GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2009

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giải Nobel Vật lý năm 2009 được trao cho Charles Kuen Kao tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn ở Harlow (Anh) và Đại học Hong Kong Trung Quốc ở Hong Kong (Trung Quốc) “do các thành tựu có tính đột phá liên quan đến sự truyền ánh sáng trong các sợi trong thông tin quang” cùng với Willard Stirling Boyle và George Elwood Smith tại Các phòng thí nghiệm Bell (Bell Labs), Murray Hill, New Jersey (Mỹ) “do phát minh ra một mạch bán dẫn tạo ảnh gọi là bộ cảm biến CCD”. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2009

GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2009 Giải Nobel Vật lý năm 2009 được trao cho Charles Kuen Kao tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn ở Harlow (Anh) và Đại học Hong Kong Trung Quốc ở Hong Kong (Trung Quốc) “do các thành tựu có tính đột phá liên quan đến sự truyền ánh sáng trong các sợi trong thông tin quang” cùng với Willard Stirling Boyle và George Elwood Smith tại Các phòng thí nghiệm Bell (Bell Labs), Murray Hill, New Jersey (Mỹ) “do phát minh ra một mạch bán dẫn tạo ảnh gọi là bộ cảm biến CCD”. Giải Nobel Vật lý năm 2009 tôn vinh hai thành tựu khoa học giúp cho việc định dạng nền tảng của các xã hội nối mạng hiện nay. Các thành tựu này tạo ra
nhiều đổi mới thực tế trong cuộc sống hàng ngày và cung cấp các công cụ mới cho nghiên cứu khoa học. Khi Giải Nobel Vật lý được thông báo ở Stockholm, một phần lớn thế giới nhận được thông báo này gần như ngay lập tức. Với vận tốc gần như là vận tốc ánh sáng, nghĩa là với vận tốc lớn nhất, thông báo này được lan truyền khắp thế giới. Văn bản, hình ảnh tĩnh và động, lời nói được truyền đi theo các sợi quang và qua không gian và được tiếp nhận ngay lập tức trong các thiết bị nhỏ và thuận lợi. Sợi quang là một điều kiện trước hết cho sự phát triển cực nhanh này trong lĩnh vực thông tin liên lạc – một sự phát triển mà Kao đã dự đoán từ hơn 40 năm trước. Năm 1966, Kao có một phát minh dẫn đến một sự đột phá trong quang học sợi. Ông đã tính toán cẩn thận về việc làm thế nào để truyền ánh sáng đi xa thông qua các sợi thủy tinh quang. Với một sợi thủy tinh tinh khiết nhất ông có thể truyền các tín hiệu ánh sáng qua một khoảng cách là 100 kilômét so với khoảng cách chỉ là 20 mét đối với các sợi có thể có trong những năm 1960. Điều say mê của Kao gây cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác nhằm chia sẻ tầm nhìn của ông về tiềm năng tương lai của quang học sợi. Sợi cực kỳ tinh khiết đầu tiên đã được chế tạo thành công năm 1970 ngay bốn năm sau đó. Các sợi quang hiện nay tạo ra hệ tuần hoàn nhằm nuôi dưỡng xã hội thông tin của chúng ta. Các sợi thủy tinh tổn thất thấp này tạo điều kiện thuận lợi cho thông tin dải rộng toàn cầu như mạng internet. Ánh sáng lan truyền trong các sợi thủy tinh mỏng và nó mang hầu như toàn bộ khối lưu thông điện thoại và dữ liệu theo mỗi một hướng. Văn bản, âm nhạc, hình ảnh và viđêô có thể được lan truyền xung quanh Trái Đất trong chốc lát. Nếu ta gỡ toàn bộ các sợi thủy tinh bao quanh Trái Đất, ta sẽ có một sợi đơn dài 1 tỷ kilômét và nó đủ để bao lấy Trái Đất hơn 25 000 lần. Chiều dài này đang tăng lên hàng nghìn kilômét mỗi giờ. Một sự chia sẻ lớn của khối lưu thông do các ảnh số cấu thành và nó tạo nên phần thứ hai của Giải Nobel Vật lý năm 2009. Một vài năm sau phát minh của Kao, Boyle và Smith đã làm thay đổi cơ bản các điều kiện đối với lĩnh vực kỹ thuật chụp ảnh vì sự cần thiết của phim ảnh đối với máy chụp ảnh không còn lâu nữa do
