В этом году отмечается 50-летие изобретения ПЗС-матрицы. Оглядываясь назад на историю цифровой фотографии, мы увидели глубокие изменения в способе коммуникации и мышления по мере развития медиа-технологий. Ключом к увеличению скорости создания изображения стал прибор с зарядовой связью (ПЗС-матрица) или CCD-матрица. Это своеобразный «электронный глаз» камеры, толкающий фотографию от эпохи кино к эпохе цифровых технологий.
CCD - couple charged device. CCD-матрица и более поздние CMOS являются светочувствительными элементами, встроенными в цифровые камеры и смартфоны, которые преобразуют свет, излучаемый объективом, в цифровые сигналы и в конечном итоге становятся цветными изображениями на экране.
Изобретение CCD-матрицы стало неожиданным «сюрпризом». В 1969 году Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит из Bell Labs в США случайно придумали устройство и обнаружили фотоэлектрический эффект при изучении иных технологий. Поверхность этого устройства могла генерировать заряды и формировать цифровые изображения, так родился CCD. Сам процесс этого реально великого изобретения и «мозгового штурма» занял всего один час!
C инженерно-физической точки зрения CCD представляет собой каскад триггеров, работающий по принципу перемещения заряда по полупроводнику. Его самый простой аналог — «бегущая строка», создающая визуальную иллюзию перемещения изображения по горизонтали. В CCD сходным образом перемещается заряд или «дыра» от одной потенциальной ямы к другой. Первый теоретический CCD Бойла-Смита был основан на дырочной p-проводимости, современные CCD в основном n-электронные. Это был «сэндвич» из поликремния, кремния и проводника.
ПЗС-матрица прошла испытание временем. В течение десятилетий он не только проникал в повседневную жизнь каждого человека, способствовал глубоким изменениям в технологии фотографии, но также применялся во многих научных областях, таких как астрономия и медицина. От сканеров штрих-кода для супермаркетов до научных зондов для исследования вселенной и подводного мира. Теперь есть возможность видеть быстрее, дальше и глубже благодаря использованию оптических устройств, которые включают в себя ПЗС-матрица.
Используя матрицу Fairchild CCD-201 (100 × 100), молодой инженер Стивен Сассон, работавший на Eastman Kodak, в 1975 году собрал первый в истории полноценный ручной цифровой фотоаппарат, который делал кадр за 50 миллисекунд и еще полминуты записывал его на обычную магнитофонную кассету. На кассету помещалось 30 кадров. Себестоимость этого проекта составила около 200 долларов США.
Камера Сассона включает шесть пользовательских плат и датчик CCD. Для передачи изображения с датчика во временную систему хранения камеры требуется 50 миллисекунд, а для записи фотообращения на ленту требуется 23 секунды. Лента на этой камере могла содержать только 30 черно-белых фотографий - число, установленное Сассеном после рассмотрения, что аналогично количеству фотографий на рулоне пленки, что соответствует привычкам людей в то время. На самом деле магнитная лента может хранить сотни или тысячи фотографий, но с техническими средствами того времени люди не могли справиться с большим количеством. Конечно, на этой камере нет дисплея, для просмотра фотографий необходимо было подключить ленту к экрану телевизора, чтобы показать ее.
Лаборант Kodak использовал эту камеру, чтобы сделать первый снимок, но, к сожалению, этот снимок не сохранился. Хотя изобретение Сассона не было первой машиной, которая производила цифровые изображения, это была первая цифровая камера, которая могла быть в переносном и мобильном видеосъемке в истинном смысле этого слова, поэтому она оказала важное влияние на развитие технологии цифровой фотографии.
Как сообщал Сассон много лет спустя, руководство Kodak встретило прототип скептически: «Они были убеждены, что никто никогда не захочет рассматривать свои фотографии на телевизоре». Пленочные камеры были популярны в течение десятилетий. Пленка Kodak занимала 90% всего рынка. Выход цифровых камер, очевидно, повлияет на продажи пленки. Позднее, Kodak потерял рынок и закрылся именно из-за того, что не успел охватить рынок цифровых камер, держась за умирающие пленочные.
В 1975 году, когда Сассон изобрел мобильную цифровую камеру, инженер Motorola только что изобрел первый в мире мобильный телефон, который был размером с два кирпича, Интернет был далек от повседневной жизни человека, а компьютеру требовался целый дом.
К 1980-м годам японские производители камер первыми представили цифровые камеры на рынке. В 1981 году, после 8 лет исследований в области ПЗС-матриц, корпорация Sony выпустила камеру MAVICA, которая стала первой в мире цифровой камерой, выпущенной для рынка, с пикселем датчика около 280 000. Хотя реакция рынка была скромной, эта камера была первой, которая успешно использовалась в области новостной фотографии. На Олимпиаде в Лос-Анджелесе в 1984 году репортер из Японии Асахи Симбун использовал камеру Mavica, чтобы делать фотографии игры, а затем передавал фотографии в реальном времени с помощью мобильного телефона Sony.
Широко камеры вышли на массовый рынок в 1990-х годах. В 1994 году Kodak выпустил DC40, который можно считать первой в мире зрелой коммерческой цифровой камерой. Он имел около 380 000 пикселей и был в то время оценен в 699 долл. Низкая цена была привлекательной для рынка. В следующем году Casio выпустила QV10, который был одинаково недорогим и первой коммерческой камерой, оснащенной дисплеем, что вызвало сенсацию на рынке цифровых камер в этом году. Японский национальный музей науки даже назвал это изобретение - «Наука и техника».
На протяжении 1990-х годов технология цифровых камер постоянно обновлялась. В конце 1990-х вышли квазипрофессиональные цифровые камеры. Первое поколение зеркальных камер достигло более 2 миллионов пикселей, да и цена их была «профессиональной».
Методы хранения изображений в цифровых камерах эволюционировали от магнитных лент, дисков и компакт-дисков до карт памяти. Камеры становятся все меньше и меньше, а емкость и скорость увеличиваются. В дополнение к функции камеры, функции записи видео и беспроводной передачи, разработанные в конце 1990-х годов, постепенно улучшились. Теперь цель состоит в том, чтобы быть более умным.
Сассон, который изобрел первую цифровую камеру, также думал о развитии цифровой фотографии, однако он считает, что предел качества фотографий, которые нужны людям, составляет всего два мегапикселя, что уже было астрономическим числом в 1970-х годах. Сегодня цифровые камеры достигли уровня 100 миллионов пикселей, и производители смартфонов гоняются за вами, а также увеличили количество пикселей мобильных телефонов до десятков миллионов - ясно, что это больше не проблема.