Pavla Žbánková Projekt ke zkoušce ze Základů obrazového inženýrství - CCD senzory Úvod: -
co je to CCD senzor princip fungování CCD senzoru Zpracování signálu ze CCD senzoru Super CCD senzory Povrchová ztráta efektu CCD senzoru Velikostní ztráta CCD senzoru Citlivost CCD senzoru Výroba CCD senzoru Využití CCD senzoru Odkazy
Co je to CCD senzor: A CCD (charge coupled device) is an elektronic sensor that detect an record patterns of light in a way similar to photographic film. CCD je totiž obrazový senzor, tedy zařízení citlivé na světlo, generující obraz. Obrazy jsou tvořeny z bodů jimž 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. Princip fungování CCD senzoru: Fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů. Možství fotonů a množství elektronů je tedy podobné, analogické. Abychom se dostali k digitálnímu záznamu, je třeba, aby se velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světa, změřila a vyjádřila číselnou hodnotou. Jednotlivé buňky CCD prvku zachycují světlo a mění energii dopadajících fotonů na elektrický náboj. Nejsou tedy samy o sobě schopny nijak "měřit" barvu dopadajícího světla, tedy jeho vlnovou délku. "Vnímají" jen světlo a stín. Z praktických důvodů se totiž buňky organizují do čtveřic, tudíž jedna ze tří barev tam musí být obsažena dvakrát. Volba padla na zelenou. Potential wells are created under closely spaced electrodes (MOS capacitors) l Ionizing particles create electron-hole pairs; l Electrons are collected in the potential wells; l Charge packets are transported to the output; l Charge is converted into voltage in the output amplifier.
l Charge is generated by ionizing particles in the image section; l The charge is transported in parallel to the readout section; l Serial transfer to the output stage. Readout is relatively slow Charge travels through several centimeters of silicon
Buried channel and MPP mode CCDs Buried channel CCD: l Potential maximum is »0.5mm below the surface; l Charge is transported away from interface traps. MPP mode CCD: l The Si-SiO2 interface is inverse biased; l Dark current from interface defects is greatly suppressed. l Allows operation at elevated temperatures.
Působení fotonů na vyrážení elektronů a jejich posun:
The sensor is subdivided in light sensitive and storage areas, placed as arrays. It is th light sensitive area (image sensor area) of a CCD chip that captures the information and transforms it into electrical charges. A connection between image sensor area and vertical shift register transfers in parallel the generated charges within an extremely short time (2,5 µs) to the darkened shift register cell (storage area). The charges of the vertical shift register are now transferred, row by row, into the horizontal shift register (read out register) and from there serially read out. Co se tedy děje, jakmile svazky paprsků odražených od fotografovaného objektu projdou objektivem a pokračují na prvek CCD ? Projdou filtry. Zelený propustí zelenou část spektra a odrazí modrou a červenou; podobně červený odrazí zelenou a modrou složku a konečně modrý propustí modrou složku a odmítne zelenou a červenou. Uvnitř senzoru vznikne elektricý náboj, ale jeho mohutnost už nezávisí jenom na intenzitě světla, nýbrž na jeho barevném složení. Touto metodou procesor získá první informace o barevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD. Pro názornost použijeme stupnici od 0 do 255, jaká se pro základní barvy používá v obrazových editorech. "Nula" je žádná barva (tedy bílá), kdežto "255" je maximální odstín.Dejme tomu, že zobrazovací buňky CCD prvku nasnímaly obraz, vznikl v nich elektrický náboj, ten byl v převodníku "analog - digital" vyhodnocen a převeden do digitální, tedy číselné podoby. Buněk jsou statisíce, ba miliony. Buňky mohou mít různé tvary, nemusejí být čtvercové. Vyhodnocovat se nemusí čtveřice, mohou to být trojice (ovšem každá buňka z trojice je opatřena filtrem se základní barvou a nese informaci o červené nebo zelené nebo modré složce). Jak vlastně se informace o intenzitě a barevné hodnotě světla dostane z jednotlivých buněk přes převodník analog-digital do procesoru, v němž vznikají pixely?