các hình ảnh có thể bị bắt giữ về phương diện điện tử với một bộ cảm biến ảnh. Mắt điện tử CCD trở thành công nghệ đầu tiên thực sự thành công cho việc chuyển số các hình ảnh. Nó mở ra con đường dẫn tới một dòng chảy hàng ngày của các hình ảnh làm đầy các cáp sợi quang. Chỉ có sợi quang có khả năng chuyển các lượng dữ liệu lớn do công nghệ bộ cảm biến ảnh điện tử sinh ra. Năm 1969 Boyle và Smith đã phát hiện công nghệ tạo ảnh thành công đầu tiên khi sử dụng một bộ cảm biến số gọi là thiết bị liên kết điện tích CCD (Charge-Coupled Device). Công nghệ CCD sử dụng hiệu ứng quang điện. Albert Einstein đã đưa ra lý thuyết về hiệu ứng này và nhờ đó ông được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 1921. Do hiệu ứng quang điện, ánh sáng được biến đổi thành các tín hiệu điện. Thách thức khi thiết kế một bộ cảm biến ảnh là cần thu thập và đọc các tín hiệu trong một số lớn các điểm ảnh gọi là các pixel trong một thời gian ngắn. CCD là mắt điện tử của máy chụp ảnh số. Nó tạo ra một cuộc cách mạng trong kỹ thuật chụp ảnh khi ánh sáng bây giờ có thể bị bắt giữ về phương diện điện tử thay vì ở trên phim. Dạng số tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý và phân bố các ảnh này. Công nghệ CCD cũng đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng y học chẳng hạn như tạo ảnh nội tạng của cơ thể người đối với cả chẩn đoán và vi phẫu. Kỹ thuật chụp ảnh số trở thành một công cụ không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. CCD cung cấp những khả năng mới nhằm nhìn thấy những vật không thể nhìn thấy trước đây. Nó đem lại cho chúng ta những hình ảnh trong suốt về những nơi xa xôi trong vũ trụ cũng như ở các độ sâu của các đại dương. Nhờ ánh sáng Mặt Trời, chúng ta có thể nhìn thấy thế giới. Tuy nhiên, cần một thời gian dài trước khi con người đòi hỏi các kỹ năng điều khiển ánh sáng và hướng nó vào trong một ống dẫn sóng. Bằng cách đó, các thông điệp được mã hóa có thể được truyền đồng thời tới nhiều người. Sự phát triển này đòi hỏi nhiều phát minh lớn và nhỏ mà chúng tạo thành nền tảng đối với xã hội thông tin hiện đại. Sợi quang đòi hỏi công nghệ thủy tinh hiện đại để phát triển và sản xuất hàng loạt. Cần phải có một nguồn ánh sáng đáng tin cậy và điều này được cung cấp bởi công nghệ chất bán dẫn. Cuối cùng, cần phải lắp ráp và mở rộng một mạng khéo léo bao gồm
