Dve revolucionarne optičke tehnologije: Nobelova nagrada za fiziku 2009

Za nastavnike fizike u osnovnoj i srednjoj školi:

INOVIRANJE ZNANJA

OD FUNDAMENTALNIH FIZIČKIH IDEJA

DO SJAJNIH MODERNIH REALIZACIJA

NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU 2009

Nobelova nagrada za fiziku 2009 je počast istraživačima u oblasti primenjene optike. Njima je uspelo da stare i časne vizije iz istorije fizike pretvore u savremena tehnološka rešenja koja su ponos ove civilizacije. Prodori u elektronskim rešenjima i optičkim uređajima oplemenili su život savremenog čoveka prvenstveno posredstvom moćnih informacionih tehnologija.

Nosioci ovog progresa su mnogi timovi fizičara bliže i dalje prošlosti; među njima krupnu ulogu su odigrali laureati Charles K. Kao, Willard S. Boyle i George E. Smith.

Prvu polovinu nagrade dobio je Charles K. Kao. Drugu polovinu su zajedno dobili Willard S. Boyle i George E. Smith.

Kao je pionir istraživanja optičkih vlakana neznatnih gubitaka. Njegova vizija primene optičkih vlakana u komunikacionim sistemima na kraju je trijumfovala.

Boyle i Smith su presudno doprineli pronalasku optičkog uređaja kojeg danas zovemo Charge-Coupled Device, ili skraćeno CCD. Ovaj optički sistem danas masovno primenjujemo u digitalnim kamerama (u rasponu od amaterskih do visoko profesionalnih realizacija), u naprednoj medicinskoj i mnogoj drugoj naučnoj detektorskoj bazi.

Prvi deo

Optičko vlakno malih gubitaka

Metodi vođenja svetlosti željenim putem kroz razne sredine interesuju fizičare odavno. Naročito je u tom smislu bila inspirativna pojava potpunog unutrašnjeg odbijanja svetlosti. Zabeleženo je da je sredinom devetnaestog veka D. Colladon eksperimentisao sa mlazom vode kao vođicom svetlosnih snopova. U to vreme, u Francuskoj, J. Babinet je smatrao perspektivnom ideju vođenja svetlosti kroz savijeni stakleni štap. Godine 1854 demonstrira Tindal, pred Kraljevskim društvom u Londonu, vođenje svetlosti mlazom vode; zanimljivo je da ga je u tom smislu ohrabrivao sam Faradej. Zna se, međutim, da su ljudi odavno koristili svetlost u mlazevima tečnosti i fontanama da bi dobili dekorativni efekt. Deo tog umeća iskorišćen je za stvaranje poželjnog glamura i na Svetskoj izložbi u Parizu 1889.

Sl. 1 Optički cilindrični talasovod: jezgro, omotač i košuljica. Indeks prelamanja jezgra je malo veći od indeksa prelamanja omotača. Tipične dimenzije su 10 do 50 mikrometara za jezgro i 125 mikrometara za vlakno. Postoji i zaštitni plastični sloj oko vođice kao celine

Prva inženjerska ideja da se svetlost vodi staklenim vlaknom potiče iz kasnih dvadesetih prošlog veka. U medicini, naročito u gastroskopiji, javila se potreba da se transportuje slika snopom vlakana. Vojska je bila zainteresovana za fleksiblne periskope. Prirodno, javljaju i prve ideje o prenosu slike na daljinu postupkom koji mi danas zovemo televizija.

Istraživači su se odmah suočili sa obilnim curenjem svetlosti sa vlakna. Smetali su „dodiri” vlakna sa okolinom, ogrebotine vlakna i slične neregularnosti.

Znatan napredak usledio je oko 1950; istraživači su shvatili da vlakno treba „obući” i pospešiti unutrašnje odbijanje. O tom napretku može da se informiše zainteresovani čitalac čitajući članak Hopkinsa i Kapanija (Nature 173, 39 (1954)).