Zpracování signálu ze CCD senzoru: jde o složitý proces a různé typy aparátů nabízejí dvě základní řešení - a v poslední době dokonce tři: progresivní sken, prokládaný sken a metodu, kterou bych přeložil jako plošný sken (FTC neboli Frame Transfer Charge) Progresivní sken Připomenu, že CCD je zkratka anglického "coupled charge device". Tedy zařízení (device), které pracuje s propojeným nábojem (coupled charge). Jak tomu rozumět? Pokusil jsem se to znázornit opět na schématickém obrázku, znázorňující progesivní sken. Představme si hrubý CCD prvek o dvaceti buňkách ve čtyřech řadách. Spodní řada je načítací registr, zde se náboje z jednotlivých buněk jaksi "řadí do fronty" a odcházejí přes zesilovač do konvertoru analog - digital. Jakmile náboje odešly, do registru sestoupí náboje z následující řady, ovšem protože jsou to propojené náboje (couppled charges), o jednu klesnou všechny řady. Informace z jednotlivých buněk odcházejí z řádky (row), která klesla do registru, jedna po druhé přes zesilovač do analog/digitálního převodníku a pak už v digitální podobě do procesoru, kde se vyhodnocují informace ze sousedních buněk a takto postupně vznikají ony skutečné pixely, z nichž se skládá obrázek. Mějme na paměti, že informace z každé buňky se posuzuje několikrát - vzhledem k jejím sousedům. Problematické jsou krajní - proto obrázek zpravidla nemá tolik pixelů, jako je buněk na CCD prvku. Prokládaný (interlaced) sken Progresivní sken se používá u dražších fotoaparátů - teď se dostáváme k praxi, všimněte si, že informace o tom, zda je CCD progresivní (progressive) nebo prokládaný (interlaced) patří k základním parametrům přístroje! CCD užívající prokládaného skenu vypadají složitěji, avšak výrobně jsou jednodušší a proto levnější. Jejich funkci si ukážeme opět na schematickém obrázku. Zase vidíme buňky s barevnými filtry (zdůrazňuji: NEJSOU to barvy, které spatříme na barevném obrázku, jsou to opravdu jen filtry základních barev červená - mnodrá zelená!), avšak buňky jsou proloženy pomocnými registry. Náboj přechází z buněk nejdříve do pomocných registrů a teprve z nich postupují do hlavního registru a potom zase přes zesilovač do analog/digitálního převodníku a procesoru. Plošný sken Tato moderní metoda je varianta progresivního skenu a někdy bývá zaměňována. Jde o to, že z CCD prvku typu FTD (Frame Transfer Device) přecházejí všechny náboje najednou do přenosového registru náboje (Charge Shift Register). Z tohoto CTR pak náboje odcházejí do zesilovače a A/D převodníku a procesoru. Ovšem co je důležité - v tuto dobu je CCD prvek už opět přichystaný k další expozici. Podstatné pro praxi je to, že tyto CCD prvky, respektive fotoaparáty takovými CCD vybavené, nepotřebují žádnou mechanickou závěrku, náboj vyhodnocují po dobu určenou expoziční automatikou. Pro praxi si zapamatujme, že progresivní a FTD CCD prvky jsou dražší, mají lepší zobrazovací schopnosti a tudíž jsou jimi vybaveny aparáty spíše vyšší třídy, kdežto prokládané CCD prvky jsou rezervovány levnějším aparátům: vyrábějí se ve větších sériích (lze je použít i v jiných oborech, než ve fotografii), kdežto progresivní CCD jsou stavěny výhradně pro použití v oblasti digitální fotografie.
Super CCD senzory: ccdUž první zprávy o superCCD se zmiňovaly o osmihranných světlocitlivých prvcích. Tyto informace však byly poněkud zavádějící, neboť naznačovaly, že prvky jsou v CCD rozděleny na velké a malé, přičemž velké mají zelené filtry a malé červené a modré. Princip nového CCD je založen na poznatku, že lidské oko citlivěji vnímá vertikály a horizontály, než diagonály (tedy svislice a "vodorovnice" spíše než úhlopříčky). Proto je struktura CCD oproti tradičnímu řešení posunuta o 45stupňů. Podle tvrzení Fuji nové uspořádání umožnilo stisknout prvky více k sobě, takže ve výsledném efektu to vypadá, jako by rozlišení bylo od 1,6 do 2,3 krát větší. SuperCCD má citlivé prvky opatřené mikročočkami. Tím se podařilo zvýšit jejich citlivost, takže odpovídá ISO 800 (30 DIN). Nové řešení - opět podle oficiálního sdělení - umožňuje rychlejší načítání informace, takže lze uvažovat o videozáznamech o rychlosti 30 snímků za vteřinu ve velikém rozlišení - o jakém dosavadní videokamery nemají zdání. Povrchová ztráta efektu CCD senzoru: l Build-up of permanent, trapped positive oxide charge, caused by ionization in the gate oxide: Shift of the amplitude of the drive pulses and the DC bias needed for proper operation of the CCD (flat band voltage shift). l Radiation-induced defects at the Si-SiO2 interface: More dark current from the Si-SiO2 interface.