các tranzisto, bộ khuếch đại, chuyển mạch, máy phát. máy thu và các bộ phận khác cùng làm việc đồng thời. Cuộc cách mạng viễn thông diễn ra từ sự hợp tác của hàng nghìn nhà khoa học và công nghệ trên khắp thế giới. Triển lãm thế giới năm 1889 ở Paris tổ chức kỷ niệm 100 năm Cách mạng Pháp. Tháp Eiffel trở thành một trong các công trình tưởng niệm nổi tiếng nhất của triển lãm này. Tại đây có một màn trình diễn đáng chú ý của ánh sáng. Nó được thực hiện với đài phun nước trong đó có các chùm ánh sáng có màu sắc nhờ sử dụng điện. Vào giữa thế kỷ XIX, người ta cũng đã tìm cách tạo ra các chùm ánh sáng được dẫn bởi nước. Những cố gắng này đã chứng tỏ rằng khi một tia nước bị ánh sáng Mặt Trời rọi chiếu, ánh sáng đi qua tia nước và đi theo dạng cong của tia nước. Người ta phát hiện thấy các ảnh hưởng của ánh sáng trong thủy tinh hoặc nước từ trước đó rất lâu. Khoảng 4 500 năm trước đây, thủy tinh đã được chế tạo ở Mesopotamia và Egypt. Những người thợ thủy tinh Venetian có thể nhận biết màn trình diễn của ánh sáng diễn ra trong các đồ trang trí cuộn xoáy của họ. Thủy tinh chạm đã được sử dụng trong các giá nến nhiều ngọn và các đèn chùm treo pha lê và điều bí ẩn khó hiểu về cầu vồng thách thức trí tưởng tượng của nhiều người một thời gian lâu trước khi các định luật quang học đưa ra lời giải đáp ở thế kỷ XVII. Tuy nhiên, chỉ khoảng 100 năm trước đây những ý tưởng này mới xuất hiện trở lại và con người thử sử dụng các chùm ánh sáng bị bắt giữ. Một tia của ánh sáng Mặt Trời đi vào nước bị bẻ cong khi nó tới bề mặt nước vì chiết suất của nước cao hơn chiết suất của không khí. Nếu hướng của chùm sáng ngược trở lại, nghĩa là chùm sáng đi từ nước vào không khí thì nó có thể hoàn toàn không đi vào không khí mà bị phản xạ ngược trở lại nước. Hiện tượng này tạo thành cơ sở cho công nghệ ống dẫn sóng quang trong đó ánh sáng bị bắt giữ bên trong một sợi với chiết suất cao hơn chiết suất của môi trường xung quanh sợi. Một tia sáng hướng vào trong một sợi bị phản xạ nhiều lần với thành thủy tinh và chuyển động về phía trước do chiết suất của thủy tinh cao hơn chiết suất của không khí xung quanh.
Nghề y đã sử dụng các sợi quang ngắn và đơn giản từ những năm 1930. Nhờ một chùm của các đũa thủy tinh mảnh, ta có thể quan sát nội tạng hoặc răng của bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật. Tuy nhiên, khi các sợi tiếp xúc với nhau chúng cho ánh sáng thoát ra và chúng cũng có thể dễ dàng trở nên hư hỏng. Việc bao phủ sợi trần trong lớp bọc thủy tinh với chiết suất thấp hơn dẫn tới những tiến bộ đáng kể và những tiến bộ đó trong những năm 1960 mở đường cho việc sản xuất công nghiệp các thiết bị đối với điều trị dạ dày và các ứng dụng y học khác. Tuy nhiên, các sợi thủy tinh này là vô dụng đối với thông tin khoảng cách xa. Hơn nữa, một số ít sợi thủy tinh thực sự được chú ý về ánh sáng quang và đó là những ngày của công nghệ điện tử và vô tuyến. Năm 1956, người ta triển khai cáp xuyên Đại Tây Dương đầu tiên và nó cho phép thực hiện đồng thời 36 cuộc gọi điện thoại. Sớm sau đó các vệ tinh bắt đầu được sử dụng để phục vụ các nhu cầu thông tin ngày càng tăng. Điện thoại phát triển nhanh chóng và việc truyền hình đòi hỏi các khả năng truyền sóng cao hơn nữa. Khi so sánh với các sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy mang thông tin cao hơn hàng chục nghìn lần. Do đó, tiềm năng của các sóng ánh sáng quang không thể không được tính đến. Phát minh laze vào đầu