Nobelovka za CCD

Willard S. Boyle a George E. Smith dostali letos Nobelovu cenu za objev z roku 1969. Bez něho by digitální fotografie neexistovala v té podobě, jak ji známe – byl to objev CCD, patent číslo 3,858,232.

CCD neboli charge-coupled device je analogové zařízení, které v principu slouží k přenosu analogového elektrického náboje řadou buněk k výstupu, tedy sběrnici analogového náboje. Původně se technici Bellových laboratoří snažili vyvinout paměťové zařízení. Na rozdíl od jiných typů paměti CCD reaguje na světlo. Jak?

Využívá se schopnosti křemíku přeměnit energii světla (dopadajících fotonů) na energii elektrickou (elektrický n náboj). Velikost náboje odpovídá množství fotonů, takže čím víc světla, tím větší náboj. Je to tedy informace o množství světla – samozřejmě analogová, není vyjádřena číslem (jako třeba pytlík mouky je analogová veličina, kdežto kilo mouky je číselná čili digitální veličina. K přeměně dochází v tzv. fotodiodách. Na moderním CCD jich jsou doslova milióny, tedy „mega“. Ve fotohantýrce se jim říká pixely, jde tedy o mióny pixelů čili megapixely.

Jenže každý ta fotodioda – představme si ji jako nádobku – může sloužit nejen k vytvoření elektrického náboje působením světa. Ona může posloužit i jako jakási zásobárna elektrického náboje přestěhovaného ze sousední fotodiody. Ten proces „stěhování“ se někdy přirovnává ke starému kyblíkovému způsobu hašení: lidi si podávali kbelíky z ruky do ruky a voda takhle putovala celou tou řadou až na konec – k ohni, ke „sběrnici“.
Jak ale přestěhovat elektrický náboj? Jak ho proměnit v obsah kbelíku?
K tomu se využívá vlastnosti polovodičů: ty dovedou za určitých okolností být vodivé a za jiných okolností fungují jako izolace. Ty „jiné okolnosti“ se navodí zas elektricky. Každá ta buňka je složitá struktura složená z několika elektrod. V nich se podle rytmu udávané hodinami mění napětí, díky čemuž přitahují nebo odpuzují vybuzená elektrický náboj. Hodinově řízeným střídáním napětí na elektrodách se elektrický náboj stěhuje z místa kde vznikl až na sběrnici – a odtud na zesilovač a po zesílení do analog – digitálního převodníku, kde je jeho doposud analogové množství vyjádřeno číselnou hodnotou: dochází k jeho digitalizaci.

První digitální fotoaparáty přišly na trh v roce 1996. Od vynálezu k praktickému použití tedy vedla dlouhá cesta – a její délka napovídá o složitosti tohoto zařízení. Vývoj zdaleka nekončí – zdá se, že pomalu ustává nesmyslný hon za počtem megapixelů a úsilí se soustřeďuje na jiné oblasti, zejména omezení sumu a zvýšení schopnosti vykreslovat podrobnosti jak ve stinných, tak vysoce osvětlených oblastech scény.

Willard S. Boyle a George E. Smith dostali letos Nobelovu cenu za objev z roku 1969. Bez něho by digitální fotografie neexistovala v té podobě, jak ji známe – byl to objev CCD, patent číslo 3,858,232.

CCD neboli charge-coupled device je analogové zařízení, které v principu slouží k přenosu analogového elektrického náboje řadou buněk k výstupu, tedy sběrnici analogového náboje. Původně se technici Bellových laboratoří snažili vyvinout paměťové zařízení. Na rozdíl od jiných typů paměti CCD reaguje na světlo. Jak?

Využívá se schopnosti křemíku přeměnit energii světla (dopadajících fotonů) na energii elektrickou (elektrický n náboj). Velikost náboje odpovídá množství fotonů, takže čím víc světla, tím větší náboj. Je to tedy informace o množství světla – samozřejmě analogová, není vyjádřena číslem (jako třeba pytlík mouky je analogová veličina, kdežto kilo mouky je číselná čili digitální veličina. K přeměně dochází v tzv. fotodiodách. Na moderním CCD jich jsou doslova milióny, tedy „mega“. Ve fotohantýrce se jim říká pixely, jde tedy o mióny pixelů čili megapixely.

Jenže každý ta fotodioda – představme si ji jako nádobku – může sloužit nejen k vytvoření elektrického náboje působením světa. Ona může posloužit i jako jakási zásobárna elektrického náboje přestěhovaného ze sousední fotodiody. Ten proces „stěhování“ se někdy přirovnává ke starému kyblíkovému způsobu hašení: lidi si podávali kbelíky z ruky do ruky a voda takhle putovala celou tou řadou až na konec – k ohni, ke „sběrnici“.
Jak ale přestěhovat elektrický náboj? Jak ho proměnit v obsah kbelíku?
K tomu se využívá vlastnosti polovodičů: ty dovedou za určitých okolností být vodivé a za jiných okolností fungují jako izolace. Ty „jiné okolnosti“ se navodí zas elektricky. Každá ta buňka je složitá struktura složená z několika elektrod. V nich se podle rytmu udávané hodinami mění napětí, díky čemuž přitahují nebo odpuzují vybuzená elektrický náboj. Hodinově řízeným střídáním napětí na elektrodách se elektrický náboj stěhuje z místa kde vznikl až na sběrnici – a odtud na zesilovač a po zesílení do analog – digitálního převodníku, kde je jeho doposud analogové množství vyjádřeno číselnou hodnotou: dochází k jeho digitalizaci.

První digitální fotoaparáty přišly na trh v roce 1996. Od vynálezu k praktickému použití tedy vedla dlouhá cesta – a její délka napovídá o složitosti tohoto zařízení. Vývoj zdaleka nekončí – zdá se, že pomalu ustává nesmyslný hon za počtem megapixelů a úsilí se soustřeďuje na jiné oblasti, zejména omezení sumu a zvýšení schopnosti vykreslovat podrobnosti jak ve stinných, tak vysoce osvětlených oblastech scény.