Teorijski je jasno (dugo se o tome znalo) zašto je svetlost atraktivna za prenos informacija. Učestanost svetlosnih talasa je visoka ($f=c/\lambda \sim 5\cdot 10^{14}$ Hz). To znači da mogu biti i visoke učestanosti modulacije. Kao rezultat se dobija velika brzina transmisije signala i izdašni kapacitet prenetih podataka. Ipak, sredinom prošlog veka stručnjaci nisu puno verovali u budućnost tehnologije površinskih vođenih talasa, delom obeshrabreni ondašnjim prosečnim performansama komponenti i uređaja. Zahtevana rešenja su još bila daleko. Ozbiljno se računalo i na drugačije fizičke ideje:

Markoni i Braun su pre sto godina dobili Nobelovu nagradu za razvoj bežične telegrafije. Pre 50 godina rapidno se razvijaju elektronika i radio komunikacije. Prvi transatlantski kabl postavljen je 1956. U to vreme su se javili sateliti. Radilo se puno na tome da se ova kosmička tehnologija iskoristi kako bi se pokrile mnoge oblasti Zemlje - što se tiče komuniciranja. Prvi komunikacioni satelit lansiran je 1958. Koristili su se kratki talasi, u milimetarskom domenu, da se poveća količina prenetih podataka u jedinici vremena. Kratki talasi ne prenose se kroz vazduh tako lako od jedne do druge lokacije kao dugi talasi: zbog male talasne dužine smanjuju se i difrakcioni efekti. Fizičari su stali pomišljati na talasovode koji bi usmeravali radio talasnu energiju.

Onda su realizovani laseri, posle dugog čekanja da se ostvari fundamentalna Ajnštajnova ideja iz 1917 (stimulisana fotonska emisija). To se desilo početkom šezdesetih prošlog veka; Nobelovu nagradu za realizaciju optičkih kvantnih generatora su dobili Taunz, Basov i Prohorov.

Laseri su bili podsticaj naglom razvoju optičkih komunikacija. Ubrzo je pronađen kvalitetan i pristupačan He-Ne laser kontinualnog dejstva. Javljaju se prvi poluprovodnički laseri koji rade na sobnoj temperaturi - oni su idealni za poslove sa optičkim vođicama.

Na početku, velika nevolja je bila u enormnim gubicima svetlosne energije u optičkom vlaknu. Atenuacija se opisuje eksponencijalnim modelom opadanja snage

$$P=P_{0}\cdot 10^{-\alpha x}.$$

Ovde je $P_{0}$ ulazna snaga na početku vlakna, a $P$ snaga posle pređenog puta $x$. Uobičajeno je da se atenuacioni koeficijent $\alpha$ izražava u decibelima; ako izmerimo snagu $P_{\text{L}}$ na mestu $x=L$, biće

$$\alpha \left[\text{dB}/\text{km}\right]=\frac{10}{L\left[\text{km}\right]}\log _{10}\frac{P_{0}}{P_{\text{L}}}.$$

U ranoj fazi razvoja ove tehnologije, opiti su pokazivali da se tek 1% raspoloživog svetlosnog fluksa prenosilo na 20 m rastojanja. (To znači da je atenuacioni koeficijent iznosio $1000\;\text{dB}/\text{km}$). Vršeni su mnogi pokušaji da se nađe pogodan dielektrični talasovod.

Sl. 2 Razni tipovi vlakana. Gore: multimodni talasovod sa skokovitom promenom indeksa prelamanja; u sredini: multimodni talasovod sa kontinualnom promenom indeksa prelamanja; dole: jednomodni talasovod sa skokovitom promenom indeksa prelamanja. Skicirane su putanje zraka; s desna su naznačeni profili indeksa prelamanja.

Pojavili su se dokazi da je interesantno upotrebiti kontinualnu (gradijentnu) promenu indeksa prelamanja, umesto skokovite promene (step-profila). Upotrebom gradijentnih vlakana smanjuje se negativan uticaj disperzionih efekata. Tako su fabrikovana vlakna prve generacije na 870 nm. Problem visoke atenuacije je ostao.

