Уиллард Бойл

Краткая биография

Жизнь и работа

Уиллард Бойл родился 19 августа 1924 года в Амхерсте, в канадской провинции Новая Шотландия. Когда он был ребёнком, семья переехала в небольшое лесозаготовительное поселение в Квебеке, где его отец работал врачом. Школы поблизости не было, поэтому первые годы Бойла учила дома мать. Позже он продолжил образование в Монреале. Этот путь — от удалённого канадского поселения до одной из ведущих исследовательских лабораторий мира — оказался необычным даже для поколения учёных, чья молодость пришлась на Вторую мировую войну.

Во время войны Бойл служил в Королевском военно-морском флоте Канады и проходил подготовку как лётчик. После войны он вернулся к физике и учился в Университете Макгилла в Монреале. В McGill он последовательно получил степень бакалавра в 1947 году, магистра в 1948-м и доктора философии по физике в 1950-м. Таким образом, всё его университетское образование — от первой степени до PhD — было связано с McGill.

В 1953 году Бойл пришёл в Bell Laboratories — исследовательский центр, сыгравший огромную роль в развитии физики полупроводников, электроники и телекоммуникаций. CCD был далеко не единственным результатом его работы. Вместе с Дональдом Нельсоном Бойл разработал первый непрерывно работающий рубиновый лазер. В начале 1960-х годов он также руководил исследованиями в Bellcomm и участвовал в технической поддержке американской лунной программы Apollo, в том числе в изучении возможных районов посадки на Луну.

Но работа, которая изменила историю изображения, началась с другой задачи. В 1969 году Bell Labs активно исследовала новые способы хранения и передачи информации. Руководство хотело получить конкурентоспособную полупроводниковую альтернативу разрабатывавшейся тогда магнитной памяти. Бойл и его коллега Джордж Смит начали обсуждать, можно ли перемещать информацию внутри полупроводника не в виде отдельных проводных соединений, а в виде небольших пакетов электрического заряда. Во время короткой встречи у доски они набросали принцип устройства, которое стало называться charge-coupled device — прибором с зарядовой связью, или CCD.

Идея оказалась особенно мощной потому, что кремний способен реагировать на свет. Когда фотон попадает в светочувствительную область CCD, его энергия может создать электрический заряд. Чем больше света падает на конкретный участок сенсора, тем больше накопленный заряд. Затем эти пакеты заряда последовательно перемещаются по структуре микросхемы к выходу, где их величину можно измерить. Если расположить множество таких светочувствительных элементов в матрицу, интенсивность света в каждой точке изображения можно превратить в электрические данные, а после аналого-цифрового преобразования — в цифровое изображение. Так полупроводниковая микросхема получила функцию своеобразного электронного глаза.

Бойл и Смит предложили основной принцип CCD, однако превращение идеи в полноценную технологию было коллективной работой Bell Labs и других исследователей. Уже в 1970 году они опубликовали описание устройства в Bell System Technical Journal, а последующие эксперименты показали возможность создавать на основе CCD светочувствительные матрицы. Постепенно электронные сенсоры начали заменять фотоплёнку там, где требовались высокая чувствительность, точные количественные измерения и возможность немедленно обрабатывать изображение компьютером.

Особенно значительным оказался эффект в науке. CCD позволили телескопам регистрировать гораздо более слабые источники света и сразу получать данные в цифровой форме. Такие сенсоры использовались в инструментах космического телескопа Hubble и во многих наземных обсерваториях. Тот же общий принцип электронного детектирования света стал важен для микроскопии, спектроскопии и медицинских систем визуализации. В потребительских камерах значительную часть задач позднее взяли на себя CMOS-сенсоры, но именно CCD сыграл ключевую историческую роль в переходе от химической фотографии к электронному изображению.

В 2009 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили половину Нобелевской премии по физике «за изобретение полупроводниковой схемы для получения изображений — CCD-сенсора». Вторую половину получил Чарльз Као за исследования оптической передачи данных по волокну. В 2010 году Бойл стал компаньоном Ордена Канады. Он умер 7 мая 2011 года в Новой Шотландии. Его главное научное наследие можно увидеть не только в истории цифровой фотографии: созданный Бойлом и Смитом принцип дал исследователям новый способ превращать отдельные фотоны в измеримый сигнал — и тем самым расширил возможности человеческого зрения от клетки под микроскопом до далёких объектов Вселенной.