Лекція 15

РОЗДІЛ ТЕХНОЛОГІЯ ФОТОРЕЄСТРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ НА СРІБНИХ МАТЕРІАЛАХ

§1. Цифрова фотографія. Реєстрування світлового сигналу

Розглянемо не срібні фотографічні процеси та матеріали, де зображення утворюється внаслідок фізичних змін світлочутливого середовища, та які базуються на хімічних перетвореннях.

Розвиток технології фотографічного запису світлової інформації на не срібних матеріалах призвів до появи електронної, т. зв. Цифрової фотографії.

Сучасна цифрова фотографія розвивається завдяки використанню різних технологій, спільною рисою яких є запис зображення без застосування фотоплівок.

Перша цифрова камера марки MAVICA – Magnetic Video Camera (магнітна відеокамера) була сконструйована у 1981 році фірмою SONY. Вона виконувала ті ж функції, що і звичайний фотоапарат, лише як світлочутливі елементи застосовувались прилади з зарядним зв’язком. Зображення зберігалися на двохдюймових гнучких дисках.

Для реєстрування оптичного зображення розроблені компоненти:

- носій даних про зображення (міні-дискета);

- апарат, подібний до 35-мм дзеркал фотоапарата;

- пристрій для зчитування інформації з дискет;

- принтер?? для виготовлення копій на папері;

- пристрій для передавання зображень телефонними лініями.

Розповсюдженню цифрової фотографії сприяло також те, що на перших порах не розробляли нові конструкції фотоапаратів, а пристосовували старі моделі, розміщуючи на їх задній стінці відповідні пристрої для реєстрування та оцифровування інформації.

Елементи сучасних цифрових реєструючи пристроїв :

- матриця світлочутливих елементів (світлочутливе середовище);

- модуль пам’яті (реєструючий елемент);

- аналого-цифровий перетворювач (сполучна ланка між двома першими елементами).

У цифровій (електронній) фотографії сенсори світлочутливої матриці реагують на світло, їх реакція описується аналого-цифровим перетворювачем і у цифровій формі реєструється в модулі пам’яті.

Як світлочутливі сенсори у цифровій фотографії використовуються два типи напівпровідників: ПЗЗ (прилад з зарядним зв’язком), КМОН (комплементарний метал-оксидний напівпровідник), робота яких ґрунтується на властивостях напівпровідників під дією світла генерувати заряди.

Прилади з зарядним зв’язком, ССD (Charge Coupled Device) винайдені у 1969 році, належать до класу твердо тільних напівпровідникових приймачів.

Принцип реєстрування сигналу пристроями з зарядним зв’язком полягає у наступному: сформоване об’єктивом зображення потрапляє на поверхню світлочутливих елементів. Світлочутливий елемент – кремнієва основа р-типу, де основні заряди є дірки, вільних електронів дуже мало. Над основою вмонтовані електроди з полікристалічного кремнію (кремній отриманий з газової фази), що віддалений від напівпровідника ізолюючим шаром оксиду кремнію.

При подаванні на один з трьох електродів комірки трифазного ПЗЗ невеликого позитивного потенціалу в товщі напівпровідника р-типу дірки відтісняються в глибину кристалу, в результаті чого створюється зона, збіднена на основні носії заряду, – потенційна яма. Величина (глибина) ями залежить від напруги на електроді.

При попаданні світла на поверхні ПЗЗ-елемента фотон, що не відбився від поверхні елемента та не пробив його робочу зону наскрізь, поглинається напівпровідниковим елементом та взаємодіє з атомами кристалічної гратки.

Внаслідок цієї взаємодії генерується пара носіїв заряду – електрон і дірка. Це є внутрішній фотоефект.

 

1- основа р-типу;

2- полікристалічний кремнієвий електрод;

3- шар оксиду кремнію;

4- потенційна яма.

Електростатичне поле в елементарній комірці (пікселі) розтягує цю пару, витісняючи дірки у глибину кремнію.

Неосновні носії заряду, електрони, накопичуються у потенційній ямі під електродом з позитивним потенціалом. Тут вони можуть перебувати досить тривалий час, оскільки дірки у збідненій зоні відсутні і електрони не рекомбінують.

Чим більша яскравість світла, що потрапило на поверхню світлочутливого елемента, та час його дії; тим вищий заряд потенційної ями. Цей заряд фактично є прихованим зображенням?????????????? , яке необхідно зчитати, підсилити, перевести у цифрову форму та записати на модуль пам’яті.