Charles K. Kao

Nekoliko reči o biografiji nagrađenog. C. K. Kao je u Engleskoj bio na čelu jednog malog istraživačkog tima. Imao je praktično jednog saradnika (Hokam). Mladog Kaoa je znedrio (u to vreme) poznati Karbovijakov tim istraživača. Kao je rođen 1933. u Šangaju, Kina. Obrazovao se u Hong Kongu. Diplomirao je elektrotehniku 1957. na univezitetu u Londonu i tamo doktorirao 1965.

Kao i Hokam su detaljno analizirali uticaj imperfekcija na osobine vlakna. Dosta su pažnje posvetili i izboru materijala. Zaključili su, sredinom šeste decenije prošlog veka, da su gubici u dielektricima uglavnom prouzrokovani apsorpcijom i rasejanjem. Zbirni rezultati istraživanja ovih pionirskih istraživanja i potonjih usavršavanja dat je na donjem ohrabrujućem grafiku:

Sl. 3 Atenuacioni koeficijent kvarca kao funkcija talasne dužine. Početni deo grafika: atenuacija je prouzrokovana Rejlijevim rasejanjem svetlosti u vlaknu (zavisnost tipa $\lambda ^{-4}$). Desni deo grafika: atenuacija je prouzrokovana molekularnom apsorpcijom u materijalu talasovoda. Teško se otklanjaju nečistoće OH radikala u talasovodu i to je glavni problem u važnom središnjem delu ovog grafika. Ispada da su pogodna mesta za optičku komunikaciju 1,3 i 1,55 mikrometra (minimumi apsorpcije).

Istraživači su shvatili da je visoka atenuacija posledica nečistoća, na primer prisustva jona gvožđa. Pokazali su da su hipotetička vlakna velike čistoće odličan kandidat za optičku komunikaciju, jer bi se moglo računati na oblast primene gde je atenuacioni koeficijent minimalan. Kao je ukazivao da je verovatno najbolje koristiti jednomodno vlakno. (Multimodni talasovod ima veliku disperziju.) Jednomodna vlakna se mogu praviti kombinacijom materijala bliskih indeksa prelamanja.

Sl. 4 Prostorni elektromagnetski modovi u multimodnom vlaknu. Gore levo je hibridni $EH_{11}$ mod, jedini koji se prostire u jednomodnom vlaknu. (Fig 16 iz Kaovog članka)

Kao je zaključio da se može napraviti vlakno atenuacionog koeficijenta 20 dB/km, što je protumačeno kao obećavajuće. On je napisao proročki zaključak:

(…stakleno vlakno u omotaču predstavlja mogući praktični optički talasovod sa važnom osobinom novog komunikacionog medija… U poređenju s postojećim koaksijalnim kablom i radio sistemima, ovaj vid talasovoda ima veliki informacioni kapacitet i moguće prednosti u osnovnim materijalnim troškovima.)

Kao je uporno merio atenuacione koeficijente za svetlost u raznim staklima, pri raznim talasnim dužinama. Zaključio je da topljeni kvarc (fused silica, SiO2) ima čistoću potrebnu za optičke komunikacije. Počela je svetska potraga za čistim staklima. Sve je to pokrenuo Kao; njegove vizije, ispostavilo se, bile su sjajne i plodonosne.

Teško je napraviti staklo bez neugodnih primesa. Kao je ukazao na kvarc. Ovaj se materijal, na žalost, teško topi. Rad sa obradom kvarca nije lak.

Četiri godine posle rada Kao i Hokama, jedan tim Amerikanaca ostvario je Kaovu viziju sa kvarcom. Kvarc za jezgro vlakna su dopovali titanijumom, a košuljica jezgra je od čistog kvarca; tako su realizovali malu razliku u indeksima prelamanja. Kasnije su stigli do odličnih 4 dB/km na 850 nm, koristeći germanijum umesto titanijuma. Ovo se dešavalo oko 1970.

Sve je krenulo u dobrom smeru i ubrzo su istraživači oborili atenuaciju ispod 1 dB/km, čemu se ni Kao nije nadao! Optička komunikacija je osvojila svet.