Measurement on an electron-irradiated (90Sr) Hamamatsu S5466 CCD: l Radiation – induced voltage shift; l Increased density of interface defects; l Creation of bulk defects. Similar results on EEV CCD02-06.
Additional surface damage effect: SPURIOUS DARK CHARGE, or Dark Current Pedestal (DCP) l Generated by the clocking; l Independent from the integration time; l Caused by impact ionization by holes; l Much larger than the thermal dark current; l Only in MPP mode; l Present only in Hamamatsu devices. SEVERE LIMITATION TO DEVICE APPLICATION
Velikostní ztráta CCD senzoru: 1. DISPLACEMENT OF SILICON ATOMS FROM THEIR LATTICE POSITIONS; 2. FORMATION OF ELECTRICALLY ACTIVE DEFECT COMPLEXES. l Bulk dark current increases due to thermal generation; l Defects capture and later emit signal electrons; l Signal electrons are transported with losses – Charge Transfer Inefficiency (CTI). Defects are characterized by their energy position inside the forbidden gap, capture cross section, etc.
Citlivost CCD senzoru: Snímací CCD prvek si představte jako pole miniaturních expozimetrů. CCD prvek o 1 megapixelu jich má milión, CCD prvek VGA pouhých 300 tisíc. KAŽDÝ z nich měří světlo - nezávisle na sousedovi. Čím větší je energie dopadajících paprsků, tím větší elektrický náboj v buňce vzniká. A teď pozor: elektrický náboj neroste do nekonečna! Má limity na spodní úrovni i na horní. Na spodní nikdy nenastane nula, čili absolutně žádný náboj. Působením vnějších vlivů, zejména rozhlasového a televizního vysílání, je v každé buňce náboj, kterému se říká šum. To je tedy "dno". Horní úroveň je též limitována - technickými vlastnostmi CCD prvku a jeho buněk. Dejme tomu, že horní úroveň náboje je 1 mV. I kdyby na buňku dopadala sebevětší světelná energie, víc než jeden milivolt z ní nikdy nedostaneme. V následném zpracování, tedy po zesílení náboje a digitalizaci, se k hodnotě náboje přiřazuje hodnota jasu. Připomenu, že pracujeme s dvojkovou soustavou, CCD prvky z praktických důvodů mají osmibitový výstup, takže 2 na 8 je 256. Jasová škála má tedy 256 stupňů, od 0 do 255 (0 je taky číslo, nesmíme na ni zapomenout, dohromady to tedy je 256 stupňů, třebaže nejvyšší hodnota má označení 255...) Pak je to vcelku jednoduché: pokud v buňce vznikne náboj 1 mV, získáme jas o hodnotě 255. Čím menší náboj, tím nižší číslo, takže, dejme tomu, 0,5 mV má přiřazenu hodnotu jasu 125. Toto vidíme na obrázku vlevo. Porovnáním citlivosti CCD a citlivosti filmového materiálu se dospělo ke konvenci, že určitý výkon CCD prvku odpovídá 100 ISO. Jas, tedy číselná hodnota přiřazená voltáži, vzniká při přepočítání. Procesor prostě "ví", že 1 mV odpovídá hodnotě 255, 0,5 mV odpovídá hodnotě 125 atd. Takže mu stačí přenastavit parametry a nařídit mu, aby hodnotu 255 přiřadil voltáži 0,5 mV (a vyšší!) a úměrně aby postupoval u nižších voltážích, takže 0,25 mV bude mít oněch 125.
Nesmíme zapomenout na šum. Ten vzniká vždycky, je v CCD trvale přítomný. Podívejme se na poslední graf, který znázorňuje tři režimy, 100, 200 a 400 ISO. Je to graf, který ukazuje průběh zobrazení jasů. Ta nejvyšší "špička" znamená 255, čím nižší je špička, tím nižší hodnota. Víme, že v každém režimu citlivosti ta nejvyšší špička znamená 255, takže z hlediska podání jasů je výsledek všech tří křivek totožný. V čem se křivky liší? V odstupu od šumu. Jakmile CCD prvek nastavíme na vyšší citlivost, tím snížíme jeho odstup od šumu a obrázek bude horší.