У матрицях, що складаються з комплементарних метал-оксидних напівпровідників (КМОН), реєстрація оптичного сигналу та зчитування інформації з кожної елементарної комірки здійснюється за аналогічним принципом, а відмінність полягає у конструктивних особливостях самих комірок.

Кожна комірка складається з фотодіода та декількох транзисторів, які підсилюють сигнал, внаслідок чого відпадає потреба посилювати його на виході з послідовного реєстру зсуву. При цьому перетворення накопиченого у потенційній ямі заряду відбувається у кожному пік селі. Тоді з’являється можливість зчитувати дані як усієї матриці, так і окремих стовпців, рядків чи навіть окремих елементів, тоді відпадає потреба у всіх реєстрах зсуву та управляючих мікросхемах, що позитивно позначається на енергоспоживанні.

КМОН-сенсори здатні проводити обробку зображень, виділяти контури, здійснювати аналого-цифрові перетворення.

Недоліки КМОН:

- розпорошення?? світлової енергії, оскільки освітлюється транзистор, який не бере участь в утворенні прихованого зображення;

- значні шуми, необхідність їх усунення.

Елементи ПЗЗ або КМОН не мають вибіркової світлочутливості до зон спектра. Для реєстрування одноколірних складових розроблені певні методи з використанням відповідних оптичних пристроїв, наприклад, світлофільтрів у вигляді тонкої плівки, забарвленої в один з кольорів – синій, зелений або червоний, та розташований на поверхні кожного сенсора.

Кожний елемент матриці отримує світло, що пройшло крізь певний світлофільтр, тобто сприймає випромінювання однієї з трьох зон видимого спектра. Інформація про дві інші зони спектра для кожної елементарної комірки розраховується за інтерполяційним алгоритмом у процесі опрацювання зображення програмним забезпеченням цифрового реєструю чого пристрою на основі аналізу інформації про світловий сигнал, зареєстрований сусідніми пік селями.

Для кожного пікселя?? – одна складова кольору зображення – реальна, дві інші – розраховані масштабно.

Людське око – найчутливіше до зеленої зони спектра, тож половина пікселів вкрита зеленим (G) світлофільтром; чверть – синім (В); чверть – червоним (R)/

Такі світлофільтри складають RGB-сітку Байєра.

Інший спосіб реєстрування одноколірних складових повно колірного зображення є застосування мультиматричної системи.

Світло, що пройшло крізь об’єктив розкладається призмою у спектр. Кожна третина видимого спектру проектується на одну з трьох матриць світлочутливих елементів. При цьому вся зареєстрована інформація про колір – реальна, немає потреби в інтерполяційному розрахунку окремих даних про колір для кожного з пікселів. Якість оцифрованого зображення найвища, але конструкція фотоапарату – дорожча.

Інший спосіб реєстрування кольорових променів – сенсор ХЗ, що складається з трьох шарів, у кожному з яких фотоефект викликають лише фотони певної частоти (довжини хвилі), котрі мають різну проникність здатність. У фотодіодах чергуються зони провідності першого та другого типів, розміщуючись одна під одною на характерних глибинах для уловлювання фотонів синього, зеленого, червоного кольорів.

 

У кожному з шарів реєструється світловий сигнал однієї третьої видимого світла, і один універсальний приймач реєструє інформацію про всі три компоненти елементарної частини зображення (піксела).

Це найбільш перспективна розробка, оскільки зменшує наслідки розпливання зображення (блюмінг-перетікання заряду за межі потенційної ями малої глибини у сусідні пік селі, що призводить до спотворення інформації і про яскравість, і про колір піксела) та пограничний ефект при різких змінах контрасту деталей, які виникають при використанні інтерполяційного алгоритму.

 

?Електрофотографічні процеси і матеріали

Термін “електрофотографія” об’єднує різні фотографічні процеси, у яких використовується явище фотопровідності напівпровідників та діелектриків.

До цієї категорії фотопроцесів належать різні варіанти, які відрізняються як за технологією створення, так і за способом візуалізації прихованого зображення.

Існує два близьких види електрофотографії:

- ксерографія, яка полягає в отриманні електростатичного зображення у вигляді поверхневого розподілу зарядів;

- електрографія на фото електретах???? , тобто середовищах зі стійкою внутрішньою поляризацією, де приховане зображення набуває форми електричної поляризації названих видів електрофотографії.

Спільного у них є те, що приховане зображення може проявлятися одним і тим самим способом.

