Прикладная фотохимия (стр. 2 из 7)

Фотография

Фотография - получение и сохранение статичного изображения на светочувствительном материале (фотоплёнке или фотографической матрице) при помощи фотокамеры.

В зависимости от принципа работы светочувствительного материала фотографию принято делить на три больших подраздела:

- Плёночная фотография — основана на фотоматериалах, в которых происходят фотохимические процессы.

- Цифровая фотография — в процессе получения и сохранения изображения происходят перемещения электрических зарядов (обычно в результате фотоэффекта и при дальнейшей обработке), но не происходит химических реакций или перемещения вещества.

- Электрографические и иные процессы, в которых не происходит химических реакций, но происходит перенос вещества, образующего изображение. Специального общего названия для этого раздела не выработано, до появления цифровой фотографии часто употреблялся термин «бессеребряная фотография».

Цифровая фотография

В цифровых фотоаппаратах светочувствительным элементом является ПЗС (прибор с зарядной связью) - матрица, состоящая из светочувствительных полупроводниковых элементов (множество кремниевых диодов). Падающий на матрицу свет заряжает каждый из элементов (пикселей) индивидуально; эта зарядка в дальнейшем соответствует электрическому импульсу, и таким образом получаются данные (в цифровой форме) об освещённости каждого из пикселей. Поскольку невозможно записать полностью информацию обо всем изображении, то в дальнейшем оно подвергается обработке программным обеспечением для восстановления потерянных данных и записывается на магнитных носителях. Таким образом, цифровая фотография есть комбинация работы ПЗС матрицы, программного обеспечения и карт памяти, заменяющих плёнку в аналоговом фотоаппарате.

ПЗС – матрица не больше ногтя на пальце (примерно 1.5 см по диагонали), содержащая несколько миллионов светочувствительных диодов, расположенных на поверхности матрицы в виде столбцов и колонок.

Поскольку диоды реагируют только на яркость, цифровой фотоаппарат может воспроизвести лишь чёрно-белое изображение. Для того чтобы преобразовать полученное чёрно-белое изображение в цветное, каждая ячейка (диод) покрывается красным, зелёным или синим цветовым фильтром; фильтры собраны в группы по четыре, причём на два зелёных приходится по одному красному и одному синему (такой тип организации фильтров называется "шаблоном Байера"). Подобная структура обусловлена тем, что человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёному цвету. Полученная картинка состоит только из пикселей красного, синего и зелёного цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат).

Схема ПЗС с цветовыми фильтрами

Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселей. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Плёночная фотография

В качестве светочувствительного элемента в химической (плёночной, аналоговой) фотографии обычно используется галогенсеребряная плёнка - гибкий прозрачный лист пластика, на который нанесена фотоэмульсия, содержащая зёрна галогенидов серебра; в состав фотоэмульсии входит также защитный коллоид (обычно - фотографическая желатина).

Светочувствительные зерна галогенидов серебра на фотоплёнке

Первая стадия фотографического процесса - экспонирование фотоматериала светом и появление скрытого изображения. Под действием фотонов происходит восстановление галогенидов серебра; в микрокристаллах возникают центры скрытого изображения (устойчивые группы атомов восстановленного серебра). Их размер оценивается в 10^-7-10^-8 см, то есть лежит за пределами возможностей разрешения оптических микроскопов (именно поэтому изображение и называется "скрытым").

Сущность проявления (визуализации) скрытого изображения сводится к химическому восстановлению галогенидов серебра на освещённых участках фотоматериала. Специфика этого процесса состоит в том, что восстановитель должен действовать на облученные светом микрокристаллы намного быстрее, нежели на необлученные. Значительно большая скорость восстановления облученных кристаллов связана с тем, что образовавшиеся частицы металлического серебра оказывают каталитическое действие на реакцию химического восстановления. В результате проявления скрытое изображение "усиливается" в 10⁵...10¹¹ раз.

