51 שנה שנה להמצאת ה-CCD – ההתקן שאיפשר את פיתוח המצלמות הדיגיטליות ועוד שלל מכשירים שאיננו יכולים לתאר כיום את חיינו בלעדיהם

ב-17 באוקטובר 1969 זימן וילארד (ביל) בויל (Boyle), מנהל האגף להתקנים מוליכים למחצה במעבדות בֶּל, את אחד הפיזיקאים הבולטים שלו, ג'ורג' סמית (Smith), להיכנס בבהילות למשרדו. בויל היה מודאג. ימים ספורים קודם לכן הוא התבשר שצפוי קיצוץ משמעותי באגף אם לא ימצא רעיון שיוכל להתחרות במה שהיה אז פרויקט הדגל של החברה –– מיזם חדשני של "זיכרון בועות מגנטיות" שיאפשר אחסון נוח של מידע. המחשב הביתי היה אז עדיין רק רעיון לא בשל, אך הצורך בשימור מידע צבר תאוצה ומעבדות בל רצו להיות הראשונים בתחום.

בויל סגר את דלת המשרד, הסביר לסמית את מצב העניינים והשניים החלו לגבש רעיונות שינצלו מוליכים למחצה – תחום שהיה אך בחיתוליו וכבר הביא לעולם את אחת ההמצאות החשובות ביותר של המאה ה-20 – הטרנזיסטור. בתוך שעה בלבד התמלא הלוח על קיר המשרד בשרטוטים והדיון הושלם. סמית יצא ממשרדו של בויל בסיפוק רב. על הלוח עוד התנוססו התוכניות לרכיב חדש שישנה את העולם: ה-CCD.

מצלמה דיגיטלית עם חיישן CCD | איור: PAUL WOOTTON / SCIENCE PHOTO LIBRARY
חיים בלי סרט. מצלמה דיגיטלית עם חיישן CCD | איור: PAUL WOOTTON / SCIENCE PHOTO LIBRARY

סופו של סרט הצילום

CCD, או בעברית "התקן צמוד מטען" (Charge Coupled Device), הוא חיישן אלקטרו-אופטי שממיר אור למידע דיגיטלי. גם אם לא שמעתם את שמו, אין ספק שראיתם אותו – הוא נמצא ברוב המצלמות הדיגיטליות המסחריות, וכן בסורקים, מכשירים רפואיים, מכשירי פקסימיליה, קוראי ברקוד ואפילו בטלסקופים ובלוויינים. עד הפיתוח של בויל וסמית, ולמעשה עד תחילת האלף הנוכחי, אמצעי הצילום הנפוצים השתמשו בסרטי צילום אנלוגיים, כלומר פילם – רצועות של חומר רגיש לאור שהתמונה נצרבת עליהן ובהמשך אפשר "לפתח" אותן לתמונה רגילה. החיישן החדש הציע גישה אחרת.

ההתקן של סמית ובויל הוא מערך של קבלים מוליכים למחצה המבוסס על תחמוצת מתכת (Metal-Oxide Semiconductor, או MOS), שכל אחד מהם מכונה פיקסל. כשאור פוגע בפיקסל, הוא משחרר אלקטרונים מהחומר המוליך למחצה עקב האפקט הפוטואלקטרי. האלקטרונים שמשתחררים מאוחסנים בתוך הקבל, והפעלת מתח חיצוני מאפשרת להעביר אותם מקבל לקבל.

לאחר שהאור פוגע בפיקסלים, צמצם המצלמה נסגר. מחשב זעיר בתוך המצלמה מרוקן את האלקטרונים מכל הקבלים, מודד את המטען שנצבר בכל קבל ומתעד את ערכו. כך שהערך הנמדד הוא מספר האלקטרונים בכל קבל.

צילום מיקרוסקופי של הפיקסלים בחיישן CCD עם פילטרים צבעוניים | מקור: POWER AND SYRED / SCIENCE PHOTO LIBRARY
צילום מיקרוסקופי של הפיקסלים בחיישן CCD עם פילטרים צבעוניים | מקור: POWER AND SYRED / SCIENCE PHOTO LIBRARY

ריקון האלקטרונים מה-CCD מזכיר תור לקופה בסופרמרקט – המחשב מרוקן את המטען שנצבר בפיקסלים, פיקסל אחר פיקסל, שורה אחר שורה. פיקסלים שספגו עוצמת אור גבוהה יפיקו יותר אלקטרונים מפיקסלים שספגו אור חלש. המחשב שומר את המידע על כמות האלקטרונים בכל תא, ועוצמת האור על הצג בתצוגה הסופית תיקבע לפי מספר האלקטרונים שנספרו מכל פיקסל. התהליך חוזר על עצמו עד שכל הפיקסלים מתרוקנים ואז התמונה השלמה נשמרת במחשב.