Výroba CCD senzoru: Jeden z důvodů vysoké ceny současných digitálních aparátů je vysoká cena CCD snímacích prvků. Některé aparáty mají dokonce tři CCD (na červenou, zelenou amodrou složku), jiné dva. Toto je kolekce CCD prvků používaných v různých přístrojích firmy Kodak. V běžných aparátech naleznete ten nejmenší z nich - úplně vlevo, má úhlopříčku 1/3 palce. Všimněte si i lineárních CCD to jsou ty podlouhlé, ve spodní části obrázku. Ty se používají při ateliérové digitální fotografii, při snímání t.zv. trojrozměrnými skenery. Tento senzor se při expozici posouvá a snímá obraz po řádcích, lze to přirovnat k obrazovce televizoru. Toto jsou už hotové CCD senzory, tedy opatřené paticemi k připojení do přístroje CCD senzor má jako základ desku z čistého křemíku. Na snímku vidíte křemíkový kotouč s 31 CCD. V podmínkách ultračistého provozu, kdy lidé pracují ve speciálních skafandrech, se na křemíkovou deskou mikrofotograficky nanášejí jednotlivé vrstvy, kterých je dohromady až šedesát. Každá plní speciální funkci - o konkrétní konstrukci nejsou vydávány tiskové zprávy a patří to k firemnímu tajemství. Řezání kotouče je mimořádně delikátní operace. Řez musí být absolutně kolmý, mezi vrstvami nesmí vzniknout žádná nerovnost nebo štěrbina - pak by CCD byl nefunkční. Lze předpokládat, že při této operaci vzniká velký odpad - i to přispívá k vysoké ceně CCD. Nařezané destičky se potom zapracují do patic. Ke složitosti zařízení přispívá i nutnost užívat tří různých napětí. Využití CCD senzoru: Bezkontaktní měření vzdálenosti využívá technologii CCD: Častým požadavkem při řízení některých průmyslových procesů, např. při nastavování polohy předmětu či kontrole naplnění různých nádrží je určování rozměru, odstupu či vzdálenosti. Přitom bývá důležité, aby měřící metoda byla rychlá a pracuje-li se s lehkými, deformovatelnými či pohybujícími se objekty pokud možno bezkontaktní. Pokrokv této oblasti znamenaly již senzory s polohově citlivými prvky PSD (Position Sensitiv Detector), další skok s řadou nových možností, jako jsou vyšší přesnost, menši teplotní závislost a snazší vyhodnocení měření přinesly optické senzory vzdálenosti využívající nábojově vázané struktury(Charge Coupled Device) CCD tvořené řádky fotocitlivých elementů. Ač jsou tyto systémy známy delší dobu, byly až donedávna, z cenových důvodů, užívány pouze v dražších zařízeních, jako jsou videokamery a systémy pro rozeznávání obrazu (ovsem v maticovém tvaru). Nyní jsou vsak na trhu výkonné řádkové senzory CCD již cenově podstatně příznivější. Firma Leuze electronic, specializovaná na optosenzoriku,reagovala na tento trend a nabízí optický senzor vzdálenosti, který využívá právě řádkovou strukturu CCD.Senzor ODS Y96 pracuje s infračerveným světlem a využívá triangulačního principu. Je určen pro měření vzdálenosti od100 do 600 mm, s rozlišením menším než 0,5 mm pro činitele remise měřeného povrchu mezi 6 % (bílý) a 90 % (černý).Reprodukovatelnost při teplotách -20 až +50 °C je +/-1 % a maximální spínací kmitočet 100 Hz. Senzor je opatřen robustním kovovym pouzdrem s krytím IP67 dovolujícím snadnou montáž. Diky zabudovanému mikrořadiči lze rozsah a mód měření, způsob vyhodnoceni měřených hodnot a potlačení vlivu rušení ve specifických případech použití nastavit pomoci přenosného počítače přímo v místě instalace senzoru. Výsledky měření jsou buď v číslicové formě na rozhraní RS-232/RS-485
