Richard Hijmering

Halve Nobelprijs voor de uitvinders van de camerasensor

vrijdag 11 december 2009, 19:43 door | 8.761x gelezen | 2 reacties

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!

Nobelprijs


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.

Notities
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.

Licht vangen
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 ÚÚn voor ÚÚn uitgelezen door een elektronisch circuit en wordt er aan elke pixel een waarde, gelijk aan de lading en dus de hoeveelheid geabsorbeerde fotonen, toegekent.

Vereenvoudige CCD
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.

Bayer filter
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.

Richard in CCD
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!

Wil jij ook gave foto's maken?

Probeer twee weken gratis onze online cursussen over fotografie. Je krijgt direct toegang tot meer dan 100 cursussen. Na twee weken vervalt je proeflidmaatschap automatisch. Je zit dus nergens aan vast.

14 dagen gratis fotografiecursussen kijken

Richard Hijmering

Over de auteur

Richard is natuurkundige en fotografeert met een Nikon D70 en een analoge Nikon FM2n. Foto's door Richard kunt u bekijken op zijn website.

2 reacties

  1. Ruud
    Profiel Ruud schreef op zaterdag 12 december 2009 om 09:51

    Knap werk, had ik zelf nooit bedacht!!....knipoog
    In iedergeval erg bedankt voor deze ontdekking, anders waren er heel veel dingen nu niet geweest....waaronder dit weblog.

  2. Marcel Wiegerinck
    Profiel  Marcel Wiegerinck schreef op zondag 13 december 2009 om 14:51

    Ja ben er ook erg blij mee moet ik zeggen.

Deel jouw mening

Let op: Op een artikel ouder dan een week kan alleen gereageerd worden door geregistreerde bezoekers.
Wil je toch reageren, log in of registreer je dan gratis.
Cursus Luminar AI met Nando Harmsen
Masterclass Landschapsfotografie met Bas Meelker
Toon alle artikelen binnen Wetenschap

Photofacts wordt mede mogelijk gemaakt door


Ontvang wekelijks fotografietips in je inbox

48.161 fotografie enthousiastelingen ontvangen de tips al!
Meer over de wekelijkse mail. Of blijf op de hoogte via Facebook. Aanmelding beveiligd met Google reCaptcha.

Elja Trum

Elja Trum

Photofacts; alles wat met fotografie te maken heeft!

Wil je graag mooiere foto's maken en op de hoogte blijven van ontwikkelingen binnen de fotografie? Photofacts plaatst leerzame artikelen die gerelateerd zijn aan fotografie. Variërend van product-aankondiging tot praktische fotografietips of de bespreking van een website. Photofacts bericht dagelijks over fotografie en is een uit de hand gelopen hobby project van Elja Trum. De artikelen worden geschreven door een team van vrijwillige bloggers. Mocht je het leuk vinden om een of meerdere artikelen te schrijven op Photofacts, neem dan contact op.Meer over Photofacts
Om Photofacts.nl goed te laten functioneren maken we gebruik van cookies. Bekijk ons cookiebeleid. akkoord