A Nabíjecí zařízení (CCD) je pozoruhodná elektronická komponenta používaná k zachycení obrázků přeměnou světla na elektrické signály. Jeho vynález znamenal významný milník v technologii, ovlivňoval pole, jako je fotografie, astronomie, medicína a mnoho dalších.
Co je CCD?
V době, kdy byla vynalezena v roce 1969, byla CCD průkopnickou technologií, která přeměnila světlo na elektrické signály pomocí řady kondenzátorů, které v sekvenci přenesly elektrické náboje. Technologie CCD dnes v zásadě transformovala, jak zachycujeme, analyzujeme a sdílíme vizuální informace, což představuje jeden z nejdůležitějších technologických pokroků 20. století.
CCD se skládá z integrovaného obvodu složeného z řady malých obrázkových prvků zvaných pixely. Každý pixel působí jako malý světelný senzor, který shromažďuje fotony (částice světla) a přeměňuje je na elektrické náboje. Tyto poplatky se poté přenášejí přes zařízení, jeden pixel po druhém, aby se čte a zpracovávali do digitálního obrazu.
Představte si mřížku, kde každý malý čtverec zachycuje nějaké světlo a změní ji na elektrický signál, který lze měřit a zobrazit jako součást úplného obrázku. To je to, co CCD dělá.
Jak bylo vynalezeno CCD?
Willard Boyle a George Smith v Bell Telefon Laboratories v New Jersey v USA vynalezli první CCD v roce 1969 (Smith zemřel 28. května 2025.) Zpočátku pracovali na používání polovodičové technologie k vytváření nových typů paměťových zařízení. Během brainstormingové relace si uvědomili, že elektrický náboj lze uložit a přesunout na malé kondenzátory uspořádané těsně u sebe.
Boyle a Smith přišli s myšlenkou připojit tyto kondenzátory způsobem, který umožnil posunout elektrické náboje podél zařízení, což je proces, který nazvali „nabití spojování“. Tímto způsobem by se náboje mohly přenést kontrolovaným způsobem a vydláždit cestu pro jeho použití při zachycení obrázků přeměnou světla na elektrické signály.
Jejich průkopnická práce jim v roce 2009 získala Nobelovu cenu za fyziku, což zdůraznilo hluboký dopad CCD na vědu a technologii.
Brzy poté společnosti jako Fairchild Semiconductor a Sony dále vyvinuly CCD, což z nich činí praktické pro hromadnou výrobu a použití v kamerách a jiných zobrazovacích zařízeních.
Jak funguje CCD?
CCD pracuje pomocí fotoelektrického efektu, kde světlo, které padá na zařízení, generuje páry elektronových otvorů v polovodičovém materiálu.
Konkrétně, když fotony vstupují do CCD, zasáhnou polovodičový materiál pod každým pixelem. Tato energie klepe na elektrony uvolněné a vytváří malou skupinu elektronů úměrnou intenzitě světla v tomto pixelu. Každý pixel je v podstatě malý kondenzátor, který drží tyto elektrony. Množství náboje v každém pixelu se liší v závislosti na tom, kolik světla obdržel pixel.
Napětí se aplikuje na elektrody umístěné na pixelech v sekvenci, která pohybuje náboje z jednoho pixelu do druhého, jako je projíždění kbelíků vody podél linie. To je důvod, proč se nazývá zařízení „nabíjecí“ a tento proces pokračuje, dokud veškerý poplatek nedosáhne registru odečtu.
Akumulovaný náboj z každého pixelu je poté převeden na napěťový signál, který lze amplifikovat a digitalizovat pomocí připojené elektroniky za vzniku digitálního obrazu.
Tento proces sekvenčního přenosu a čtení umožňuje CCD vytvořit přesnou a vysoce kvalitní reprezentaci zachycené scény.
Kde se používají CCD?
Od roku 1969 CCD revolucionizovali mnoho oblastí zlepšením jejich schopnosti zachytit světlo jako data. Na úrovni domácnosti CCD umožnily vzestup digitálních kamer nahrazením filmu senzory, které zachytily obrazy elektronicky. To lidem umožnilo okamžitě zobrazit jejich obrázky, upravovat je a ukládat je do pevných disků, což výrazně ovlivňuje každodenní život a média. Používají se také v kamerách CCTV k poskytování vysoce kvalitních videozáznam pro zabezpečení v místech, jako jsou banky, nákupní centra a nemocnice.
CCD hrají zásadní roli v lékařské diagnostice, včetně rentgenového zobrazování, skenování počítačové tomografie (CT) a endoskopie. Jejich vysoké rozlišení a citlivost vytvářejí jasnější obrazy, které pomáhají lékařům určit přesnější diagnózy a ošetření. Ve stejném duchu se CCD používají také kvůli jejich citlivosti a přesnosti v mikroskopech, spektrometrech a detektorech částic, kde vědcům umožňují podrobně analyzovat obrazy, například když studují buňky, strukturu materiálů a další fyzikální jevy.
V astronomii se CCD staly zlatým standardem pro astronomické zobrazování. Teleskopy zapadající s CCD mohou zachytit slabé a vzdálené nebeské objekty s větší citlivostí a přesností než tradiční fotografické desky. Tato schopnost výrazně zvýšila astronomové porozumění vesmíru, pomáhá jim objevovat vzdálené galaxie, detekovat exoplanety a studovat kosmické jevy.
Publikováno – 21. srpna 2025 08:30