những năm 1960 là một bước quyết định hướng tới quang học sợi. Laze là một nguồn sáng ổn định. Nó phát ra một chùm sáng mạnh hội tụ cao và người có thể bơm nó vào trong một sợi quang mảnh. Các laze đầu tiên phát ra ánh sáng hồng ngoại và đòi hỏi sự làm lạnh. Khoảng năm 1970, người ta phát triển các laze có nhiều ứng dụng thực tế hơn và có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng. Đó là một sự đột phá công nghệ mà nó tạo điều kiện thuận lợi cho thông tin quang. Toàn bộ thông tin bây giờ có thể được mã hóa thành một ánh sáng nhấp nháy cực nhanh biểu diễn các số một và số không. Tuy nhiên, người ta còn chưa biết làm thế nào để các tín hiệu như thế có thể truyền qua các khoảng cách xa hơn vì sau khoảng 20 mét, chỉ còn 1% ánh sáng đi vào trong sợi thủy tinh. Việc làm giảm sự mất mát này của ánh sáng trở thành một thách thức đối với một người nhìn xa trông rộng như Kao. Ông chuyển đến Hồng Kông cùng với
gia đình của mình vào năm 1948. Ông được đào tạo thành một kỹ sư điện tử và bảo vệ luận án tiến sĩ năm 1965 ở Luân Đôn. Lúc đó, ông cũng đã làm việc tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn. Ở đó, ông đã nghiên cứu tỷ mỷ các sợi quang cùng với một đồng nghiệp trẻ tuổi là George A. Hockham. Mục đích của họ là còn lại ít nhất 1% ánh sáng đi vào một sợi thủy tinh sau khi ánh sáng đi được quãng đường là 1 kilômét. Tháng 1 năm 1966, Kao giới thiệu các kết luận của mình. Không phải các khuyết tật trong sợi là vấn đề chính mà là thủy tinh được lọc sạch. Kao thừa nhận rằng điều này là khả thi nhưng rất khó. Mục đích là nhằm sản xuất thủy tinh tinh khiết chưa từng đạt được trước đó. Thủy tinh được chế tạo từ thạch anh – một loại khoáng có nhiều nhất trên Trái Đất. Để sản xuất thủy tinh, người ta sử dụng các chất phụ gia khác nhau như xôđa (cacbonat natri) và vôi để đơn giản hóa quá trình. Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết nhất trên thế giới Kao cho rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy và silica (oxit silic) nóng chảy. Sự nóng chảy xảy ra ở khoảng 2000 oC. Nhi ệt độ này khó điều khiển nhưng từ đó người ta có thể chế tạo các sợi cực mảnh. 4 năm sau vào năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Works, Mỹ – một nhà sản xuất thủy tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm đã chế tạo ra một sợi quang dài 1 kilômét bằng cách sử dụng các quá trình hóa học. Các sợi cực mảnh bằng thủy tinh có thể dường như rất dễ vỡ. Tuy nhiên, khi thủy tinh được tạo ra ở dạng sợi dài thì các tính chất của nó thay đổi. Nó trở nên bền vững, nhẹ và dễ uốn. Điều này là điều kiện trước tiên để sợi có thể được chôn vùi, ngâm trong nước hoặc uốn cong quanh các góc. Không giống như các cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy với sự chiếu sáng và không giống như thông tin vô tuyến, nó không bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu. Năm 1988, cáp quang đầu tiên được kéo dọc theo đáy Đại Tây Dương giữa Mỹ và châu Âu. Nó dài khoảng 6 000 km. Hiện nay, điện thoại và thông tin dữ liệu được truyền trong một mạng của các sợi thủy tinh quang với tổng chiều dài lên tới hơn 1 tỷ km.