Sl. 5 Umetnička vizija globalne komunikacije. Naznačene su oblasti primene. Paučina vlakana premrežila je Planetu. Procenjuje se da je ukupna dužina instalisanih optičkih vlakana danas u opticaju na Zemlji veća od dvadeset hiljada Zemljinih obima (milijardu kilometara)

Danas, atenuacija svetlosti (na talasnoj dužini 1,55 mikrometra) u vlaknima je ispod 0,2 dB/km. Moderno optičko vlakno je izuzetno transparentno: 95% svetlosti ostaje u vlaknu i posle kilometar puta! Još treba pomenuti i maestralnu ulogu elektronike (Optička moderna komunikacija nastala je kao rezultat nekoliko prelomnih ideja.):

Bitne su bile realizacije LED dioda, i naročito diodnih lasera, prvobitno građenih na GaAs tehnologiji (800 do 900 nm) a kasnije pomoću InGaAsP (1 do 1,7 mikrometara). Optički komunikacioni prozor evoluirao je od 670 nm do 1,3 mikrometara i konačno do 1,55 mikrometara gde su gubici vlakna najmanji (Sl. 3). Gradijentna vlakna korišćena su u prvim linijama optičke komunikacije. Međutim, sa upotrebom većih talasnih dužina i većim distancama prenosa - nametnula su se jednomodna vlakna kao praktičnija.

Svetlosni fiber-optički mlaz. Proizvod baziran na tehnologiji koja je dobila jednu polovinu Nobelove nagrade snimljen je fotoaparatom koji koristi tehnologiju koja je dobila onu drugu polovinu Nobelove nagrade

Danas, optička komunikacija na velikim daljinama koristi isključivo jednomodna vlakna, u skladu sa Kaovom vizijom. Kao je pisao: „When operating the waveguide in the $E_{11}$ mode, it is possible to achieve a single-mode operation by reducing the diameter of the fibre sufficiently. Under this condition, a significant proportion of the energy is carried outside the fibre. If the outside medium is of a lower loss than the inside dielectric medium, the attenuation of the waveguide is reduced.” (Kad je talasovod pobuđen u $E_{11}$ modu, moguće je ostvariti jednomodno prostiranje time što se dijametar vlakna dovoljno smanji. Pod ovim uslovima, značajan procenta energije lokalizovan je van vlakna. Ako je atenuacija manja spolja nego unutar vlakna, smanjuje se I slabljenje talasovoda.).

Ranije, komunikacioni sistemi koristili su česte elektronske ripitere da kompenzuju gubitke. Danas su oni uglavnom zamenjeni optičkim pojačavačima (često su to pojačavači sa vlaknima dopovanim erbijumom). Optičke komunikacije koriste uređaje koji omogućavaju prenos različitih signala istim vlaknom — tako se višestruko povećava brzina transmisije.

Prve ne-eksperimentalne veze s optičkim vlaknom bile su instalirane 1975. u Velikoj Britaniji, i odmah potom u Americi i Japanu.

Prvi transatlantski fiber-optički kabl postavljen je 1988.

Globalna komunikacija, a posebno internet i daljinska telefonija, bazirane su danas na tehnologiji optičkih vlakana (videti Sl. 5). Ponovimo, glavna prednost optičkih talasa u odnosu na radio talase je visoka učestanost koja omogućava veliku brzinu prenosa podataka. Danas, nekoliko terabita u sekundi mogu da se transmituju pojedinačnim vlaknom; to je porast za faktor milion u odnosu na ono što je bilo dostupno pre pedeset godina sa transmisijom radio signalima. Stiglo se do igrački, svetlosnih efekata i ukrasnih rasveta.

Stalno raste u svetu broj optičkih fiber kablova. Fiber optika je značajna i za niz drugih primena — u medicini, laserskoj tehnologiji i za razne senzore. Interesantan je primer primene fiber-optičke komunikacije u nauci - napredna fiber-optička mreža razvijena pri Velikom Hadronskom Sudaraču (LHC) u CERNu u Ženevi koja će prenositi većinu informacija od detektora čestica do kompjuterskih centara širom sveta.

Literatura

1. Internet adresa: www. nobelprize.org (Official web site of the Nobel Foundation)

2. K. C. Kao and G. A. Hockham, Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies, IEE Proceedings, Vol. 133, Pt. J, No. 3, June 1986, 191-198.

