十三物什之二：数码相机——CCD诞生记
专栏
上世纪60年代，贝尔实验室的研究人员发明了CCD，一开始准备用来做存储器的CCD却成了数码相机的核心部件。短短三四十年时间，数码相机的发展令人惊叹，而博伊尔和史密斯也因为CCD的成功，让世界记住了他们。
阴差阳错却改变世界
威拉德·博伊尔是加拿大人。他出生在新斯科舍省，几岁的时候和家人一起搬到魁北克。出于某些原因，在上高中之前他一直没有去过学校；早期教育完全由他的母亲在家里完成。后来，他获得了诺贝尔奖。
2009年，博伊尔和他早年在贝尔实验室的同事乔治·史密斯获得了诺贝尔物理学奖，获奖理由是他们在上世纪60年代中期发明了电荷耦合器件。这种往往被缩写成“CCD”的器件最早是计划用来做存储器的；但是人们很快意识到它可以用在其他地方。基于CCD制造出的数码相机让人们几乎在记录影像的同时就可以看到结果，而且长期来看，它的成本比传统的底片要低许多。它能捕捉到的入射光比传统底片更多，这也让它可以很好地用于天文观测领域。另外，它还可以感应红外线，由此又衍生出了在红外线影像、夜视装置等等领域的应用。现在，CCD已经成为了使用最广泛的图像记录装置。
但是，这两位发明者最初的意图，不过是想要开发出能与磁泡存储器一争高下的存储设备而已，不过他们选择的方式是光电效应。
光电效应早就为人们所知——1839年，法国物理学家亚历克山大·贝克勒尔发现了半导体材料经过光照后，表面会携带电荷——但是长期以来，它只被视为可能的新能源。一百多年间，用硒和硅制造的光伏电池一直徘徊不前，直到50年代，也才只能达到6%左右的转换效率。而博伊尔和史密斯则发现，这种器件可以改造成记录图像的工具。
和传统底片照相机类似，CCD也可以一次记录一整张图片。一片CCD上有许多微小的方形感光单元，每一个单元就像是传统相机底片上的感光颗粒。当有光照射时，感光单元上将会聚集电荷，电荷的数量和感光强度有关。在曝光之后，所有产生的电荷都会被转移到邻近的单元中，在到达CCD边缘后再传入放大器，转变成电位，记录下每个感光单元感受到的光强度。在对整块CCD上的所有感光单元都进行了同样的处理后，再存进储存器。这样，图像的光强信号就可以以电荷强度信号来表示了。
发明者之争
博伊尔和史密斯有不少共同之处。除了他们两个都是应用物理学家之外，他们也都曾经在海军服役。博伊尔读了两年大学后参军，但是他晕船。这对海军来说是致命的缺陷，不过幸好他还能开飞机。做了几年战斗机驾驶员之后，他重新回到学校一路读到博士毕业，进入贝尔实验室工作。1962年，他和他的同事发明了红宝石连续激光器，后来又发明了半导体连续激光器。现在，红宝石激光器往往被用在医疗领域，而半导体激光器则早已是CD机的核心部件。而在这时候，史密斯刚刚进入贝尔实验室不久。
史密斯比博伊尔小六岁，出生在纽约。他在宾夕法尼亚大学和芝加哥大学获得了硕士和博士学位——据说他的博士论文只有三页纸。随后，他的职业生涯基本上就全交给了贝尔实验室，直到退休。他也曾经获得许多专利，但是最容易被人们记住的，依然是CCD。
上世纪60年代是各种计算机技术蓄势待发的时代，许多科研机构都在竞赛般开发更新更快的设备，这种竞争的激烈程度和世界超级大国之间的军备竞赛相比也不遑多让。当博伊尔从他的主管那里听说磁泡存储器已经被开发出来的时候，感觉深受打击。他马上找到了史密斯，在一块黑板前工作了很久，最终证明他们设想的CCD在技术上是可行的。几个月后，CCD的样品终于被制造出来，证明在CCD上电荷的存储和传输的确可行。
他们当时申请的专利，是以把CCD作为存储器件为基础的。也许这两位发明者自己也没有想到，这种器件可以成为现今相机的核心部件。但是无论如何，CCD发明者的称号已经落到了他们的头上。
在他们获得了诺贝尔奖之后，当年他们的同事迈克尔·汤普西特发表了文章，认为自己才应该是CCD的真正发明人。他说虽然博伊尔和史密斯设计了CCD，但是汤普西特申请的CCD可以用于图像捕捉的专利，才是世界上第一个提出把CCD用于成像领域的设想。
不得不说，这种争论在技术史上并不少见；现在依然有人在争论到底ABC还是ENIAC才是真正意义上的第一台电子计算机。也许就连当事人自己也无法做出完整准确的判断，也许只有历史才能给出最好的答案；但是无论如何，他们的发明的确改变了世界。