四位IEEE研究员分享伊丽莎白女王数码相机奖

CCD、固定光电二极管和CMOS成像仪的发明者获得了100万英镑的奖金

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Samuel K.Moore是IEEE Spectrum的半导体编辑。

Michael F.Tompsett与Eric R.Fossum和Nobukazu Teranishi自拍
Michael F.Tompsett与Eric R.Fossum(中)和Nobukazu Teranishi(右)自拍
照片:伊丽莎白女王工程奖

四名工程师和IEEE研究员因在图像传感器方面的重大创新而获得了100万英镑的奖金伊丽莎白女王工程奖.诺贝尔奖赢家乔治·E·史密斯迈克尔·汤普塞特获得电荷耦合器件(CCD)成像仪,与Nobukazu Teranishi共同获奖,Nobukazzu Teranishi通过发明固定光电二极管和埃里克·R·福森他发明了CMOS成像仪,这项技术在大多数应用中取代了CCD,并允许智能手机和其他移动设备中的摄像头大量增加。

在一个电荷耦合器件,每个像素都是一个势阱。落在像素上的光通过光电效应转化为电荷。电荷在井内累积,然后从井到井推动,直到到达测量电荷量的电路,并生成电荷的数字表示。

这个奖项对汤普塞特来说一定特别甜蜜,因为他错过了2009年的诺贝尔CCD成像仪奖。1969年发明时,史密斯是Tompsett在贝尔实验室的老板。史密斯和已故的威拉德·博伊尔在试图发明一种新的存储器时发明了CCD。史密斯说,这项发明在成像方面的应用是显而易见的,但实际上是汤普塞特促成了这一点。

IEEE研究员尤金·戈登(Eugene I.Gordon)告诉我们:“如果不是迈克的坚持不懈,贝尔实验室就不会对CCD进行任何成像工作。”IEEE综览2009年。当CCD发明时,Gordon为Boyle工作,他是Smith的主管。(尤金·戈登他对CCD的发明提出了自己的主张波义耳以及史密斯强烈否认。)

作为IEEE综览当时的解释是:

20世纪70年代,托姆普塞特(Tompsett)管理贝尔实验室的CCD小组,是美国专利号4085456“电荷转移成像设备”中列出的唯一发明人。该专利于1971年申请,涵盖线性扫描仪和区域成像仪。

Tompsett的关键发明是一种称为帧传输的方案。本发明解决了将CCD用作成像仪的一个大问题:即使读出每一行像素,CCD仍会继续感应光线并收集电荷,从而沿着电荷转移的方向涂抹图像。Tompsett的想法是将整个CCD结构复制到芯片上未暴露于图像的部分。他找到了一种方法,可以快速将成像CCD中收集的电荷转移到隐藏的CCD中。然后从隐藏的CCD读出图像,而成像侧拍摄另一张照片。

汤普塞特拍摄了第一张公开的CCD图像,这张照片是他妻子玛格丽特·汤普赛特博士的照片,登上了数码产品杂志。

这个钉扎光电二极管-Teranishi于1980年在NEC发明,但直到1984年才被命名为像素中的吸光结构,它解决了早期CCD的许多问题,并保留在后来的CMOS成像器中固定光电二极管IEEE电子器件学会杂志[PDF]于2014年发布。Teranishi自己的评论于2016年出版IEEE电子器件汇刊

的像素CMOS成像器比CCD成像仪更复杂,因为每个成像仪都有自己的放大器。福苏姆的任务是设计微型摄像机系统,他发明了这种电路,1992年在美国宇航局喷气推进实验室称之为CMOS有源像素传感器。随着光刻技术的改进和投资的涌入,CMOS逐渐取代了CCD,并允许相机芯片安装在低功耗的小型设备中。根据颁奖公告,每秒制作100个新的CMOS图像。

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