Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

В сущности та же физика используется в основе цифровых камер. Каждый пиксель в сенсоре цифровой камеры состоит из маленького кусочка полупроводникового материала, на который некоторое время падает свет. Тогда падающие на него фотоны не полностью выбивают электроны из материала, а выводят его из неподвижного состояния в такое, когда он может свободно передвигаться (подробнее я расскажу об этом в главе 8). Когда затвор камеры открыт, чтобы снять фотографию, все электроны в пределах одного пикселя начинают свободно течь и собираются[68], создавая напряжение, что дает значение яркости света, падающего на этот пиксель. В конце времени выдержки все эти напряжения от пикселей считываются, чтобы создать образ.

Фотосенсоры, основанные на кремнии, имеют огромные преимущества за счет малых размеров и возможности удобной интеграции с процессорами, обрабатывающими цифровую информацию. Сегодня процессор в камере достаточно мал, чтобы использовать в мобильном телефоне. Он содержит такое число пикселей, что успешно конкурирует с цифровыми камерами профессионального уровня. Камера в моем смартфоне имеет 16.1 миллиона пикселей (стандартное фото имеет размер в 5344 Ангстрема[69] – 3006 пикселей), в то время как моя хорошая DSLR камера имеет 24 миллиона (6000 Ангстрем × 4000 пикселей). Основное ограничение по качеству в наши дни для мобильных телефонов представляет оптическая часть системы, а не электронная: сборный пакет линз, достаточно малый, сейчас имеет более ограниченные возможности, чем большие линзы отдельной камеры. Для большинства людей, которые не слишком серьезно относятся к фотографии, эти ограничения не так заметны.

Для создания цветных датчиков решетка из красных, зеленых и синих фильтров размещается поверх массива пикселей таким образом, что каждый пиксель определяет свет одного цвета. Чтобы образовать конечное изображение, напряжения от расположенных рядом пикселей разного цвета комбинируются для определения смеси красного, зеленого и синего цветов, что наилучшим образом определяет свет в этой точке изображения.

Цифровые камеры измеряют только три цвета, поскольку это очень похоже на тот способ, которым человеческий глаз обрабатывает свет для определения цвета. Когда фотон ударяется в светочувствительную клетку сетчатки глаза, энергия фотона запускает изменения конфигурации молекулы протеина, что далее запускает цепь химических реакций, которые в итоге посылают сигнал в мозг, чтобы проинформировать: эта конкретная клетка почувствовала свет. Существует три разновидности этих клеток, каждая чувствительна к различным длинам волны фотона, и мозг использует различные отклики от каждого типа для воспроизведения цвета, который мы видим. Максимальная чувствительность находится на длинах волн, соответствующих синему, зеленому и желто-зеленому свету, хотя все три типа клеток чувствительны к широкой части спектра. Наш мозг получает цвет смешением уровней активности этих клеток: красный цвет запускает работу рецепторов только длинных волн, синий цвет – коротких, а зеленый цвет – всех трех[70]. Телевизор и компьютер использует смесь этих трех цветов для запуска этих рецепторов в правильных пропорциях, чтобы копировать спектр света, приходящего от разных реальных предметов, и обманывает мозг, которому кажется, что он видит богатство различных цветов.

В то время как требуется всего один фотон, чтобы запустить процесс определения света, типичный сенсор цифровой камеры не может достичь чувствительности к единичным фотонам, потому что случайное тепловое движение, существующее в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, может спонтанно генерировать свободные электроны внутри датчика. Чтобы быть уверенным, что записанный в конкретном пикселе сигнал показывает реальный свет, число фотоэлектронов должно превысить этот «темный поток», и тогда можно будет зарегистрировать его в датчике, что ограничивает чувствительность при низкой освещенности. Этот эффект очень сильно зависит от температуры, поэтому профессиональные научные камеры, используемые астрономами и в экспериментах по квантовой оптике, обычно имеют датчики, охлаждаемые для уменьшения «темного потока» до уровней, которые позволяют уверенно регистрировать отдельные фотоны.

Та же проблема с «темным потоком» влияет на наши глаза: фото-чувствительные химические вещества в нашей сетчатке могут зарегистрировать отдельный фотон, и в тщательно контролируемых лабораторных экспериментах волонтеры иногда могут зафиксировать световые вспышки, содержащие лишь несколько фотонов. В более типичных ситуациях, однако, требуется что-то порядка сотни фотонов, попадающих в глаз в течение нескольких миллисекунд, чтобы человек уверенно заметил слабую вспышку света. Конечно, вряд ли можно порекомендовать охлаждение сетчатки человеческого глаза для уменьшения «темного потока» и повышения чувствительности.