A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 6 

Michael Francis Tompsett và Imaging CCD

Trần Trí Năng
 (University of Minnesota & Ecosolar International)

“You’re not going to change [who wins] the Nobel, but  it would be nice to at least share the credit. The citation for the award, he says, should be altered to eliminate any mention of imaging.”

(M.F. Tompsett [1]) 

 CCD và  giải Nobel Vật Ly năm 2009 [2] 

 

 

Giải Nobel Vật Lư năm 2009 trao cho  Charles K Kao  "for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibres for optical communication.” và Willard S. Boyle and George E.Smith "for the invention of an imaging semiconductor circuit- the CCD sensor.”

(Royal Swedish Academy of Sciences)

 

Sau cùng Hàn Lâm Viên Hoàng Gia về Khoa Học của Thụy Điển (HLVKHTĐ)  đă phải thêm chữ “Motivation vào trong câu tuyên dương công trạng (citation)  lúc đầu của họ.

Với sự phản đối và chỉ trích của nhiều người trong cộng đồng khoa học nhất là Gordon và Tompsett [3-7], HLVKHTĐ sau này đă sửa đổi câu tuyên dương như sau:  'The motivation for the invention of an imaging semiconductor circuit-- the CCD sensor để phản ảnh một phần nào  trung thực hơn!

Câu tuyên dương này yếu hơn câu tuyên dương ban đầu khi họ phát giải Nobel cho Boyle và Smith khá nhiều . Khách quan mà nói, phần chính trong bản tuyên dương “for the invention of an imaging semiconductor circuit- the CCD sensor” nằm ngay trong bằng sáng chế US4085456A của Tompsett (trích dẫn ở phần cuối của bài viết này). 

1. “Tản mạn” bên lề  

         

H́nh 1. Lúc c̣n đi học ở đây vào khoảng giữa đến gần cuối thập niên  70’s, thỉnh thoảng tôi cũng có ghé lại tiệm Kinryu Ramen nằm ngay ở một góc của cổng vào Sennichimae Shopping Street. Ngoại trừ giờ khách hàng phải mua  thẻ từ máy tự động, tiệm không khác năm  xưa bao nhiêu.

 H́nh 2 .Cứ đi thẳng theo hướng của tấm bảng “Dotonbori” là chúng tôi  có thể đến căn pḥng thuê trong ṿng 5 phút đi bộ. Đây cũng là con đường chúng tôi đi lại mỗi ngày từ Namba đến những thành phố khác. Nằm phía bên phải là tiệm ăn đầu tiên của nhà hàng nổi tiếng Kani Doraku. Giờ th́  tiệm này có chi nhành khắp nơi; ngay cả khu  Dotonbori này, cũng có  một tiệm khác dọc theo con kênh Dotonbori. 

Chúng tôi đến ga Shin- Osaka lúc 11:40 tối, chỉ đủ thời giờ để “chạy bắt” kịp chuyến tàu cuối cùng trên đường “Midosuzisen” đi về Namba. Đă  quá nửa đêm khi chúng tôi đến đó. Đứng  sắp hàng gần hơn 10 phút chờ đợi để lấy taxi về căn pḥng  thuê. Nhưng khi đến phiên ḿnh th́ bị hai “bác” taxi ở hai xe khác nhau từ chối khi tôi đưa địa chỉ pḥng trọ, một phần có lẽ v́ khuya rồi một phần v́ chúng tôi không biết “địa danh nào nổi tiếng gần đó” để các bác t́m cho dễ. Thế là  sáu người chúng tôi đành “cồng kềnh” mang “khăn gói” xách valise đi t́m nhà trọ , dựa theo bản đồ. (mà theo người nhân viên làm việc chỗ cho thuê pḥng cho biết sáng nay là chỉ mất 15 phút  đi bộ từ ga Namba mà thôi!). Con đường nhiều khúc rẻ. Có chỗ sáng, chỗ tối. Người cũng bắt đầu thưa dần. Càng đi càng thấy xa “vời vợi”, môt phần v́ mệt, một phần v́ biết ḿnh đang đi lạc. Hết cách, tôi bèn hỏi đường một cô gái Nhật đang đứng đợi đèn xanh bên đường. Cô này, h́nh như mới đi làm ca đêm về, có vẻ vội vă muốn về nhà. Lúc đầu cô ta chỉ trả lời “qua loa” cho xong chuyện, nhưng sau vài phút “quan sát” , cô trở nên thân thiện và  rất nhiệt t́nh giúp khi biết chúng tôi đă “lặn lội hàng ngàn dặm” từ Mỹ xa xôi đến thăm thành phố Osaka “yêu quí” của cô. Cô cũng không rành đường và GPS của cô cũng không chỉ rơ cho lắm; nên thỉnh thoảng  vừa đi, cô vừa hỏi những người bán hàng ở các quầy hàng  dọc đường.  Chủ, khách đều tận t́nh giúp đỡ! Sau hơn một giờ “vất vă”, cuối cùng chúng tôi cũng đến được pḥng trọ. Lúc đó gần 2:00 giờ  sáng! Cô chào từ giả chúng tôi. Nhà tôi và các con tôi rất “cảm kích” về cử chỉ này của cô nhưng không khỏi lo cho sự an toàn của cô. Tôi thở dài “nhẹ nhơm”. Dù có nhiều thay đổi trong bao năm qua qua nhiều thế hệ, xă hội , tính hiếu khách của người Nhật vẫn không thay đổi.!