nebo v analogové s úrovněmi 1 až 10 V případně 4 až 20 mA. Možná je i varianta s dvoustavovým výstupem odvozeným z velikosti měřené veličiny, vhodná pro sledování mezních hodnot nebo jednoduchou regulaci. využití CCD senzoru při určení neurotoxicity: Cílem výzkumu je nalezení kvantifikovatelných příznaků stupně toxického účinku z jasových a geometrických dat obsažených v časové sekvenci snímků získaných mikroskopickou kamerou se senzory CCD. Předpokládá se použití nových nástrojů číslicového zpracování obrazové informace jako je vlnková (wavelet) transformace a jiných víceměřítkových přístupů (např. CSS – Curvature Scale Space). Automatizace vyhodnocování bude řešena metodami detekce nespojitostí, prahováním, segmentací a technikami popisu tvaru. Předpokládáme, že tyto techniky umožní detailní analýzu toxického poškození ganglií. Jejich podstatou je statické chovaní geometrických parametrů objektu (např. poměr plochy v okolí ganglií pokryté výběžky k celkové ploše kultivovaného média.), snímaného mikroskopickou kamerou s maticovými optoelektrickými senzory CCD. Toxické poškození ganglií se určuje z odchylek od normální morfologie a změn růstových neuritů vyrůstajících z kultivovaných ganglií. CCD videokamery: Videokamery CCD jsou nejdůležitějšími součástmi videosystému, neboť poskytují požadované elektronické obrazové informace, které mohou být zaznamenány na monitoru nebo na videopásku vždy jen v takové kvalitě, jak je zachytí kamera. V dnešní kamerové technice se používají téměř výlučně polovodičové senzory CCD, odolné proti opotřebení, které poskytují nezkreslený obraz bez obtahových efektů. Barevné kamery poskytují více informací. Při pátrání po lidech je např. důležité znát údaje o barvě oblečení a vlasech. Také věk osob lze pomocí barevného obrazu lépe odhadnout. V technické oblasti je často důležité vědět, jakou barvu má materiál nebo tekutina. Rovněž v medicíně jsou nezbytné informace o barvách. Pro rozeznání jemných barevných odstínů je vždy nutné dostatečné osvětlení a vhodná teplota barvy. Malá, nenápadná barevná kamera CCD s vestavěným mikrofonem pro zvukovou kontrolu a videokontrolu vnitřních prostorů kvalitní obraz s dobrým rozlišením detailů velký kontrolní dosah díky pevně vestavěnému normálnímu objektivu 6 mm / F 2,5 optimální obraz při střídavých světelných poměrech díky automatickému řízení uzávěrových časů (elektronická clona) dobrá světelná citlivost - 6 luxů při cloně 2,5 lehká a rychlá instalace díky jednokabelovému systému, který zásobuje kameru proudem a přenáší obrazovou a zvukovou informaci na monitor Obrazový spektrograf vesmírného dalekohledu: Space Telescope Imaging Spectrograph Spektrograf zachycuje záření přicházející do objektivu dalekohledu a umožňuje jeho analýzu spektrálním rozkladem na soustavě optických čoček a hranolů. Ze spektrogramů svítících kosmických těles lze zjistit jejich chemické složení a případné zvláštnosti, povrchovou teplotu, rychlost radiálního pohybu, rychlost vlastní rotace a informace o magnetickém poli. Systém STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) umožňuje studovat záření svítících objektů od ultrafialové části spektra (115 nm) přes viditelnou část spektra až po blízké infračervené spektrum (1000 nm). STIS používá tři detektory: cesium-iodidovou fotokatodu MAMA (Multi-Anode Microchannel Array) pro vlnové délky od 115 nm do 170 nm, cesium-telluridovou fotokatodu MAMA pro vlnové
délky od 165 nm do 310 nm a CCD kameru (Charge Coupled Device) pro vlnové délky od 305 nm do 1000 nm. Všechny tři detektory mají formát 1024 x 1024 bodů (pixelů). Každý z detektorů MAMA je schopen snímat oblast o rozměru 25 x 25 obloukových vteřin. Detektor CCD je schopen snímat oblast o úhlovém rozměru 50 x 50 obloukových vteřin. Hlavní výhodou spektroskopu STIS je jeho schopnost dvoj- rozměrné místo jednorozměrné spektroskopie. Například spektroskop je schopen v jeden okamžik simultánně zpracovávat spektrum více objektů v nějaké galaxii namísto objektu jediného. STIS je také schopen