Thậm chí trong một sợi thủy tinh có độ tinh khiết cao, tín hiệu bị suy yếu nhẹ dọc theo đường đi và được tăng cường khi nó được truyền qua các khoảng cách xa hơn. Nhiệm vụ này trước đây đòi hỏi kỹ thuật điện tử và bây giờ được thực hiện nhờ các bộ khuếch đại quang. Điều này khắc phục những tổn hao không cần thiết xảy ra khi ánh sáng được biến đổi thành tín hiệu điện tử và ngược lại. Hiện nay 95% ánh sáng được giữ lại sau khi nó đi được khoảng cách là 1 km so với mong muốn của Kao là 1%. Hơn nữa, không thể chỉ ra một loại sợi đơn giản duy nhất. Việc lựa chọn xem có thể sử dụng loại sợi nào phụ thuộc vào các xem xét kỹ thuật, nhu cầu thông tin và giá thành. Các sợi bao hàm một sự tác động qua lại tinh tế giữa kích thước, các tính chất vật liệu và bước sóng ánh sáng. Các laze bán dẫn và các điốt quang với kích thước của một hạt cát làm đầy các mạng của các sợi quang với ánh sáng mà nó mang hầu như toàn bộ điện thoại và thông tin dữ liệu trên khắp thế giới. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micrômét hiện nay đã được sử dụng cho toàn bộ thông tin khoảng cách xa trong đó những tổn hao là thấp nhất. Khả năng của các mạng cáp quang còn tiếp tục tăng lên với một tốc độ đáng kinh ngạc. Không còn lâu nữa khi mạng cáp quang có thể truyền hàng ngàn gigabit trong một giây. Sự phát triển công nghệ đang tiến theo hướng thông tin ngày càng có nhiều tác động qua lại hơn trong đó các cáp sợi quang được thiết kế để tiếp cận theo mọi cách đến ngôi nhà của mọi người. Chúng ta làm gì với nó là một câu hỏi hoàn toàn khác. Đôi khi các phát minh xuất hiện hoàn toàn không tính trước được. Bộ cảm biến ảnh gọi là thiết bị liên kết điện tích CCD là một phát minh như thế. Không có CCD thì sự phát triển của các máy ảnh kỹ thuật số sẽ chậm hơn. Không có CCD thì chúng ta sẽ không nhìn thấy các hình ảnh đáng kinh ngạc của không gian được chụp từ kính thiên văn không gian Hubble hoặc các hình ảnh của hoang mạc đỏ trên sao Hỏa. Đó không phải là những điều mà các nhà phát minh CCD là Boyle và Smith nghĩ đến khi họ bắt đầu công việc nghiên cứu của họ. Vào một ngày tháng 9 năm 1969, họ phác ra những nét chính về cơ sở của một bộ cảm biến ảnh trên
bảng đen trong văn phòng của Boyle. Khi đó, họ không nghĩ đến các bức ảnh chụp. Mục đích của họ với CCD là nhằm phát hiện một bộ nhớ điện tử tốt hơn. CCD như là một bộ nhớ bây giờ đã bị quên lãng. Tuy nhiên, họ tìm ra một phần không thể thiếu được của công nghệ chụp ảnh hiện đại. CCD còn là một câu chuyện thành công khác của kỷ nguyên điện tử của chúng ta. Cũng như nhiều thiết bị khác trong công nghệ điện tử, một bộ cảm biến ảnh số CCD được làm bằng silic. Với kích thước của một con tem, tấm silic giữ hàng triệu tế bào quang điện nhạy sáng. Kỹ thuật chụp ảnh sử dụng hiệu ứng quang điện do Albert Einstein (Giải Nobel Vật lý năm 1921) là người đầu tiên xây dựng lý thuyết. Hiệu ứng xảy ra khi ánh sáng va chạm vào tấm silic và làm bật ra các điện tử trong các tế bào quang điện. Các điện tử được giải phóng tụ lại trong các tế bào mà chúng trở thành các giếng nhỏ đối với các điện tử. Lượng ánh sáng càng lớn thì số các điện tử làm đầy các giếng này càng nhiều. Khi tác dụng một điện áp lên dãy CCD, lượng chứa bên trong của các giếng có thể được đọc một