 

        

H́nh 3 . Mặt trước của căn pḥng chùng tôi thuê.

H́nh 4 . Chúng tôi cũng thường ghé lại cửa tiệm này để mua sửa, trà, sushi, sashimi và những vật liệu cần thiết. V́ tiệm nằm ngay ở một góc đường và giá cả phải chăng, nên lúc nào khách hàng cũng đông. 

Sáng hôm sau tôi dậy sớm. Như thường lệ, tôi đi bộ theo con phố, qua những con đường dẫn đến khu phố chính Dotonbori (khu phố này c̣n có thêm cái tên Kuidaore- ăn  cho đến khi ngă lăn ra!). Tôi cũng khám phá ra là  địa danh nổi tiếng Kokuritsu Bunraku Gekijoo (National Puppet Theater) nằm ngay góc ở góc đường đối diện với căn pḥng chúng tôi đang  ở. (Nếu giá tôi biết điều này tối qua, th́ đâu phải vất vả đi bộ hơn cả tiếng đồng hồ t́m chỗ trọ?! ). Gió thổi nhè nhẹ.  Bầu trời cao xanh. Không khí trong lành. Tôi đi ngang qua chiếc cầu bắt ngang qua Kênh Dotonbori. Đứng nh́n một hồi lâu mấy chú vịt bơi lội. Thanh âm nhẹ nhàng. tĩnh lặng. Tôi nhớ lại chiếc cầu ở Kaorigaoka, nhớ ḍng sông Shukugawa hiền ḥa uốn khúc theo hàng anh đào nở rộ vào tháng tư. Tôi nhớ lại những ngày đầu tiên đến Osaka vào đầu năm 1975, không lâu trước ngày miền Nam sụp đổ. Những ngày tháng khó khăn t́m sống. Những tấm ḷng rộng răi bao dung. T́nh người thương yêu. Nắng đổ ngập cánh đồng. Với hy vọng làm sức sống. Với thương yêu làm niềm tin để đi lên.

Osaka những tháng ngày đầu tiên
Bốn giờ sáng đạp xe đi bỏ báo
Từng chén cơm, dù thiêu hay nhăo
Ngấu nghiến ăn ngon, hy vọng tuôn trào.

(Osaka, 75)  

Ta về đón nắng chiều phố chợ
Gió mát nơn nà vén áo em
Tháng tám trời trong mây điểm trắng
Màu luyến thương hay màu của sắc hương?

(Nishinomiya 77) 

`Namba là “ngả rẽ của ḷng” với bao đường tàu nối kết; với bao người hẹn ḥ trước cửa hàng bách hóa Takashimaya. Khu Dotonbori lúc nào cũng đông như ngày hội, nhất là vào buổi tối. Tiếng nhạc. Tiếng ca.  Tiếng Pachinko. Tiếng  rao hàng vang lên inh ỏi. Người đi theo người. Không  lấn chen . Già,  non, lớn, bé. Đó đây vài tiếng cười vồn vả vui  tươi. Làn sóng người cứ thế băng qua đường sang khu phố Shinsaibashi-Suji. Trong số đám đông này, cũng có nhiều người làm việc tất bật.  Quần quật trong  cuộc sống hôm nay. Chạy đôn chạy đáo. Ngày qua ngày ai hay?! 

Osaka cho ta nhiều kỷ niệm
Kỷ niệm yêu thương, kỷ niệm học đường
Mỗi kỷ niệm thắm đời ta một vẻ
Để chiếu nay. Ḷng chợt thấy vấn vương.

