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工人日报 2011年05月21日 星期一

光影大师

【逝者】威拉德·博伊尔

□丁国元
《工人日报》(2011年05月21日 007版)

“这些日子里,我总能看见自己……看见所有人都在用那些小巧的数码照相机。” ——威拉德·博伊尔

加拿大物理学家威拉德·博伊尔主持发明电荷耦合器件(CCD)图像传感器,是数码相机和摄像机的关键部件,使光影的数码采集和处理成为可能,他也因此被称为“光影大师”。2009年,博伊尔与乔治·史密斯和“光纤之父”高锟三人共同获得诺贝尔物理学奖。5月7日,博伊尔因肾病不幸逝世,享年87岁。

博伊尔1924年8月出生于加拿大阿默斯特,3岁时随家人搬迁到魁北克城以北350公里的一个小村庄。那里气候寒冷,夜晚黑暗,交通不便,出行基本依靠狗拉的雪橇。8岁那年,他的父亲让他在夜晚出门给狗喂食。从家门口到狗窝,他需走过大约100米距离。“走在煤油灯下形成的一小圈光影里,被极度寒冷和黑暗包围,”他说,“那有一种可怕的感觉。”“光影大师”称谓含有特殊意义,是对他克服童年对黑暗恐惧的一种肯定。

1947年、1948年和1950年他分别在麦吉尔大学取得理学学士学位、理学硕士学位和博士学位。3年后,他进入美国贝尔实验室。博伊尔不仅是CCD图像传感器两名发明者之一,实际上他做出的贡献还很多。1962年,他与人合作发明第一台红宝石连续激光器。博伊尔还与另一名科学家获得了有关半导体注入式激光器的第一个专利。如今,光碟(CD)的录制和播放大多需要依靠博伊尔发明的半导体激光器技术。

2009年10月6日,博伊尔和另一位前美国贝尔实验室研究员乔治·史密斯因发明了成像半导体电路,即电荷耦合器件(CCD)图像传感器而获了2009年诺贝尔物理学奖。最让人震惊的是,博伊尔和史密斯当年仅思考了1小时就提出了CCD图像传感器的最初研制构想。随后,博伊尔又及时提出了更具竞争力的成像半导体技术设计,这也是“即时显影”技术的雏形。

CCD图像传感器的发明,实际上是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果,即光照射到某些物质上,能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践,道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战,在于如何在很短的时间内,将每一个点上因为光照而产生改变的大量电信号采集并且辨别出来。

经过多次试验,博伊尔和史密斯终于解决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料,将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号,使得高效存储、编辑、传输都成为可能。简单地说,CCD图像传感器就像是胶片一样,有了它,人们就再不用耗时费力地去冲洗胶片了。

在发明CCD技术一年后,博伊尔和史密斯就首次将CCD技术用于制造摄像机。正是这一步步充满创意的设想,彻底改变了摄影技术的发展,实现了数字化的成像技术,也为现代数码照相机和摄像机的诞生奠定了坚实的技术基础。

每当新型数码相机上市时,博伊尔都会购买一台,以纪念自己的发明成果。因此,他拥有多台数码相机,而数码相机的更新速度之快,也令这位老者感到应接不暇。

正如诺贝尔委员会所说,CCD就像是数码相机的“电子眼”,它能通过电子信号捕获光线来替代繁琐而昂贵的胶片成像,极大地方便了图像的处理和传输。自问世以来,这个最初仅有硬币大小的装置便开启了全新的行业和市场,被广泛应用于数码相机、摄像机和条形码阅读器等设备以及安全监控、医疗内窥技术、现代天文学和视频会议等领域。

数字摄影已成为许多研究领域不可替代的工具,无论是大海中的深邃之地,还是宇宙中的遥远深空,CCD图像传感器都能给我们带来清晰的影像。

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