cách tuần tự. Các điện tử hết dãy này đến dãy khác rời khỏi dãy lên trên một loại băng chuyền. Chẳng hạn như một dãy của 10 x 10 điểm ảnh được biến đổi thành một chuỗi dài 100 điểm. Bằng cách này CCD biến đổi ảnh quang thành các tín hiệu điện mà chúng sau đó được chuyển thành các số một và không. Mỗi một tế bào khi đó có thể được dựng lại như một điểm ảnh gọi là một pixel. Khi nhân bề rộng của CCD tính theo pixel với chiều cao của nó, ta thu được dung lượng ảnh của bộ cảm biến. Như vậy, một CCD với 1280 x 1024 pixel có dung lượng là 1,3 megapixel (1,3 triệu pixel). CCD dịch một ảnh thành màu đen và màu trắng. Do đó, cần sử dụng các bộ lọc khác nhau để thu được màu sắc của ánh sáng. Một loại bộ lọc mà nó chứa một trong các màu sắc cơ bản là màu đỏ, màu xanh lá cây và màu lam được đặt trên mỗi một tế bào trong bộ cảm biến ảnh. Nhờ độ nhạy của mắt người, số các pixel màu xanh lá cây cần phải lớn gấp đôi số các pixel màu lam hoặc màu đỏ. Có thể dùng một số bộ lọc cho việc chụp ảnh với chất lượng cao hơn. Thực tế là ý tưởng CCD của Boyle và Smith trong khoảnh khắc quẫn trí ngắn của họ 40 năm trước đây có thể được qui cho chính kiến bên trong của xếp
của họ. Xếp của họ tại Bell Labs nằm ở ngoài New York khuyến khích họ ưa thích thách thức và tham gia vào một cuộc thi liên quan đến sự phát triển của một bộ nhớ bọt (một phát minh khác trong các phát minh của Bell Labs) tốt hơn. Khi Boyle và Smith hoàn thành thiết kế cơ bản của CCD, các kỹ thuật viên chỉ cần một tuần để lắp ráp mẫu CCD đầu tiên. CCD như là một bộ nhớ đã bị quên lãng từ lâu nhưng nó trở thành trung tâm của nhiều kỹ thuật chụp ảnh số. Smith làm việc ở Bell Labs từ năm 1959 và ở đây ông được cấp 30 bằng sáng chế. Khi ông về hưu năm 1986, ông dành toàn bộ thời gian của mình cho niềm đam mê suốt đời của mình là đi thuyền trên đại dương mà nó nhiều lần đưa ông đi khắp thế giới. Năm 1969 Boyle có nhiều phát minh quan trọng chẳng hạn như phát minh liên quan đến sự phát triển laze ánh sáng đỏ liên tục đầu tiên trên thế giới. Boyle sinh ra ở một vùng xa xôi hẻo lánh của Nova Scotia ở Canađa và ông được giáo dục tại gia đình bởi mẹ của mình cho đến năm 15 tuổi. Ông bắt đầu làm việc ở Bell Labs năm 1953 và trong những năm 1960, ông cùng với 400 000 nhà khoa học ở Mỹ góp sức đưa con người đầu tiên lên Mặt Trăng vào ngày 20 tháng 7 năm 1969. Những ưu việt của bộ cảm biến ảnh điện tử nhanh chóng được mọi người thừa nhận. Năm 1970 khoảng một năm sau phát minh này, Smith và Boyle lần đầu tiên chứng minh một CCD trong camera ghi hình của họ. Năm 1972, công ty Fairchild của Mỹ đã thiết kế bộ cảm biến ảnh đầu tiên với 100 x 100 pixel mà nó được đưa vào sản xuất một vài năm sau đó. Năm 1975 Boyle và Smith đã tự chế tạo một camera ghi hình số với độ phân giải đủ cao để điều khi ển phát sóng truyền hình. Năm 1981 máy ảnh đầu tiên gắn với CCD xuất hiện trên thị trường. Điều này mở đầu một sự số hóa định hướng thương mại nhiều hơn trong lĩnh vực kỹ thuật chụp ảnh. Năm 1986 bộ cảm biến ảnh 1,1 megapixel ra đời và năm 1995 máy chụp ảnh ảnh kỹ thuật số hoàn toàn đầu tiên xuất hiện. Các nhà sản xuất máy ảnh trên khắp thế giới nhanh chóng ứng dụng thành tựu này và thị trường tràn ngập các máy ảnh kỹ thuật số ngày càng nhỏ hơn và rẻ hơn.