Drugi deo

Charge Coupled Devices - CCD

Istorija fotografskih uređaja i fotografije je duga, sa mnogo važnih inovacija.

Stare kulture su znale za kameru obskuru (mračna komora). Sačuvana je najstarija fotografija napravljena tom tehnikom 1826. uz ekspoziciju od 8 sati! Negativ je pravljen u bitumenu koji očvršćava na svetlosti.

Dager je razvio proces direktnog formiranja pozitiva na bakarnoj ploči prekrivenoj srebrom. Posle ekspozicije, sloj se tretirao živinom parom da se izazove pozitiv. Popularna dagerotipija nastala je oko 1839. (Mnoge zanimljive dagerotipske otiske značajne za istoriju Srbije sredinom devetnaestog veka ostavio je Anastas Jovanović.)

Talbot je izmislio 1841. fotoosetljivi papir; papir je imao srebrnu so na površini i prvo se dobijao negativ, a potom i pozitiv posebnim tretmanom. Ova ideja je i dalje razvijana. Oko 1870. počele su da se upotrebljavaju emulzije, srebrne soli u želatinu. Celuloidni film je stupio na scenu 1887. Godinu dana kasnije već imamo Kodakovu kameru sa namotanim filmom.

Lipman je dobio 1908. Nobelovu nagradu za fotografski proces u boji. Fizički osnov je interferencija svetlosti. Tradicionalni kolor filmovi sastoje se od tri emulzije osetljive na svetlost: na vrhu je sloj osetljiv na plavu svetlost, u sredinu na zelenu i na dnu na crvenu svetlost. Specijalnim postupkom izazivao se negativ sa dominantnim bojama žuto, magenta i cian. To je bilo stanje kolor fotografije oko 1935. kada je na tržištu postojao Kodachrom film.

Ovo stanje je prevaziđeno novim digitalnim fotografskim tehnologijama. Evo nekoliko reči o laureatima:

Willard S. Boyle i George E. Smith

W. S. Bojl i G. E. Smit su radili u Bel laboratorijama u Nju Džerziju kad su osmislili revolucionarni CCD postupak. Bojl je rođen u Amherstu, Nova Škotska 1924. Doktorirao je 1950. Smit je rođen u Vajt Plejnsu, Njujork, 1930. Doktorirao je 1959. u Čikagu.

Bojl i Smit su dobili pola Nobelove nagrade 2009 za pronalazak CCD — uređaj kojim se generiše slika visokog kvaliteta u elektronskoj formi. Pionirske rezultate su publikovali 1970. u internom časopisu Bel Laboratorija. CCD može da zapiše optičko polje akumulirajući naelektrisanja indukovana pomoću svetlosti na poluprovodničkoj površini uređaja; nastala naelektrisanja se transportuju, radi očitavanja, na ivicu fotoosetljive površine. Pronalazak je koristio osobine onda nove MOS (Metal - Oxide - Semiconductor) tehnologije da se napravi integrisani i prosti uređaj za registrovanje i očitavanje scene koja se snima.

Sl. 1 Osnovna MOS struktura

CCD je MOS uređaj koji se može upotrebiti kao detektor za registrovanje slika u elektronskom obliku — moderna alternativa fotografskog filma. Površina CCD je jedna matrica od velikog broja malih fotoosetljivih ćelija, ili piksela, koje su aranžirane horizontalno u redovima i vertikalno u kolonama (Sl. 2).

Sl. 2 Princip očitavanja CCD čipa. Jedan red matrice se digitalizuje posredstvom A/D konvertora i tako sukcesivno dok se ne očita cela matrica $a_{\text{xy}}$.

Pikseli su uključeni kao MOS kondenzatori (oni su analogija fotoosetljivim zrncima foto-filma). Kada foton upadne na površinu jednog piksela, fotoefektom izaziva elektron koji se „magacionira” u kondenzatoru. Broj elektrona skupljenih datim pikselom direktno je proporcionalan intenzitetu svetlosti koja je upala na taj piksel. Dakle, raspodela naelektrisanja po pikselima je analogna reprezentacija slike. Sadržaj pojedinih piksela se onda očitava sukcesivnim pomeranjem naelektrisanja i tako rekonstruiše slika.