Найбільш розповсюджений спосіб – ксерографія, яка в копіювально-розмножувальних процесах майже повністю витіснила всі інші процеси, у тому числі і срібну фотографію.

Суть електрофотографічного запису інформації полягає в тому, що світловий сигнал змінює електричні властивості світлочутливого шару (заряду, потенціалу, сили струму і т.п.),що і формує приховане зображення, яке візуалізується спеціальним зарядженим носієм. Для візуалізації його можуть бути використані різні фізичні і хімічні методи, які забезпечують досить стабільні зображення: осадження тонера,деформація зарядженого шару, перенесення заряду з наступним осадженням тонера, реакція під дією струму та ін..

Під час електрофотографічного процесу зображення отримують на світлочутливих матеріалах, які щонайменше складаються з електропровідної основи та високоомного фотопровідника (аморфного селену, оксиду цинку в зв’язуючому, тощо). Проте не всі фотонапівпровідникові речовини придатні для електрофотографії. Визначальним є величина питомого опору, від якої залежить здатність утримувати певний електричний потенціал в умовах відсутності світла.

У ксерографії застосовують речовини з питомим темновим опором близько 10¹⁵ Ом/см, що під дією світла повинен знижуватися до значення 10¹⁰÷10¹² Ом/см. Ступінь (рівень) здатності зменшувати темновий опір шару під дією світла, характеризує його фотоелектричну чутливість.

Очутливлюють напівпровідниковий шар шляхом нанесення електричного заряду, який утримується на його поверхні протягом певного часу. Після експонування на ньому утворюється приховане зображення у вигляді нерівномірно розподілених по поверхні електричних зарядів, які певним чином візуалізуються.

Технологія типового ксерографічного процесу складається з наступних стадій:

- електризація напівпровідникового шару, тобто його сенсибілізація або перетворення напівпровідникового покриття в світлочутливий електрофотографічний шар;

- експонування сенсибілізованого шару для отримання прихованого зображеня у вигляді потенціального рельєфу;

- проявлення прихованого зображення осадженням дрібних частинок барвника з протилежним до зображення зарядом;

- перенесення порошкового зображення з напівпровідникового шару на не світлочутливий матеріал (папір);

- закріплення видимого зображення в основному шляхом його часткового розплавлення.

Досягнення в електрофотографії значною мірою обумовлені успіхами в створенні електрофотографічних матеріалів (ЕФ).

Використання ЕФ матеріалів зв’єязано з чутливістю ЕФ-матеріалів та розширення їх спектральної чутливості через структурну сенсибілізацію за рахунок зміни молекулярної і надмолекулярної структур, а також способами хімічної, спектральної та ?? селекційної сенсибілізації.

За спектральною сенсибілізацією виділяють:

- матеріали, чутливі до УФ-випромінювання (нечутливі до денного світла);

- орто-, пан-, інфрахроматичні;

За призначенням:

- з високою і низькою роздільною здатністю;

За типом основи:

- матеріали з гнучкою і жорсткою основою;

За кількістю шарів:

- одношарові і багатошарові;

За структурою шару:

- гомогенні і гетерогенні;

За типом фото провідника і т. п.

 

§2. Сенсибілізація (зарядження) електрофотографічних шарів

Високоомні фотопровідникові шари не є світлочутливими. Для надання світлочутливості їх електризують шляхом електростатичного зарядження. Суть способу полягає в осадженні на поверхні того чи іншого покриття позитивних або від’ємних іонів, які виникають при іонізації газу або повітря в електричному полі залежно від знаку потенціалу на коронуючому електроді.

Короткий заряд створюється поміж заземленою пластиною та електродом спеціального пристрою – коротрона, який під’єднано до джерела струму з високою напругою (5÷15кВ).

В електрофотографії для зарядження шару використовують дріт діаметром 0,02÷0,1 мм або металеві щітки. Рівномірність зарядження з потрібною щільністю здійснюється шляхом рівномірного переміщення електризатора до напівпровідникового шару або навпаки. Для рівномірності заряду між електризатором і шаром встановлюють екрануючу сітку, яка запобігає нанесенню надлишкового заряду автоматичним припиненням заряджання у випадку, коли потенціал шару є вищим від екрану.

Заряджений світлочутливий шар – плоский конденсатор, де діелектричне середовище – високоомний напівпровідник, а обкладинки – заряди, з одного боку, на поверхні шару, а з другого – на межі розподілу підкладка – шар.

Такий шар знаходиться в сильному електричному полі.