Các máy ảnh có trang bị các bộ cảm biến ảnh thay cho phim ảnh mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử chụp ảnh và kết thúc kỷ nguyên phim ảnh. Kỷ nguyên phim ảnh bắt đầu từ năm 1939 khi Louis Daguerre trình bày phát minh phim ảnh của mình Viện hàn lâm Khoa học Pháp. Máy ảnh kỹ thuật số với CCD là một thành công thương mại khi nó thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày. CCD sau khi ra đời bị thách thức bởi một công nghệ khác gọi là Bán dẫn ôxit kim loại bổ sung CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). CMOS được phát minh gần như cùng lúc với CCD. Cả hai công nghệ này đều sử dụng hiệu ứng quang điện nhưng trong lúc các điện tử tụ tập trong một “cuộc tuần hành” CCD xếp hàng để được đọc thì mỗi một tế bào quang điện trong một CMOS được đọc trên đúng vị trí của nó. CMOS tiêu thụ ít năng lượng hơn nên các bộ pin kéo dài lâu hơn và một thời gian dài nó cũng rẻ hơn so với CCD. Tuy nhiên, người ta cũng tính đến các mức tạp âm và sự mất mát chất lượng ảnh cao hơn của CMOS. Do đó, CMOS không đủ nhạy đối với nhiều ứng dụng quan trọng. CMOS hiện nay thường được sử dụng đối với chụp ảnh qua điện thoại cầm tay và các loại chụp ảnh khác. Tuy nhiên, cả CCD và CMOS đang liên tục được phát triển và chúng có thể đổi lẫn cho nhau trong nhiều ứng dụng. Ba năm trước đây (2006), CCD đã chọc thủng giới hạn 100 megapixel và mặc dù chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào số các pixel, việc vượt qua giới hạn này được xem như mang lại cho kỹ thuật chụp ảnh số một bước tiến mới trong tương lai. Có những người dự đoán rằng tương lai thuộc về CMOS hơn là thuộc về CCD. Một số người khác cho rằng cả hai công nghệ CMOS và CCD sẽ tiếp tục bổ sung lẫn nhau trong một thời gian dài. Lúc đầu không một người nào dám dự đoán rằng CCD sẽ không thể thiếu được trong lĩnh vực thiên văn học. Tuy nhiên, chính xác là nhờ có công nghệ số mà máy ảnh góc rộng trên kính thiên văn không gian Hubble có thể gửi các hình ảnh đáng kinh ngạc về Trái Đất. Bộ cảm biến của máy ảnh lúc đầu chỉ bao gồm 0,64 megapixel. Tuy nhiên, khi bốn bộ cảm biến được nối với nhau thì chúng cung cấp tổng cộng là 2,56 megapixel. Đó là một việc lớn trong những năm 1980 khi người
ta chế tạo ra kính thiên văn không gian. Hiện nay, vệ tinh Kepler được trang bị một bộ cảm biến hình men rạn 95 megapixel và người ta hi vọng rằng nó sẽ phát hiện các hành tinh kiểu Trái Đất xung quanh các ngôi sao khác với Mặt Trời. Các nhà thiên văn học sớm nhận ra các ưu điểm của bộ cảm biến ảnh số. Nó trải rộng toàn phổ ánh sáng từ tia X đến ánh sáng hồng ngoại. Nó nhạy hơn phim ảnh 1000 lần. Trong số 100 hạt ánh sáng đi tới, một CCD có thể bắt được 90 hạt trong khi một kính ảnh hoặc mắt người chỉ bắt được một hạt. Trong một vài giây, có thể thu thập ánh sáng từ các thiên thể ở xa nhờ CCD trong khi trước đây người ta phải mất một vài giờ. Lượng ánh sáng càng lớn thì số điện tử càng nhiều. Năm 1974 bộ cảm biến ảnh đầu tiên đã được sử dụng để chụp