Det er høgljos dag. Eg står utanfor våpenhandlaren og rettar nattkikkerten mot mannen som sit i ein traktor rett ved sida av. Han viser seg ikkje i søkjaren, men den varme olja i hydraulikken lyser opp. Også karen som grev for harde livet nede i grøfta, kan eg sjå i søkjaren.

Eg ser opp mot fjellet Løvstakken. Der står ein hjort som eg aldri ville ha sett med berre auga.

Det eg ser i kikkerten, er varmestråling. Alt som har varme, sender ut infraraudt ljos, foton, bylgjer med låg frekvens som me ikkje kan sjå. Fyrst når noko vert raudglødande vert det synleg.

I kikkerten er det ei biletbrikke, eit elektronisk auge, som fangar opp det infraraude ljoset, forsterkar det og «omset» det til grønt, slik at me kan sjå ting i mørkeret. Grønt vert brukt fordi auga våre er mest følsame i den delen av det synlege fargespekteret.

Pedagogar seier at ytre motivasjon ikkje hjelper på nytenking og læring. Vel, Bill Boyle og George Smith er provet på at frykt fungerer. Den 17. oktober 1969 vart dei kalla inn på teppet til sjefen av Bell Labs. Dersom dei ikkje kom med noko nytt snart, ville det ikkje lenger verta løyvd midlar til vidare drift av avdelinga deira. Nokre timar seinare var skissa til CCD, Charge Coupled Device, det vi i dag kjenner som biletbrikka, eller den digitale filmen, teikna på tavla til Bill. Foto og film vart endra for alltid, og Bill og George fekk nobelpris i fysikk i 2009.

Kvifor ser me ikkje noko når det er mørkt? For å kunna sjå noko treng me ei ljoskjelde, anten sola eller kunstig ljos. Når ljos treffer til dømes ein katt, vert noko av det absorbert og resten sendt tilbake til auget.

I ei SPAD-fotocelle vert kvart foton fanga opp og gjev eit skred av elektron som gjev målbar straum.

Kjelde Canon

No har ein klart å laga kamera som kan fanga opp dei einskilde byggjesteinane for ljoset, fotonet, og forsterka dei, slik at me også kan sjå synleg ljos og fargar i nærast totalt mørker. For å forstå korleis dei verkar, må me studera korleis digitale kamera fungerer.

I eit digitalt kamera vert ljoset fokusert via linsa til biletbrikka (2). Ho er dekt av eit mosaikkfilter (1) med ulike fargar for å fanga opp fargar i tillegg til ljosstyrke. Det vert kalla eit Bayer-filter, og det har raude, grøne og blå filter. På den måten fangar ein all informasjon som trengst for å gjenskapa det hjernen tolkar som fargar. Sidan auga våre er mest sensitive for grønt, er det flest grøne filter.

Bayer-filteret har ei oppbygging der dei ulike fargefiltera er jamt fordelte. For til dømes å finna kor mykje raudt som treffer brikka der fotocellene er dekte med grønt og blått, reknar datamaskinen i kameraet ut mengda av raudt ut frå dei verdiane ein har i dei omliggjande fotocellene som er dekte med raudt filter.

Nokre kamera har også ein gråkvit mosaikk for å regulera mengda av ljos som skal treffa dei einskilde fotocellene. Då kan ein få bilete med rett kontrast som syner detaljar både i dei ljose og i dei mørke partia. Fotocellene er berre om lag ein kvadratmikrometer store. Til samanlikning er arealet av eit hårstrå fire tusen gonger større. Mindre kan heller ikkje fotocellene vera, sidan ljoset har ei bylgjelengd som er omtrent like kort.

I sensoren, som har millionar av fotoceller, slår foton laus elektron som dannar ein liten straum, og den vert forsterka (3), før han vert omgjord til digitalt signal (4). Deretter vert biletet prosessert (5) og halde i eit bufferminne (6) til det vert lagra på minnekortet.

Dei fyrste biletbrikkene var CCD. Dei har såkalla potensialbrønnar som vert fylte med elektron når dei vert eksponerte for ljos. Straumen frå kvar celle vert så lesen ut rad for rad. Teknologien er framifrå, men kostbar, og han vert nytta der ein treng god kvalitet. Eit døme er astronomi.

Canon MS-500 er kameraet som kan sjå fargar i mørkeret.

Kjelde Canon

Frå om lag 2000 tok CMOS-brikkene over. I tillegg til potensialbrønn til å samla foton har ein for kvar celle elektronikk til vidare handsaming av ljossignalet. I CMOS-biletbrikka les ein ut data sekvensielt, noko som kan resultera i at det tek lengre tid å lagra data. Dermed set det høgare krav til prosessor og overføring, og det tek lengre tid før kameraet er klart til eit nytt bilete.

Ein ynskjer å lesa ut alle fotocellene samstundes for å få kortare eksponeringstid og raskare prosessering, men det er dyrt og vanskeleg. CMOS-teknologien finn ein no i dei fleste produkta som er meinte for vanlege forbrukarar.

Trøysta er at teknologien vert stadig betre. Det er berre å læra seg ei ny forkorting: SPAD (Single Photon Avalanche Diode). I ei slik fotocelle syrgjer kvart foton for eit skred av elektron. Ei kan altså måla ekstremt låge ljosstyrkar og sjå fargar i mørkeret. I tillegg kan ein «frysa» særs raske rørsler, sidan eksponeringstida er ekstremt raske 100 picosekund. SPAD-teknologien er ny og prisen på kamera som nyttar SPAD, er utanfor rekkjevidd for ein vanleg lønsmottakar. Men det er berre å sjå fram til ei jol om nokre år, når du kan pakka opp eit slikt kamera og byrja å fanga foton til bilete i alle fargar, sjølv etter at sistemann har sløkt ljoset. 

Per Thorvaldsen

pth@hvl.no