2009年10月6日,瑞典皇家科学院宣布:被称为光纤之父的华人科学家高锟与发明电荷耦合器件(CCD)图像传感器的美国科学家威拉德•博伊尔和乔治•史密斯三人一同获得2009年诺贝尔物理学奖。三位科学家的发明成果对安防产业的发展具有深远影响,尤其是CCD技术。
电荷耦合元件 (CCD,Charge-coupled Device)是一种积体电路,上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数位讯号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
1969年,美国贝尔实验室(Bell Labs)的威拉德•博伊尔(Willard Boyle)和乔治•史密斯(George E. Smith)发明了CCD。他们命名为「电荷『气泡』元件」(Charge "Bubble" Devices)。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用「注入」电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。
到了1970年代,贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。 含格状排列像素的CCD应用于数位相机、光学扫瞄器与摄影机的感光元件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优于传统菲林(底片)的2%。因此,CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机、天文学领域外,还广泛应用于摄像机、扫描仪,以及工业领域等。此外,在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中,也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。
2006年元月,博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会(IEEE)颁发的Charles Stark Draper奖章,以表彰他们对CCD发展的贡献。2009年,博伊尔和史密斯凭借此摘取了诺贝尔物理学奖。
威拉德·博伊尔 乔治·史密斯
“没有CCD,数码相机的发展将更为缓慢。没有CCD,我们就不会看到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片,也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图像。”评委会专家一同称赞说。
有“光纤之父”之称的高锟,1933年出生于上海,少年时期随家庭南迁香港,完成中学学业,其后留学英国,专攻电子工程,成为该领域世界知名专家。1970年,他学成归来,为香港中文大学筹建工程学院,并于1987年至1996年间担任中大校长。
“光纤之父”高锟
在详细研究了玻璃介质的传输损耗后,高锟于1966年发表了题为《用于光频的介质纤维表面波导》,开创性地提出光纤在通讯应用方面的基本原理——制造光纤的玻璃纯度是减低光能损耗的关键,而熔炼石英正是可以制造高纯度玻璃的材质。在他的努力推动下,1971年,世界上第一条1公里长的光纤问世,第一个光纤通讯系统也在1981年启用。短短几十年间,光纤网络已遍布全球,并以每小时增加数千公里的速度扩展,极大地促进了互联网等通讯技术的发展。
2009年度诺贝尔物理学奖公布时,诺贝尔奖评审委员会如此形容高锟在光学通讯上取得的开创性成就:“令文字、音乐、影像和影片在一瞬间传到世界各地”。
如果说CCD与光纤电缆成就2009诺贝尔物理学奖,那么可以肯定的说诺贝尔物理学奖三位得主的成果将推动整个社会的进步,安防行业也受益匪浅。