ảnh Mặt Trăng. Đó là các bức ảnh thiên văn đầu tiên được chụp với một máy ảnh số. Với tốc độ của tia chớp, các nhà thiên văn học chấp nhận công nghệ mới này. Năm 1979 một máy ảnh số với độ phân giải là 320 x 512 pixel được lắp đặt trên một trong các kính thiên văn tại Kitt Peak ở Arizona, Mỹ. Ngày nay, mỗi khi sử dụng đến chụp ảnh, viđeo hoặc truyền hình, người ta thường bao hàm các bộ cảm biến ảnh số trong quá trình. Chúng rất có ích đối với các mục đích giám sát cả trên Trái Đất và trong không gian. Hơn nữa, công nghệ CCD được sử dụng trong một loạt các ứng dụng y học như chụp ảnh nội tạng cơ thể người cả đối với cả chẩn đoán và thao tác phẫu thuật. Bộ cảm biến ảnh số trở thành một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong dịch vụ khoa học ở cả đáy đại dương và trong khong gian. Nó có thể phát hiện các chi tiết tinh tế trong các đối tượng ở rất xa và cực nhỏ. Theo con đường này, những sự đột phá khoa học và công nghệ đan xen lẫn nhau. Charles Kuen Kao là công dân của cả Anh và Mỹ. Ông sinh năm 1933 tại Thượng Hải (Trung Quốc). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện năm 1965 tại Cao đẳng Hoàng gia Luân Đôn (Anh). Ông là giám đốc kỹ thuật tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn ở Harlow (Anh), phó hiệu trưởng danh dự Đại học Hong Kong Trung Quốc và nghỉ hưu năm 1996. Willard Sterling Boyle là công dân của cả Canađa và Mỹ. Ông sinh năm 1924 tại Amherst, NS, Canađa. Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Vật lý năm 1950 tại Đại
học McGill, QC, Canađa. Ông là giám đốc điều hành của Nhóm khoa học thông tin thuộc Bell Labs ở Murray Hill, NJ, Mỹ và nghỉ hưu năm 1979. George Elwood Smith là công dân Mỹ. Ông sinh năm 1930 tại White Plains, NY, Mỹ. Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Vật lý năm 1959 tại Đại học Chicago, IL, Mỹ. Ông là trưởng Phòng Thiết bị VLSI thuộc Bell Labs, Murray Hill, NJ, Mỹ và nghỉ hưu năm 1986. Dr. Smith là thành viên của các tổ chức P.Mu.Epsilon, Phi.Beta Kappa và Sigma; hội viên Viện Kỹ sư điện và điện tử IEEE và Hội Vật lý Mỹ và viện sĩ Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia. Ông được cấp 31 bằng sáng chế của Mỹ và tác giả của hơn 40 bài báo khoa học. Smith đã được trao tặng Giải thưởng năm 1997 của Hội Các thiết bị điện tử thuộc IEEE. Đóng góp kỹ thuật chủ yếu của ông là sự khởi đầu vào năm 1970 của CCD cùng với Boyle. CCD đã được cấp bằng sáng chế của Mỹ. Smith và Boyle đã công bố bài báo đầu tiên đưa ra khái niệm CCD kèm theo mọt bài báo về xác minh thực nghiệm của nó vào năm 1970. Boyle và Smith đã được trao tặng Huy chương Stuart Ballentine năm 1973 của Viện Franklin, Giải thưởng Morris N. Liebmann năm 1974 của IEEE, Huy chương Tiến bộ năm 1986 của Hội Nhiếp ảnh Mỹ, Giải thưởng Đột phá năm 1999 của Hội nghị Nghiên cứu thiết bị của IEEE, Huy chương Edwin H. Land năm 2001 của Hội Khoa học và Công nghệ chụp ảnh và Giải thưởng C&C (Máy tính và Thông tin liên lạc) năm 1999 của Liên đoàn NEC, Nhật Bản.