Co je to CCD

Mluvme nejdříve obecně o obrazových senzorech. CCD stejně jako jeho druh CMOS je totiž obrazový senzor, tedy zařízení citlivé na světlo, generující obraz. Jeho funkce je tedy stejná, jako funkce citlivé vrstvy v klasické fotografii (políčko filmu, fotografická deska). Technicky ale nemá s filmem nic společného.

Jsou to malé destičky obsahující polovodičové buňky citlivé na světlo. Každá z nich má schopnost převádět energii dopadajícího světla na elektrický náboj. Čím větší energie světla, tím větší náboj. Na ploše snímače jich jsou milióny (proto mluvíme o „megových“ přístrojích, dvoumegových, pětimegových, osmimegových – kolik mega, tolik miliónů). Tyto náboje pak jsou odváděny k dalšímu zpracování postupně až do procesoru, který z nich vygeneruje obraz.

Zkusme si to názorně přiblížit.
Představme si je zvětšené – jako plato, na němž je vedle sebe naskládáno veliké množství skleniček, jedna vedle druhé (obrázek vlevo). Před začátkem fotografování, tedy před začátkem expozice jsou prázdné. Je to něco podobného, jako když v naprosté tmě uvnitř aparátu čeká na osvit nové políčko filmu – tam ovšem místo polovodičových buněk jsou mikroskopická zrnka halových sloučenin stříbra. Prakticky jde o totéž, jenom technická realizace je jiná. Pak stiskneme spoušť a aktivujeme závěrku. Na dobu vymezenou expozičním automatem nebo naším manuálním nastavením začnou dovnitř objektivem vnikat světelné paprsky. Pro názornost si zobrazíme paprsky odražené ze stinných míst jako krátké linky, paprsky odražené jako delší linky: představme si, že to jsou řady elementů světla, fotonů – jako kdyby světlo teklo (obrázek vpravo). Všimněte si, že do některých skleniček „tečou“ kratší „proudy“ fotonů a někde jsou proudy delší. Jsou to fotony, které přicházejí skrz objektiv z více osvětlenýchčástí obrazu. Co udělají tyto fotony, částice světla?
Na filmu narážejí do krystalů halových sloučenin stříbra a způsobí změny v jejich struktuře, které pak způsobí, že se ve vývojce krystal zvětší, je pak vidět a stane se zrnem negativu, tedy jakýmsi pixelem. Na CCD dojde k něčemu obdobnému. Fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů. Toto je vidět na třetím obrázku vlevo. Červená tekutina ve skleničkách, to je ono množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů. Množství fotonů a množství elektronů je tedy podobné, analogické. To je důležité zjištění, pořád totiž ještě nejsme u ničeho digitálního! CCD snímače takto fungují už pětadvacet let ve videokamerách!

Abychom se dostali k digitálnímu záznamu, je třeba, aby se množství „tekutiny“, tedy velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světa, změřila a vyjádřila číselnou hodnotou. No a to vidíme na čtvrtém obrázku vpravo. Zde už jsou čísla, samozřejmě „obyčejná“. Jenže to už je jednoduché převést naše běžná čísla do dvojkové soustavy, na sled nul a jedniček, jimž počítače rozumějí. Ještě si řekněme, že v CCD prvku se obsah „skleniček“ – čili náboj v buňkách – měří či skenuje po řadách. Buď nejdříve všechny liché a pak všechny sudé, to je prokládaný sken, anebo postupně, a to je potom progresivní sken.

Tímto procesem jsme změřili světlo co do jeho intenzity. Je jasné, že tam, kde je na fotografované předloze tma, „sklenička“ se nenaplní, v buňce žádný náboj nevznikne, bude to černá buňka, tedy černý pixel. Tam kde je maximální jas, vznikne pixel bílý. Jsme tedy u černobílého obrazu. Jak je to s obrazem barevným si řekneme v následující kapitole.

Mluvme nejdříve obecně o obrazových senzorech. CCD stejně jako jeho druh CMOS je totiž obrazový senzor, tedy zařízení citlivé na světlo, generující obraz. Jeho funkce je tedy stejná, jako funkce citlivé vrstvy v klasické fotografii (políčko filmu, fotografická deska). Technicky ale nemá s filmem nic společného.

Jsou to malé destičky obsahující polovodičové buňky citlivé na světlo. Každá z nich má schopnost převádět energii dopadajícího světla na elektrický náboj. Čím větší energie světla, tím větší náboj. Na ploše snímače jich jsou milióny (proto mluvíme o „megových“ přístrojích, dvoumegových, pětimegových, osmimegových – kolik mega, tolik miliónů). Tyto náboje pak jsou odváděny k dalšímu zpracování postupně až do procesoru, který z nich vygeneruje obraz.

Zkusme si to názorně přiblížit.
Představme si je zvětšené – jako plato, na němž je vedle sebe naskládáno veliké množství skleniček, jedna vedle druhé (obrázek vlevo). Před začátkem fotografování, tedy před začátkem expozice jsou prázdné. Je to něco podobného, jako když v naprosté tmě uvnitř aparátu čeká na osvit nové políčko filmu – tam ovšem místo polovodičových buněk jsou mikroskopická zrnka halových sloučenin stříbra. Prakticky jde o totéž, jenom technická realizace je jiná. Pak stiskneme spoušť a aktivujeme závěrku. Na dobu vymezenou expozičním automatem nebo naším manuálním nastavením začnou dovnitř objektivem vnikat světelné paprsky. Pro názornost si zobrazíme paprsky odražené ze stinných míst jako krátké linky, paprsky odražené jako delší linky: představme si, že to jsou řady elementů světla, fotonů – jako kdyby světlo teklo (obrázek vpravo). Všimněte si, že do některých skleniček „tečou“ kratší „proudy“ fotonů a někde jsou proudy delší. Jsou to fotony, které přicházejí skrz objektiv z více osvětlenýchčástí obrazu. Co udělají tyto fotony, částice světla?
Na filmu narážejí do krystalů halových sloučenin stříbra a způsobí změny v jejich struktuře, které pak způsobí, že se ve vývojce krystal zvětší, je pak vidět a stane se zrnem negativu, tedy jakýmsi pixelem. Na CCD dojde k něčemu obdobnému. Fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů. Toto je vidět na třetím obrázku vlevo. Červená tekutina ve skleničkách, to je ono množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů. Množství fotonů a množství elektronů je tedy podobné, analogické. To je důležité zjištění, pořád totiž ještě nejsme u ničeho digitálního! CCD snímače takto fungují už pětadvacet let ve videokamerách!

Abychom se dostali k digitálnímu záznamu, je třeba, aby se množství „tekutiny“, tedy velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světa, změřila a vyjádřila číselnou hodnotou. No a to vidíme na čtvrtém obrázku vpravo. Zde už jsou čísla, samozřejmě „obyčejná“. Jenže to už je jednoduché převést naše běžná čísla do dvojkové soustavy, na sled nul a jedniček, jimž počítače rozumějí. Ještě si řekněme, že v CCD prvku se obsah „skleniček“ – čili náboj v buňkách – měří či skenuje po řadách. Buď nejdříve všechny liché a pak všechny sudé, to je prokládaný sken, anebo postupně, a to je potom progresivní sken.

Tímto procesem jsme změřili světlo co do jeho intenzity. Je jasné, že tam, kde je na fotografované předloze tma, „sklenička“ se nenaplní, v buňce žádný náboj nevznikne, bude to černá buňka, tedy černý pixel. Tam kde je maximální jas, vznikne pixel bílý. Jsme tedy u černobílého obrazu. Jak je to s obrazem barevným si řekneme v následující kapitole.