CCD se proizvodi na silicijumovom disku-podlozi integracionim procesom koji uključuje niz složenih foto-litografskih koraka. Supstrat silicijuma se dopuje, obično borom, i formira se silicijum p-tipa (poluprovodnički materijal u kome su osnovni nosioci naelektrisanja pozitivne elektronske šupljine). Foto-aktivni sloj je epitaksijalni sloj na vrhu (znatno) p-dopovanog silicijuma. Prednja strana uređaja sadrži gate elektrode i površinske kanalne (oksidne) slojeve. Zadnja strana je komad silicijuma, obično s jednim tankim metalnim slojem. Anatomija CCD je takva da on ujedinjuje sposobnost zapisivanja slike i efikasno očitavanje.

Sl. 3 MOS kondenzator u funkciji foto-osetljivog uređaja

Pikseli su definisani položajem elektroda (gate) na CCD površini. Kada se na elektrodu dovede pozitivni napon, elektroni bivaju privučeni do površine ispod elektrode. Istovremeno, pozitivne šupljine bivaju odbijene od oblasti elektrode; formira se „potencijalna jama” u telu silicijuma - oblast poznata kao depletion layer, Sl. 1. U potencijalnoj jami su svi elektroni proizvedeni upadnim fotonima.

U cilju očitavanja CCD primenjuje se povorka impulsa na elektrodama. Svakom pikselu je pridruženo nekoliko elektroda, najčešće tri, premda je samo jedna dovoljna da formira potencijalnu jamu koja skuplja naelektrisanje. Druge dve elektrode se upotrebljavaju za transport naelektrisanja primenom izvora trofaznog napona. Donja Sl. 4 ilustruje sekvencu pomeranja naelektrisanja duž kolone CCD. Ponavljanjem ovog ciklusa naelektrisanje se prenosi i očitava te se razazna celina dvo-dimenzione šeme.

Sl. 4 Sekvenca skupljanja i pomeranja naelektrisanja duž kolone CCD detektora. Naelektrisanje dobijeno apsorpcijom fotona primorano je da napravi jedan korak s leva na desno primenom naponskih impulsa na elektrodama. Gore: početna pozicija. U sredini: Naponski impulsi na crvenim elektrodama otvaraju put za pomeranje elektronskog paketa. Dole: Elektronski paket je sada pomeren za jedan korak udesno i fiksiran naponom na crvenoj elektrodi.

Svaki „paket” naelektrisanja je pojačan i digitalizovan. Ceo sadržaj CCD konvertovan je u šemu brojeva koja reprezentuje integrisani intenzitet svakog piksela. Ovaj niz brojeva može odmah da se koristi i po potrebi rekonstruiše slika upravo registrovana pomoću CCD.

Sl. 5 Uz objašnjenje CCD kolor postupka (Wikipedia)

Da bi se snimila kolor slika, koriste se filter tehnike. Poznat je Bajerov filter — mozaički kolor filter za razmeštaj RGB kolor filtera na rešetku foto-senzora. Filterska šema je 50% zelena, 25% crvena i 25% plava (to je u skladu sa krivom osetljivosti ljudskog oka; Sl. 5). Ova tehnika zahteva efektivno 4 piksela za svaki element rezolucije, što ograničava rezoluciju detektora ovim faktorom u poređenju sa crno-belim detektorom. (Postoje i poboljšane kolor-šeme.)

Osetljivost CCD zavisi od talasne dužine svetlosti i tipa uređaja.

Kvantna efikasnost je bitan parametar. Ona je verovatnoća nastanka jednog elektrona pomoću jednog upadnog fotona. CCD imaju visoku kvantnu efikasnost: oko 90%.

Detektor ima veliki dinamički opseg. On uspešno beleži kako vrlo slabu svetlost tako i vrlo jarke izvore. Drugim rečima, veliki je količnik punog kapaciteta jame (sto hiljada elektrona) i nivoa šuma (nekoliko elektrona). Dinamički opseg CCD je reda veličine 50000.