После проявления изображения следует стадия его закрепления (фиксирования). Для этого необходимо удалить с фотоматериала незасвеченные и потому не восстановленные проявителем кристаллы галогенида серебра. Цель достигается путём перевода малорастворимой в воде соли серебра в хорошо растворимую. Наиболее распространенным средством закрепления изображения является тиосульфат натрия Na₂S₂O₃. Его старое название – гипосульфит. Данная соль переводит галогенид серебра (например, NaBr) в растворимое комплексное соединение Na₃[Ag(S₂O₃)₂]. После обработки фиксажным раствором фотоматериал тщательно промывается водой.

В результате трех изложенных стадий фотопроцесса на фотопленке получается негативное изображение. Для создания позитивного изображения необходимо повторить процесс, освещая (обычно) фотобумагу через плёнку, на которой имеется негативное изображение.

В современной фотографии разработаны также способы получения прямого позитивного изображения.

Выводы

Цифровую и аналоговую фотографию можно сравнивать как с научной точки зрения (физико-химические основы получения изображений), так и с позиции пользователя, фотографа (качество полученных изображений, простота и доступность).

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что основное различие между цифровой и плёночной фотографией (с научной точки зрения) - использование разных светочувствительных элементов (галогенсеребряная плёнка и полупроводниковая матрица); именно этим и обусловлено дальнейшее расхождение процессов получения изображения (см. выше).

С точки зрения потребителя, наиболее удобным, доступным способом получения качественных изображений сегодня является, несомненно, цифровая фотография. Среди её основных достоинств:

- Простота получения и возможность обработки (на компьютере) изображений;

- Высокое качество снимков даже при использовании относительно недорогих цифровых фотоаппаратов (особенно в последние годы);

- Возможность хранения полученных изображений на компактных магнитных и оптических носителях;

- Возможность мгновенной передачи полученных изображений на большие расстояния (по сети Интернет).

Печатные формы (фоторезисты)

Фотолитография - метод получения рисунка на тонкой плёнке материала; широко используется в микроэлектронике и в полиграфии. Кроме того, это один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов. Для получения рисунка фотолитографическим методом используется свет определённой длины волны; минимальный размер деталей рисунка — половина длины волны (определяется дифракционным пределом). Стадии процесса фотолитографии:

- На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносится тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист.

- Производится экспонирование (облучение актиничным электромагнитным излучением) через фотошаблон.

- Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и удаляются химическим способом (процесс травления); также удаляются освобождённые от фоторезиста участки.

- Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста.

Светочувствительные материалы, применяемые в фотолитографии для формирования рельефного покрытия заданной конфигурации и защиты нижележащей поверхности от воздействия травителей, называют фоторезистами.

Как правило, фоторезист представляет собою композицию из светочувствительных органических веществ, плёнкообразователей (феноло-формальдегидные и др. смолы), органических растворителей и специальных добавок. Основные характеристики фоторезистов - светочувствительность, контрастность, разрешающая способность и теплостойкость. Кроме того, в зависимости от наличия в светочувствительных органических веществах тех или иных хромофорных групп, фоторезисты характеризуются различной спектральной чувствительностью:

видимая область спектра (400 - 800 нм), ближний (320 - 450 нм) и дальний (180 - 320 нм) ультрафиолет. Фоторезисты могут быть жидкими, сухими и пленочными; жидкие содержат 60-90% по массе органического растворителя, плёночные - менее 20%, а сухие обычно состоят лишь из светочувствительного вещества. Жидкие фоторезисты наносят на подложку центрифугированием, напылением или накаткой валиком, сухие - напылением и возгонкой, плёночные - накаткой. Последние имеют вид плёнки, защищённой с двух сторон тонким слоем светопроницаемого полимера, например полиэтилена. В зависимости от метода нанесения образуются слои толщиной 0,1-10 нм; наиболее тонкие слои (0,3-3,0 мкм) формируют из жидких фоторезистов методом центрифугирования или из сухих фоторезистов методом возгонки.

При экспонировании светочувствительный компонент фоторезиста претерпевает определённые фотохимические превращения, например подвергается фотополимеризации или разлагается с выделением газообразных продуктов; в зависимости от этого светочувствительное вещество закрепляется на засвеченных участках и не удаляется при последующем проявлении (негативные фоторезисты), либо, напротив, становится растворимым и удаляется при травлении (позитивные фоторезисты).