zpracovat širší oblast vlnových délek současně. Z těchto důvodů je STIS mnohem výkonnější zařízení pro získávání vědeckých dat než dřívější spektrografy Hubbleova vesmírného dalekohledu. Sonda Mars Pathfinder: IMP - Imager for Mars Pathfinder (5.2 kg, 2.6 W) Stereoskopický barevný zobrazovací systém se sadou výměnných spektrálních filtrů pro každý ze dvou kamerových kanálů (původně navržen jen monoskopický systém). Kamera je umístěna na vysunovací tyči asi 1 m nad povrchem a krokové motorky umožňují její pohyb v azimutu a v elevaci. Optiku tvoří dva triplety (f /18, efektivní ohnisková vzdálenost 23 mm, rozlišení 1 miliradiánu) a dále dvě zrcadla, vzdálená od sebe 0.15 m pro vytvoření stereo-efektu. V obou optických svazcích je vložen dvanáctipolohový výměník s filtry, každý CCD detektor má 256×256 prvků. Kromě stereoskopických snímků byla pořizována monoskopická panoramata okolí v 8 spektrálních pásmech. Zobrazovací systém byl využíván i při meteorologických pozorováních. Scannery: Obrazová předloha je po řádcích osvětlována a odražené světlo je vedeno přes optický systém k přijímači, který je tvořen senzory, nebo prvky na bázi fotobuněk. Přijímač pak převádí obrazovou informaci na digitální signál a posílá ji dále počítači. CCD - Change Coupled Device (řádkový postup) Přijímač je složen ze stovek fotobuněk. Elektrický signál je úměrný síle světla, které dopadá na buňku. Signál, který odpovídá jednom pixelu v obraze, je přeměněn na binární číslo. Tmavá místa, která reflektují méně světla, obdrží nízká čísla, opačně pak světlá místa. Standardem je CCD s 256 stupni šedi, nebo stupni světlosti. Pro rozlišení 300x300 dpi na předloze DIN A4 jsou potřebné řádky CCD asi s 2600 prvky. U dražších skenerů (bubnových) se používají fotonásobiče. Jako zdroj světla se většinou používají zářivky. Senzory jsou u černobílých i barevných stejně. U barevných je obrazová předloha snímána třemi různými barvami. Ze tří dílčích skenů pak vznikne výsledný obraz. HP používá 3 přijímače CCD a každým z nich je snímána informace pro jednu určitou barvu, přičemž obraz je osvětlován dvěma bílými zářivkami a reflektované světlo se dostává k senzorům před dva filtry.
Umělá sítnice: Výzkumníci v amerických laboratořích provádějí několik pozoruhodných experimentů. Implantovali kupříkladu do očí pokusných králíků zařízení, které částečně nahrazuje funkci oční sítnice. Sítnice lidského a vlastně kteréhokoli savčího oka se skládá z několika druhů buněk umístěných ve vrstvách (viz obrázek). Tyčinky a čípky tvoří nejdůležitější část sítnice. Dopadne-li na jejich povrch světlo, citlivě na něj reagují a předají o tom zprávu dalším, tzv. gangliovým buňkám, které zajistí přenos signálu do mozku. Umělá sítnice zachycuje obraz procházející oční čočkou a za pomoci miniaturního mikročipu jej převádí na elektrické impulzy, které dráždí nervové buňky v sítnici. Experimentátorům se podařilo změřit změny aktivity vizuální oblasti mozkové kůry králíků – to znamená, že králíci umělou sítnicí viděli. Nejzávažnější je však zřejmě otázka „přenosu dat“. Jakého typu by měl být signál umělé sítnice, aby byl do mozku přenesen obraz světa okolo nás v té podobě, jak jej vnímáme svým původním zrakem, abychom X na papíře vnímali skutečně jako X a ne jako docela jiný tvar. Zrakový vjem v sobě nese kromě tvaru i celou řadu jiných informací o barvě, množství a intenzitě světla, ale také například o typu a kvalitě vnímaného materiálu, ap. Umělý orgán se prostě musí naučit „mluvit“ jazykem buněk. Umělá sítnice by mohla být branou elektroniky do světa živých tvorů. Kdo tvrdí, že umělé oko musí vnímat nutně jen to, na co se přímo dívá? Může být přeci jednoduše napojeno na různá periferní zařízení, která