Halve Nobelprijs voor de uitvinders van de camerasensor

Als men op het moment de nobelprijs noemt dan denken velen direct aan de Nobelprijs voor de vrede welke dit jaar onder veel verbazing naar president Obama is gegaan. Maar er zijn natuurlijk nog meer varianten van de Nobelprijs waaronder de Nobelprijs voor Natuurkunde. En dit jaar valt deze in een gebied waar wij als hedendaagse fotografen een sterke link mee hebben!



De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar namelijk naar Charles Kao. Hij krijgt deze voor baanbrekend onderzoek in transport van optische fotonen in glasfibers. De prijs gaat daarnaast ook naar Willard Boyle en George E. Smith. Deze laatste twee zijn verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de Charged Coupled Device (CCD), of te wel de techniek welke ten gronde ligt van de lichtgevoelige chip in digitale camera's.

Als je geintereseerd bent in de werking van de CCD of als je niet kan slapen kan je hier verder lezen. Anderen kunnen direct doorgaan naar de laatste alinea.


Originele notities van Boyle en Smith tijdens een brainstorming sessie

In de zestiger jaren werkte Boyle en Smith bij AT&T Bell labs in de VS aan de ontwikkeling van de beeld telefoon. Zij ontwikkelden geheugen welke lading, in de vorm van elektronen, langs het oppervlak van een halfgeleider (materialen die tussen een geleider, bv metaal, en een isolator, bv glas, in liggen) kon transporteren. Al snel was duidelijk dat de elektronen ook in het halfgeleidermateriaal zelf konden worden opgewekt door middel van het fotoelektrisch effect. Bij dit effect zorgt een foton (lichtdeeltje) wat wordt geabsorbeerd ervoor dat er een electron vrij komt uit een van de schillen van een van de atomen in de halfgeleider.

Albert Einstein heeft voor de ontdekking van dit effect zijn Nobel prijs gekregen, en dus niet voor de algemene en speciale relativiteits theorie. Als er meer fotonen worden geabsorbeerd komen er meer electronen vrij en als je de electronen telt weet je dus hoeveel licht er op de halfgeleider is gevallen.


De verschillende potentialen (spanningen) in de CCD chip
om de electronen gevangen te houden in de pixels

Licht meten
De CCD bestaat uit een plaat halfgeleidermateriaal welke in meerdere elementen (pixels) is verdeeld. In deze pixels worden tijdens de opname de fotonen geabsorbeerd en komen electronen vrij. De elementen zijn omringt door een gedeelte met een hogere elektrische spanning (potentiaal) waardoor de elektronen op hun plek blijven en niet kunnen ontsnappen naar naastliggende pixels.

Als de opname voorbij is word stapsgewijs de spanning gewisseld waardoor de lading in de rijen pixels naar de zijkant van de chip word getransporteerd, als een surfer op een golf. Als de lading de zijkant bereikt word in de laatste kolom de spanningen gewisseld zodat alle lading naar de hoek van de chip word getransporteerd. Daar wordt deze één voor één uitgelezen door een elektronisch circuit en wordt er aan elke pixel een waarde, gelijk aan de lading en dus de hoeveelheid geabsorbeerde fotonen, toegekent.


Simpele representatie van de CCD (credits to S. Tulloch)

De simpelste analogie is meerdere rijen van emmers (de pixels) op loopbanden naast elkaar. Als het regent (druppels zijn fotonen) dan lopen de emmers langzaam vol. Na een tijd worden de loopbanden naar de zijkant bewogen en meet je hoeveel water er in elke emmer is gevallen. Als je de gemeten waardes op de juiste manier weer naast elkaar zet krijg je een intensiteitsplot, of te wel een foto.


Schematisch voorbeeld van een Bayer filter voor een CCD

Kleuren bepalen
Maar op deze manier weet je alleen hoeveel licht er is opgevangen in elke pixel maar niet welke kleur het licht heeft. Of te wel het resultaat is in zwart-wit en onze foto's zijn toch echt in kleur. Dat doe je door verschillende kleurfilters voor de pixels te zetten. Zo weet je dat in een pixel met een rood filter ervoor alleen maar rood licht word geabsorbeerd. Bij de digitale camera word er een Bayer filter voor de CCD geplaatst waardoor in naastgelegen pixels andere kleuren licht word opgevangen. Nu weet je precies hoeveel rood, groen en blauw licht er op een gebied valt en kan je dus je kleurenfoto herconstrueren.


Uw schrijver weerspiegeld in de CCD chip van een van de astronomische camera's
van de William Herschel Telescoop.

Vanwege de gevoeligheid, nauwkeurigheid en gebruikersgemak werd de CCD al snel als vervanging van de fotografische plaat gebruikt in de astronomie. Maar tegenwoordig worden ze overal gebruikt waarmee een beeld moet worden opgenomen, zoals telefoons, webcams, filmcameras en antuurlijk onze vertrouwde digitale spiegelreflex.

Dus gefeliciteerd Boyle en Smith met de welverdiende Nobelprijs!