(11.3.1999)
V sérii tří článků se pokusím vysvětlit, co je to CCD prvek, jak funguje a jak pomáhá vytvořit barevný fotografický obrázek. Než se do pokusu pustím, musím upozornit na terminologickou nejasnost.
V běžné praxi hovoříme o tom, že CCD má tolik a tolik pixelů - má 820 000 pixelů, nebo má dva megapixely (dva miliony pixelů). Také o digitálním snímku říkáme, že má dejme tomu 640x480 pixelů a pod. A tady POZOR: jde o ZCELA NĚCO JINÉHO, to čemu se říká pixel na CCD je součást harwaru, je to technické zařízení, kdežto pixel na obrázku je prostě puntík, z něhož se obrázek skládá, je to barevná skvrna. Proto jsem si dovolil převzít termín "buňka" z výborné knížky ing. Jaroslava Hyana DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE (vydal JTH-SOFT, Praha 1998, k dostání je na př. v Aaronu v Praze v Ječné ulici) ve smyslu "zobrazovací element CCD prvku", kdežto slovo "pixel" rezervuji pro barevný bod obrázku.

CCD bez náboje (prázdné skleničky) čeká na expozici

Mluvme nejdříve obecně o obrazových senzorech. CCD stejně jako jeho druh CMOS je totiž obrazový senzor, tedy zařízení citlivé na světlo, generující obraz. V kapitole o pixelech jsme si všimli, že obrázky jsou tvořeny z bodů, jimiž se v praxi digitálního obrazu říká pixel. Základním zdrojem těchto pixelů jsou v digitální fotografii právě tyto speciální senzory.

Jsou to malé destičky (donedávna zpravidla o úhlopříčce 1/3 palce, nyní stále častěji větší 1(2 palcové) složené z polovodičových buněk, tedy elementů citlivých na světlo.
Představme si je zvětšené - jako tác, na němž je vedle sebe naskládáno veliké množství skleniček, jedna vedle druhé (obrázek vlevo). Před začátkem fotografování, tedy před začátkem expozice jsou prázdné. Je to něco podobného, jako když v naprosté tmě uvnitř aparátu čeká na osvit nové políčko filmu - tam ovšem místo polovodičových buněk jsou mikroskopická zrnka halových sloučenin stříbra. Prakticky jde o totéž, jenom technická realizace je jiná. Pak stiskneme spoušť a aktivujeme závěru (některé senzory samy fungují jako závěrka, tedy na patřičnou dobu se aktivují, jiné aparáty používají elektromagnetickou, jiné elektro-optickou závěrku, to nás však v danou chvíli nemusí zajímat).

Cvak! Exponujeme a na CCD dopadají objektivem světelné paprsky

Na dobu vymezenou expozičním automatem nebo naším manuálním nastavením začnou dovnitř objektivem vnikat světelné paprsky. Pro názornost si zobrazíme paprsky odražené ze stinných míst jako krátké linky, paprsky odražené jako delší linky: představme si, že to jsou řady elementů světla, fotonů - jako kdyby světlo teklo (obrázek vpravo). Všimněte si, že do některých skleniček "tečou" kratší "proudy" fotonů a někde jsou proudy delší. Jsou to fotony, které přicházejí skrz objektiv z více osvětlenýchčástí obrazu. Co udělají tyto fotony, částice světla?
Na filmu narážejí do krystalů halových sloučenin stříbra a způsobí změny v jejich struktuře, které pak způsobí, že se ve vývojce krystal zvětší, je pak vidět a stane se zrnem negativu, tedy jakýmsi pixelem. Na CCD dojde k něčemu obdobnému. Fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů.

Světelné paprsky "vyrazily" z buněk elektrony - červená "voda"

Toto je vidět na třetím obrázku vlevo. Červená tekutina ve skleničkách, to je ono množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů. Množství fotonů a množství elektronů je tedy podobné, analogické. To je důležité zjištění, pořád totiž ještě nejme u ničeho digitálního! CCD snímače takto fungují už pětadvacet let ve videokamerách!

Abychom se dostali k digitálnímu záznamu, je třeba, aby se množství"tekutiny", tedy velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světa, změřila a vyjádřila číselnou hodnotou. No a to vidíme na čtvrtém obrázku vpravo. Zde už jsou čísla, samozřejmě "obyčejná". Jenže to už je jednoduché převést naše běžná čísla do dvojkové soustavy, na sled nul a jedniček, jimž počítače rozumějí.

Tak. A máme to číselné, tedy máme to "digi"

Ještě si řekněme, že v CCD prvku se obsah "skleniček" - čili náboj v buňkách - měří či skenuje po řadách. Je to velmi složitý proces a má několik technických řešení - viz kapitolu o progresivním a prokládaném CCD. V každém případě se tímto procesem měří fakticky jen světlo co do jeho intenzity. Je jasné, že tam, kde je na fotografované předloze tma, "sklenička" se nenaplní, v buňce žádný náboj nevznikne, bude to černá buňka, tedy černý pixel. Tam kde je maximální jas, vznikne pixel bílý. Jsme tedy u černobílého obrazu. Jak je to s obrazem barevným si řekneme v následující kapitole.

Odkazy: Co je to progresivní a prokládaný CCD, jak vytváří CCD barevný digitální obraz , co je to superCCD.