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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611303]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、CCD，数码摄影的电子眼
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CCD是电荷耦合器件（charge-coupled device）的英文缩写。这种器件原本是作为一种电子内存而研发的。1969年秋天，美国贝尔实验室的博伊尔（Willard S. Boyle）和史密斯（George E. Smith）从事的就是这种研发工作。但CCD的真实用途几乎立刻就转变为了感光器件。
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CCD的感光原理是建立在一种被称为光电效应（photoelectric effect）的现象之上的。这种现象曾被电磁波的发现者，德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz）观察到——因此有时也被称为赫兹效应（Hertz effect），后来又经过了实验物理学家勒纳（Philipp Lenard）的研究，并由爱因斯坦利用当时还很新颖的光量子理论作出了理论解释（勒纳德与爱因斯坦因此分别获得了1905和1921年的诺贝尔物理学奖）。按照光电效应，适当频率的光照射到某些物质上时，会从物质中打出电子，其数目与光强成正比。
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利用这一效应，博伊尔和史密斯将感光材料制成了一个由很多小单元组成的阵列[6]，当光照射到阵列上时，会在每个小单元上打出一些电子。这些电子的数目分布很好地记录了入射光的强度分布。为了保存这些电子，博伊尔和史密斯让每个感光小单元都配有一个微小的电容。在感光过程结束后，这些小电容里的电子通过巧妙设计的电路逐排传递出去，并转变成为数字信号。这就是CCD的工作原理，而由那些数字信号组成的就是所谓的数码影像。由于CCD所用的将电子逐排传递出去的方式很像早年消防队员人工传递水桶的情形，因此这种器件也被称为“组桶式”器件（bucket brigade device），如图10所示。
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图10 CCD“组桶式”传输电子的比喻图
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萌生CCD设想后的第二年，博伊尔和史密斯就将它用到了摄像机上；1972年，一家美国公司率先制造出了具有10 000（100×100）个感光单元的CCD传感器；1974年，第一张CCD天文相片问世；1975年，CCD摄像机达到了可用于电视转播的水准；1979年，CCD被首次安装到了天文望远镜上……CCD的发展走上了快车道。近年来，在CCD的冲击及其他因素的影响下，世界最大的胶卷生产商柯达公司（Eastman Kodak Company）陆续停止了普通胶片及胶片相机的生产。从某种意义上讲，这意味着一个时代——光学摄影时代——的终结。当然，它同时也是一个新时代——数码影像时代——日益成熟的标志。
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那么，年轻的CCD与历史悠久的普通胶片相比究竟有什么优点呢？主要的优点有两个：一个是敏感度高，CCD能对90%左右的入射光子产生反应，也就是说，100个入射光子约有90个能在CCD的感光材料上产生电子，从而得到记录。而普通胶片及肉眼只能记录其中1～2个（高质量的胶片也只能记录10个左右）。另一个是适用范围广，CCD可用于从红外到X射线的各种波段。而普通胶片的适用范围却很狭窄，早期的普通胶片甚至无法有效地涵盖可见光区内的红光，从而使得像褐矮星、红移值较高的类星体之类偏于长波的天体的发现大大延后。此外，普通胶片需要冲印，这对日常使用来说虽只是小麻烦，但对行星探测器来说可就要了命了，因为行星探测器大都是一去不复返的，不可能将胶片带回地球冲印。而CCD的数码信息却可以通过电波传回地球。我们今天看到的那些美轮美奂的行星图片，或哈勃太空望远镜（Hubble space telescope）拍摄的遥远星云都是因为有了CCD这只电子眼才成为了可能。对于观测天文学来说，CCD是一项能媲美望远镜与光谱仪的伟大发明。
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光纤通信与CCD都是技术成就，但它们对于科学研究同样是必不可少的。今天的科学家们每天都在通过光纤大动脉交流着研究信息；翱翔在外层空间的太空望远镜每天都在用CCD电子眼窥视着这个让人着迷的宇宙。从这个意义上讲，获得今年诺贝尔物理学奖的虽是技术领域的工作，却对科学的发展有着意义深远的促进。
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附录：获奖者小档案
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博伊尔
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高锟（Charles K. Kao）：拥有英国和美国双重国籍的华裔科学家，1933年11月4日出生于中国上海，1965年获伦敦帝国大学（Imperial College London）电子工程学博士学位。高锟曾在英国标准电信实验室（Standard Telecommunications Laboratories）、香港中文大学等处任职，1996年退休，目前居住在美国。 博伊尔（Willard S. Boyle）：拥有加拿大和美国双重国籍的科学家，1924年8月19日出生于加拿大艾姆赫斯特（Amherst），1950年获加拿大麦吉尔大学（McGill University）物理学博士学位。博伊尔自1953年起在美国贝尔实验室（Bell Labs）任职，期间曾于20世纪60年代参与阿波罗登月计划，1979年退休，目前居住在加拿大。 史密斯（George E. Smith）：美国科学家，1930年5月10日出生于美国怀特普莱恩斯（White Plains），1959年获美国芝加哥大学物理学博士学位。史密斯自1959年起在美国贝尔实验室（Bell Labs）任职，期间获得过几十项技术专利，1986年退休，目前居住在美国。 2009年10月11日写于纽约
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[1]本文曾发表于《科学画报》2009年第11期（上海科学技术出版社出版）。
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[2]由于这三位科学家的出生地及国籍丰富多彩，媒体在报道他们的获奖消息时充分发挥了灵活性。这三人在美国媒体上是三位美国科学家；在英国媒体上是一位英国科学家与两位美国科学家；在加拿大媒体上则是一位加拿大科学家与两位美国科学家。中国媒体自然也不落后，大陆媒体突出高锟的华人血统，香港媒体突出其任职香港中文大学的经历，台湾媒体则突出其“中央研究院”院士的身份。
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[3]霍克汉姆于1969年获得电子工程学博士学位，一生获得过16项专利。高锟曾在2004年的一次访谈中提到，霍克汉姆从事的是理论研究。高锟成为当年那项研究的唯一获奖者，有可能是因为霍克汉姆当时还只是一位研究生。诺贝尔奖有过忽略研究生的先例，比如英国天文学家休伊什（Anthony Hewish）因脉冲星的发现而获得了1974年的诺贝尔物理学奖，他的学生贝尔（Jocelyn Bell Burnell）虽然是实际上的发现者，却没有获奖。当然，高锟在那篇论文发表之后又与其他人合作，对其他材料、其他波长的光纤应用进行了研究，为工业界指出了更具体的努力方向，这也很可能是他成为那项研究的唯一获奖者的原因。
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[4]高锟被一些媒体称为“光纤之父”，不过“光纤之父”之名在此次诺贝尔物理学奖公布之前，通常是指美籍印度裔科学家卡潘尼（Narinder Kapany），他在20世纪50年代做过很多光纤方面的工作。另外要提到的是，与高锟的研究同年，德国科学家伯尔纳（M. Boerner）也提出了类似的观点，并在德、英、美等国获得了专利，不过此人不久后就去世了。