú félvezető alapot szilícium-dioxid szigetelőréteg
választja el az elektródától.
Ha az elektródára pozitív feszültséget kapcsolunk,
akkor vele szemben egy kiürített réteg alakul ki, a pozitív
feszültség vonzza az elektronokat, a lyukak így rekombinálódnak
(2. ábra). A feszültség eloszlását a pixel belsejében
3. ábrán láthatjuk.
Fény hatására elektronok gyűlnek össze a kiürített
rétegben, ezt úgy is képzelhetjük, mintha a harmadik
ábrán látható gödörbe estek volna. Az így összegyűjtött
elektronok száma arányos a fény erősségével. Ha ezeket
az elektronokat megszámláljuk, következtethetünk arra,
milyen erős fényhatás érte a pixelt. Ehhez az elektronokat
pixelenként "ki kell olvasni" a CCD-ből.
Ezt a kiolvasást a pixelek már említett négyzetrácsos
elrendezése teszi lehetővé, amelyet a 4. ábrán figyelhetünk
meg. A fő egység az oszlop. Egy oszlopban egymás
alatt három pixel alkot egy csoportot. Induljunk el úgy,
hogy minden csoportban az A jelű pixelekre kapcsolunk
magasabb feszültséget, hogy fényt tudjanak gyűjteni, a
másik kettőre pedig alacsonyabbat, így a keletkező potenciálgát
megakadályozza a töltések áramlását. Az expozíció
után a B jelűekre is pozitív feszültséget kapcsolva a
7. ábra. A tükörreflexes digitális fényképezőgépek jelenlegi csúcsgépe,
mely a professzionális kategóriában az Év fényképezőgépe díj
nyertese, érzékelőlapkája 12,4 millió pixellel rendelkezik.
potenciálgödör kiszélesedik, az összegyűjtött elektroncsomag
A és B alatt oszlik meg. Ezt nevezzük töltéscsatolásnak.
Ha A feszültségét ezután csökkentjük, akkor a
töltések B alá kerültek, azaz eggyel lefelé léptettük a pixel
tartalmát. Az eljárás lépéseit az 5. ábra szemlélteti.
Ezt ismételve, az oszlopok tartalma sorra az alsó, kiolvasó
sorba (regiszterbe) kerül, ahonnan ugyanezt az eljárást
vízszintes irányban alkalmazva a pixelek tartalmát egyesével
a kiolvasó egységbe léptetjük. Itt megmérjük a feszültséget,
amely arányos a fény erősségével, mely a pixelt
érte. A mért érték analóg mennyiség, amelyet a digitálissá
átalakítva tárolunk, és az majd számítógéppel dekódolva
ismét képpé alakítható.
A leírt eljárás egy adott szín sötét és világos foltjait
hozza létre, a felvételnek a 21. században viszont természetesen
színesnek kell lennie. Ehhez három különálló
képet kell egyszerre létrehozni, egy pirosat, egy zöldet és
egy kéket. Ennek a három színnek a keveredéséből az
összes többit létre lehet hozni.
A pixelek fölé színszűrőket helyezve jönnek létre a
különböző színű képek. Ezeket a részképeket egyesítve
hozzuk létre a színes fényképeket (6. ábra). Az egyes
pixelek fölé egy-egy mikrolencsét is elhelyezünk, így is
növelhetjük a kamera fényérzékenységét.
Milyen egyéb előnyei vannak a digitális fényképezésnek?
A CCD nagyobb frekvenciatartományban érzékeny,
mint a film, azaz olyan hullámhosszakat is "láthatunk"
vele, amelyeket szabad szemmel nem. (Kísérleti javaslat:
szemléljük a televízió távirányítóján lévő kis infralámpát
a digitális fényképezőgépen keresztül. Így megnézhetjük
a távirányító által kibocsátott "morze"-jeleket. Ezt az érzékenységet
használják ki a csillagászati műszerekben arra,
hogy a közönséges filmekkel nem érzékelhető hullámtartományokban
is készítsenek felvételeket a Világegyetemről.)
Ez teszi azt is lehetővé, hogy szürkületben is fényképezhessünk
vaku nélkül, mivel a CCD fényérzékenységét
elektronikusan is beállíthatjuk.
A digitális fényképezőgépekkel készített képeken az
eddigieknél sokkal könnyebben végezhetünk utómunkálatokat,
szerkeszthetjük a képeket, változtathatunk a fényviszonyokon.
A szerkesztőprogramok segítségével fényképeinket
érdekes effektusokkal tehetjük izgalmassá. Lehetnek,
akik kifogásolják azt, hogy ezeken a képeken
szinte bármit lehet módosítani, több képet egyesíteni,
képrészleteket eltüntetni, máshonnan a képre másolni.
Nagy előnye a digitális formában létrehozott képeknek
a könnyű továbbíthatóság. Mivel a képeket elektronikus
jelek sorozataként tároljuk, átalakítás nélkül lehet
őket egymásnak elküldeni. Ebben segítenek a különböző
tömörítési eljárások is.
Az elkészült fényképet a gép kis monitorán azonnal
láthatjuk, így azonnal megismételhetjük, ha nem sikerült.
Ez a lehetőség kísérletezésre is módot ad. Ebben az is
segítségünkre lehet, hogy nem kell a filmmel takarékoskodni,
ha valami rossz lett, akkor egyszerűen törölhető.
A képeket közvetlenül szemlélhetjük monitoron, tvkészüléken,
a jól sikerülteket kinyomtathatjuk a labormunkákat
megspórolva. Ez nem mindenki szemében
előny, a fotóamatőröknek a laboratóriumi munka örömet
okoz, a művészi önkifejezés lehetőségét jelenti, és még
sokáig fognak a hivatásos művészek is ragaszkodni a
hagyományos fényképezőgépeikhez.
A cikkhez használt ábrákat a Magyar Csillagászati Egyesület
honlapjáról (www.mcse.hu/ccd) a szerző, Fűrész Gábor
szíves engedélyével vettem át.
Ujvári Sándor