mu dodají vlastní obraz – a máme tu televizi a video bez obrazovky nebo třeba také videotelekomunikaci v celosvětové síti, a bez monitoru. Jak dlouho bude asi trvat, než si začnou lidé nechávat vmontovat drobné zásuvky do svých vlastních těl (nebo snad bude využíván bezdrátový přenos)? Že to zní až příliš fantasticky? Poslechněme si tedy plány pro nejbližších několik let, jak o nich mluví neurooftalmolog Joseph Rizzo, vedoucí výzkumného projektu pro implantaci sítnice. „Jak doufáme, podaří se nám v dohledné době vytvořit oční protézu, která bude mít zabudovanou kameru v oční čočce. Kamera nezachytí obraz na film ale pomocí zařízení nazývaného CCD.“ Lze si jej představit jako plochu rozdělenou hustou sítí na jednotlivé body, kterých mohou být desítky až stovky na čvereční milimetr. V budoucnu bude hustota bodů pravděpodobně ještě větší – na jejich počtu totiž přímo závisí kvalita konečného obrazu. Každý z těchto bodů je velmi citlivý k dopadajícímu světlu. Dokáže vnímat dokonce i jednotlivé fotony – nejmenší kvanta světelného záření. CCD neboli nábojově vázané struktury se dnes již běžně používají například v elektronických fotoaparátech, které nepracují s klasickým filmem s citlivou vrstvou, ale sejmutý obraz zaznamenávají přímo na elektronické médium (např. na disketu).
„Takto zachycený obraz,“ pokračuje Rizzo, „předá kamera pomocí laserového paprsku na implantovanou umělou sítnici. Vestavěný mikročip jej zde převede na signál elektrický. Ten může stimulovat gangliové buňky, které dopraví informaci optickým nervem do příslušných mozkových center. Pokud půjde vše podle našich pedstav, měly by zkoušky popsaného zařízení začít zhruba za 5 let.“ Vlastní umělá sítnice by mohla pomoci alespoň těm, kteří přišli o zrak dodatečně, kupříkladu těm, kteří trpí zmiňovanou nemocí retinitis pigmentosa. Takto postižených lidí žije na Zemi více než milión. Mají normálně vyvinuté oči, jen tyčinky a čípky neplní svou důležitou funkci. Pro ně jsou současné výzkumy s umělou sítnicí velkou nadějí do budoucna. Digitální fotoaparáty: Nejběžnější a nejznámější použití CCD senzorů je v digitálních fotoaparátech a digitálních kamerách. Lidské oko má 120 milionů "pixelů", pokud jde o políčko kinofilmu, obvykle se uvádí, že "použitelných" je pět milionů. Víme, že jádro digitálního aparátu tvoří snímač CCD, tedy destička pokrytá snímacími body. Podle toho, kolik snímacích bodů na CCD je, tolika pixelový obrázek je schopen snímač vygenerovat. Logické je, že čím větší, tím lépe. Ještě do roku 1998 to bývaly "megapixelové" CCD - tedy schopné vytvořit obrázek 1 - 1,5 megapixelů, nyní je budou postupně nahrazovat "dvoumegapixlové" přístroje a na "trojku" nebudeme jistě dlouho čekat. Limitu 5 Mp se dotkneme podle odhadů do tří let. Rostoucí počet pixelů výsledných obrázků závisí na vzrůstu počtu snímacích prvků na CCD. Říkáme, že roste rozlišovací schopnost digitálních aparátů Chtěla jsem spíše upozornit na využití CCD senzorů v jiných zajímavých oblastech než jen u digitálních fotoaparátů a digitálních kamer. Odkazy: http://www.digineff.cz/cojeto/ccd/ccd.html http://www.army.cz/noviny1/2000/bp/bp-senz/bl-senz.htm http://www.trafika.cz/tt/toASCII/1998/980511/tt040401.html http://www.boj.cz/c-315cs.html http://www.gaben.cz/snimace.html http://vesmir.msu.cas.cz/Pavel/sitnice.html http://inex.cz/pocitace/scannery.htm http://neptun.spsselib.hiedu.cz/~kotyza/foto.htm http://www.new.space.cz/budha/9804-8.htm http://www.aldebaran.cz http://www.army.cz/noviny/pruzkum/vp4.htm http://www.pco.de/html/pdf/papers/smear_e.pdf http://www.matrix-vision.com/pdf/mvcame.pdf http://www.vision-components.de/ccd.pdf http://yebisu.phys.saga-u.ac.jp/~kdstef/stefanov_PhD_presentation.pdf