Rezolucija CCD određena je veličinom piksela. Danas se prave pikseli sićušniji od 10 mikrometara. CCD sa 2048x2048 piksela su danas standardni.

Bojl i Smit su inicirali nešto što danas ima kolosalnu primenu: digitalne kamere, medicinski aparati, naučna instrumentacija visokih performansi, posebno primene u astronomiji i astrofizici. A onda su razvijeni i CMOS senzori.

CMOS je komplementarna MOS tehnologija. U njoj, n- i p-kanalni uređaji koriste se zajedno da daju logičko kolo s minimalnom potrošnjom energije, jer se energija koristi samo u prekidačkom procesu, tj pri prebacivanju od „nule” na „jedan”. CMOS tehnologija je ključna danas u velikim integrisanim kolima. Nobelova nagrada za fiziku 2000 dodeljena je Kilbiju za pronalazak integrisanog kola. CMOS je pronađen šezdesetih i CMOS senzori su bili na tržištu krajem te dekade. CMOS kola su očitavala izlaz foto-senzitivnih ćelija. CMOS pikseli su veći od CCD piksela (moraju imati i dva-tri tranzistora). To je nedostatak koji ni do danas nije posve zanemarljiv.

Sl. 6 Multi-megapikselni čip CCD kamere

CCD senzori slike našli su značajnu primenu u mnogim oblastima nauke, tehnike i kulture uopšte. To su digitalne kamere, skeneri, medicinski aparati, satelitske pretrage i instrumentacija za astronomiju i astrofiziku. Danas je u opticaju mnogo miliona digitalnih CCD kamera, svuda u svetu.

Astrofizika je značajno polje primena CCD uređaja. Hablov teleskop je snabdeven sa nekoliko CCD kamera.

Sl. 7 Skupina galaksija Abell 2218. Slika sa Hablovog

svemiskog teleskopa kamerom WFPC druge generacije [1]

Jedna od njih je široko-pojasna planetarna kamera WFPC. Sl. 7 je spektakularni hablovski snimak grupe galaksija. Snimak je napravljen 2000. godine, pa se mirno može reći da je najavio perspektivu trećeg milenijuma. Bledi prstenasti objekti na slici su likovi koje daju gravitaciona sočiva pozadinskih galaksija. Ovaj snimak je bio koristan da se proceni totalna masa klastera galaksija, pa se stiglo i do zaključka da postoji velika količina tamne materije u kosmosu.

U medicini, CCD se koriste za studiranje tkiva i ćelije kroz mikroskope ili in situ. Doktor posmatra mala odstupanja od normalnog. Profitirali su dijagnostički aparati. Veliki napredak je napravila endoskopija (uvid u telu). CCD koristi i grana medicine mikro-hirurgija.

Danas postoje raznovrsni i moćni endoskopi, korisni u medicini, ali i u industriji. Svakim danom se enormno napreduje, na primer u biologiji i geografiji, pošto već postoji moćna baza — digitalno slikanje visoke rezolucije. Evo jednog inspirativnog amaterskog snimka insekta:

Diptera Brachycera, domaća muva. (Snimio Miloš sa DF Nikon Coolpix L101)

Dakle, CCD su promenili ulogu slike u društvu. Lako se dobijaju elektronski signali, brojke, koji se mogu voditi i tretirati. U nauci, to je prava revolucija. Nastala je opšta komocija istraživanja. Brze svetske ekspertize su na dohvatu ruke. Onda: distantna kontrola i povratna sprega. Mogu se elegantno podeliti zainteresovanim ogromni paketi podataka za analizu.

Literatura

Zvanični sajt Nobelovog komiteta i tamo data literatura:

[1] Internet adresa: www. nobelprize.org (Official web site of the Nobel Foundation)

[2] W. S. Boyle and G. E. Smith, Bell Systems Tecnical Jornal 49 (1970) 587.

[3] G. F. Amelio, M. F. Tompsett and G. E. Smith, Bell Systems Tecnical Jornal 49 (1970) 593.