בצילום הבא, צמצם המצלמה נפתח שוב ונוצר מקבץ חדש של אלקטרונים בכל פיקסל. המקבץ החדש ישוחרר מיד לאחר מכן ויתועד בזיכרון המחשב, וכך שוב ושוב בכל צילום – הצמצם ייסגר, מתח יופעל כדי לאפשר לאלקטרונים להיפלט מהגלאי, הצמצם ייפתח, ייווצרו מקבצי אלקטרונים וחוזר חלילה.

האפשרות שהמכשיר פותח, לחלק תמונה רציפה לנקודות נפרדות שבכל אחת מהן כמות אלקטרונים אחרת, היא המפתח לכך שאנו יכולים להחזיק כיום במחשב או בטלפון תיקיות גדושות בתמונות. במילים אחרות, השיטה מאפשרת לייצג תמונות בזיכרון בצורה פשוטה ונוחה – רצף של נקודות.

כל פיקסל, אם כן, שומר בתוכו רק נתון אחד – עוצמת האור שאליה נחשף בשעה שהצמצם היה פתוח. כדי לייצג תמונה צבעונית מוסיפים מסנני צבעים לפני הפיקסלים, כך שכל פיקסל יקלוט אור רק בצבע מסוים. כיוון שהמחשב יודע איזה צבע מייצג כל פיקסל, הוא יכול לסמן כל נקודה בצבע המתאים לה ובעוצמה הרצויה ולהרכיב מהנקודות הללו תמונה צבעונית.

מתח חיצוני מאפשר להעביר את האלקטרונים מקבל לקבל וכך למדוד את עוצמת החשיפה לאור של כל פיקסל ולהרכיב תמונה דיגיטלית | איור: Michael Schmid, ויקיפדיה
מתח חיצוני מאפשר להעביר את האלקטרונים מקבל לקבל וכך למדוד את עוצמת החשיפה לאור של כל פיקסל ולהרכיב תמונה דיגיטלית | איור: Michael Schmid, ויקיפדיה

מהפכה שהקדימה את זמנה

ה-CCD נועד במקור להיות התקן זיכרון שיתחרה בבועות המגנטיות. ב-1975, שש שנים אחרי הדיון המפורסם במשרדו של בויל, הציע לראשונה סטיבן ששון (Sasson) מהנדס צעיר בחברת הצילום הענקית, קודאק, לשלב את החיישן במצלמה הדיגיטלית הראשונה שפיתח. אולם בימים ההם לא היו עדיין מחשבים אישיים ואחסון תמונות יעיל נחשב נחלת העתיד הרחוק. בתנאים האלה המצלמה הדיגיטלית לא סיפקה את הסחורה ולא סחפה את מנהלי קודאק להשקיע במוצר ואת הצרכנים לקנות אותו. בהמשך, כשהטכנולוגיה כבר הבשילה, קודאק איחרה מאוד לעלות על הגל של הצילום הדיגיטלי והתרסקה כלכלית.

סמית (מימין) ובויל באירועי פרס נובל, 2009 | צילום: Prolineserver 2010, Wikipedia/Wikimedia Commons
צעד משמעותי בהיסטוריה של הטכנולוגיה. סמית (מימין) ובויל באירועי פרס נובל, 2009 | צילום: Prolineserver 2010, Wikipedia/Wikimedia Commons

ב-2009 הוענק לבויל ולסמית פרס נובל לפיזיקה, על המצאת ה-CCD, ארבעים שנה אחרי פיתוחו. בהרצאת הנובל שלו סיפר סמית כי במהלך השנים הללו השקיע חלק ניכר מזמנו בתחביבו הוותיק: מסעות שיִט ברחבי העולם. עם השנים הוא היה יכול להביט אל מרחבי הים בסיפוק, לצלם אותם במצלמה הדיגיטלית האישית שלו ולדעת שהמצאתו היא עוד צעד משמעותי בהיסטוריה של פיתוחים טכנולוגיים שהפכו את העולם למה שאנו מכירים כיום.