De Nobelprijs voor natuurkunde gaat dit jaar naar drie fysici die meer dan veertig jaar geleden de basis legden voor respectievelijk de glasvezelrevolutie in de communicatietechnologie en de lichtsensoren waarmee digitale beelden kunnen worden gemaakt.

Het lijkt weer wat laat, een Nobelprijs voor onderzoek dat decennia geleden is uitgevoerd, maar weinigen zullen kunnen ontkennen dat het baanbrekende onderzoek in de jaren zestig aan lichttransport door glasvezels en ccd-sensoren van grote invloed is geweest. Thans transporteert een wereldwijd netwerk van een miljard kilometer glasvezels enorme hoeveelheden gegevens, van internet tot televisiesignalen, waaronder beeldinformatie opgenomen met digitale sensoren.

Charles H. Kao werkte in de jaren zestig bij de Britse Standard Telecommunication Laboratories, waar hij zocht naar een techniek waarmee een glasvezel minstens een procent van het aangeboden licht een kilometer kon vervoeren. In 1966 presenteerde hij zijn bevindingen, dat hiervoor zeer zuiver glas nodig was.

Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis
LEES OOK
Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis

Het duurde tot 1971 voordat wetenschappers bij het Amerikaanse bedrijf Corning Glass Works een geschikte glasvezel konden maken. In 1988 verbond een glasvezelkabel van zesduizend kilometer lang Europa met de Verenigde Staten. Ontwikkelingen op het gebied van optische versterking van licht maken dat glasvezels heden ten dage na een kilometer meer dan 95% van het aangeboden licht transporteren.

Willard Boyle en George Smith bedachten eind 1969 bij het befaamde Bell Labs de beeldsensor, met als doel een beter elektronisch geheugen. De ccd-sensor (charge-coupled device) is gebaseerd op het foto-elektrisch effect, waarvoor Albert Einstein in 1921 de Nobelprijs ontving. Dit effect slaat op het vermogen van licht om in een halfgeleidermateriaal elektronen vrij te maken. In de ccd-sensor bevindt zich een rooster van putjes waarin zich wel of niet vrijgemaakte elektronen kunnen bevinden. Elk putje is in feite een beeldpunt, een pixel. Na het maken van een opname, kan de elektronica rij voor rij meten of de putjes een elektron bevatten, en zo ontstaat een reeks van elektrische signalen die zich laat vertalen naar een digitaal beeld.

Kepler
De sensor meet in feite slechts zwart-wit-beelden – een pixel is zwart of wit – maar dankzij toepassing van meerdere kleurenfilters gebruiken we dergelijke sensoren nu ook voor kleurenafbeeldingen. De toepassing blijft niet beperkt tot het zichtbare licht, beeldsensoren kunnen bijvoorbeeld ook infrarood- of röntgenopnamen vastleggen.

Al een jaar na de uitvinding wisten Smith en Boyle een videocamera met een ccd-sensor uit te rusten en in 1975 bouwden ze een digitale videocamera met zo’n hoge resolutie dat die tv-beelden kon produceren. In de jaren tachtig volgde de werkelijke doorbraak van de beeldsensoren. In de astronomie verwierven de ccd-sensoren snel populariteit, mede door hun ongevoeligheid voor ruis, en bijvoorbeeld de ruimtetelescoop Hubble gebruikt dergelijke sensoren voor de mooie opnamen van verre sterrenevels. De Kepler-satelliet, die zoekt naar aarde-achtige planeten bij andere sterren, bevat een beeldsensor van 95 megapixels.

Erick Vermeulen