Если бы не ПЗС, наука была бы другой

Нобелевская премия 2009 года по физике, как мы уже сообщали, досталась создателям ПЗС и оптоволокна. Появившаяся 40 лет назад инновация в области получения изображений сегодня используется в миллионах цифровых камер и телескопах. Самый первый прототип, ставший возможным после открытия Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) принципов работы, изображён на снимке. Приборы с зарядовой связью (ПЗС, или charge-coupled device, CCD) предназначены для преобразования света в электронный сигнал. Фотоны попадают в массив полупроводниковых элементов и создают электрические заряды, пропорциональные интенсивности излучения, которые трансформируются в напряжение. Эти сигналы могут быть оцифрованы и в конечном счёте представлены в виде изображения. Миллионы матриц на основе ПЗС ежегодно производятся для рынка массовых устройств, но они также предоставили науке многое изменившую технологию благодаря гораздо более чувствительному к свету элементу, чем существовал когда-либо ранее.

По словам астронома из Калифорнийского университета (University of California) Тони Тайсона (Tony Tyson), в области научной съёмки нет ничего более значимого. Тони сконструировал первую ПЗС-камеру для научных целей в конце 1970-х годов. Для астрономии количество собираемых приборами фотонов на вес золота. От находящихся в миллионах и миллиардах световых лет от Земли их приходит настолько малое количество, что каждый имеет значение. Из попадающих на матрицу 100 частиц фиксируются 90. В качестве сравнения: фотографические пластины собирают только 10%. Для глаз это значение и вовсе мизерно - от 1 до 4 фотонов.

Согласно "легенде", Смит и Бойл набросали схему устройства за час во время обеда в Bell Labs в октябре 1969 года. Работая под давлением своего руководителя Джека Мортона (Jack Morton), пара учёных добилась появления работающего прототипа за несколько месяцев. Но дорога от него до реально применимой технологии была долгой и тяжёлой. Хотя ПЗС-матрицы в итоге стали доминирующим элементом в астрономической технике, первые экземпляры даже близко не были способны обеспечить должное для таких задач разрешение. С низким соотношением сигнал/шум нельзя было и предполагать завоевание изобретением широкой популярности. Историки Роберт У. Смит (Robert W. Smith) и Джозеф Н. Тараревич (Joseph N. Tararewicz) отмечают, что астрономам недостаточно было просто "взять с полки" ПЗС для своих нужд, и немалое количество других систем визуализации было предложено, прежде чем стало возможным создание таких инструментов, как телескоп "Хаббл".

В 1974 году сокращение бюджета грозило забраковать идею использования всё ещё спорной и дорогостоящей технологии ПЗС в проекте Большого космического телескопа (Large Space Telescope, LST), впоследствии известного как "Хаббл", но один человек был непреклонен в уверенности насчёт перспектив. "Чтобы принять решение сейчас, за восемь лет до вероятного запуска LST, я думаю есть небольшой выбор между устаревшей технологией и современной, а сократить затраты можно на других направлениях, - писала астрофизик Маргарет Барбидж (Margaret Burbidge). – Выбрать старое решение - это всё равно, что лечить пациента удалением сердца на том основании, что он будет экономить энергию на перекачивании сердечной мышцей крови". Тяжёлый труд сотен учёных и инженеров приблизил ПЗС к реальности за несколько лет. Такие компании, как Fairchild, Kodak и Tektronix придали технологии пригодный к применению вид. От инвестиций в решение сопутствующих проблем в конечном итоге выиграли военные, научный мир и потребители. А после десятилетия работы Тайсон наконец был готов поместить камеру на 40" телескоп в Паломарской обсерватории и смог изучить распределение тусклых голубых галактик. Эта работа стала важной частью доказательства того, что тёмная энергия – таинственная сила, ускоряющая расширение Вселенной – на самом деле существует.

Сегодня практически каждая обсерватория пользуется ПЗС. Технология также является золотым стандартом в медицине или любой другой науке, где необходимо получение снимков. Хотя КМОП (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, CMOS) всё больше распространяется в сфере потребительской электроники, для высокотехнологичной науки "пока нет ничего важнее ПЗС", говорит Тайсон. Последний проект учёного - Large Synoptic Sky Survey ("Большое синоптическое исследование неба"), в котором будет использоваться 3,2-Гп камера. Положенная на график зависимости от времени развития технологии, разрешающая способность ПЗС в пикселях росла такими же темпами, как мощность компьютеров. Тот часовой обед в Bell Labs открыл путь настолько обширным и глубоким технологическим разработкам, что сравнимых событий в 20-м веке наберётся немного. После десятилетий ожидания изобретатели прибора с зарядовой связью наконец удостоены заслуженного признания.