(Namba 2016)

 

2. Mike Tompsett mới chính là người phát minh ra imaging CCD [1-3&4]

Magnetic bubble memory do Bell Labs phát minh .  Với kỹ thuật này, thông tin được tồn trữ dưới dạng tuyến tính với nhiều  magnetic pixels  rất nhỏ  gọi là magnetic bubbles (bong bóng từ) trên một tấm băng ni-lôn . Ḍng điện chạy qua tấm băng ni-lôn sẽ đẩy những bong bóng từ dọc theo hướng mà những tín hiệu có thể  đọc và viết liên tục. Phương hướng để thực hiện điều này  là thiết lập một hàng giếng  điện thế (a line of potential wells) dùng silíc bằng cách tạo thành những bộ tụ điện với silíc ,  silicon oxide và điện cực bằng kim loại.  Điện tích sẽ tích tụ trong  những chiếc giếng điện thế này và điện tích sẽ di chuyển từ một giếng sang giếng bên cạnh bằng điện thế áp đặt  cho đến khi điện tích  đến mép cạnh của con  chip để gửi ra hệ thống  read out bên ngoài. Cả hai Boyle và Smith không có cộng tác và hoạt động ǵ  về silicon target vidicon, một kỹ thuật được xem như  tiền thân của imaging CCD và là làm nền tảng để chế tạo dữ kiện điện tử này.

Thêm vào đó bằng sáng chế quan trọng của  Boyle và Smith có tựa đề là  “ Charge coupled memory with storage sites”  US 3654499 A (đính kèm dưới đây) mà HLVKHTĐ căn cứ để trao giải Nobel  chỉ nói về memory CCD và không đề cập ǵ đến imaging CCD. Trong khi đó bằng sáng chế “Charge transfer imaging devices”  US 4085456 A (đính kèm) của  Tompsett th́ cắt nghĩa rơ ràng về imaging CCD. Điều mới lạ là Mike Tompsett đă t́m cách thực hiện area imaging  device dựa vào khái niệm linear  CCD registers..  

3. CCD imager là chính  do Tompsett phát minh và triễn khai ra.

Trong patent US 4085456A với Tompsett là tên người phát minh độc nhất,  Tompsett dùng khái niệm   frame transfer trong việc thực hiện việc chuyển tải  điện tích trong imaging devices. Ư tưởng này đă giải quyết  vấn đề trong việc dùng imaging CCD nhất là area imager: CCD tiếp tục cảm biến  ánh sáng  và  thu nhặt  điện tích ngay cả trong lúc tín hiệu từ  các hàng pixels được đọc ra (read out) dùng phương pháp chuyển tải  điện tích (charge transfer).  Tompsett t́m ra phương án để chuyển tải điện tích nhanh hơn bằng cách chuyển tải điện tích thu nhận  được đến một vùng CCD  dấu kín  (hidden CCD).  Tín hiệu từ pixels  của vùng CCD dấu kín   được đọc ra , trong khi CCD tiếp tục phơi sáng để tiếp nhận và thu thập điện tích từ những quang tử mới. Điện tích được  chuyển di  từ trên đi xuống dọc theo từng cột từ hàng này sang hàng kế tiếp cho đến khi được dọc ra từ  shift registers nằm ở phía dưới của con chip. Với phương thức và cấu trúc này, có nghĩa là  CCD sẽ phơi sáng, rồi đóng lại với màn chắn sáng , chuyển di điện tích , rồi mở màn chắn sáng  để phô bày con chip ra ánh sáng trở lại. Có nghĩa là  cứ hai frame có một frame dùng để chuyển di điện tích và v́ thế thời gian đọc tín hiệu sẽ dài hơn . Để giải quyết vấn đề này, Tompsett tăng gấp đôi kích cỡ của bộ cảm biến quang  (image sensor). Có nghĩa là một khung (frame) của bộ cảm biến quang  sẽ phơi sáng , rồi khung phơi sáng kế tiếp sẽ dùng  trong khi điện tích  di chuyển .. Chẳng những ông có bằng sáng chế đầu tiên về image CCD mà c̣n  đăng báo, phát biểu ở hội nghi khoa học và nhất là  thực hiện  thành công image CCD. Ngay cả Boyle (một trong hai người lănh giải Nobel) cũng công nhận điều này!  V́ thế, nếu theo kết quả thí nghiệm của Tompsett và dựa theo bằng sáng chế, và những bài báo cáo khoa học của Tompsett th́ Tompsett mới đúng ra là người xứng  đáng để  lănh giăi Nobel v́ ông chính là người  đầu tiên  đă triển khai  và phát minh và chế tạo thành công  CCD imager.

 

       

H́nh 5. First Light. Với bác sĩ  Margaret Tompsett (phu nhân của Tompsett )
làm người mẫu cho h́nh chụp từ CCD imager đầu tiên
do  Tompsett chế tạo (tài liệu từ Mike Tompsett [1]). 

H́nh 6. Boyle và Smith trong photo-op với CCD dầu tiên do nhóm Tompsett chế tạo [5]

Tompsett chế tạo thành công CCD đầu tiên vào năm 1970, và triển khai CCD imagers và CCD cameras dùng trên thị trường [H́nh 6]. Tấm h́nh màu của bác sĩ Margaret được đăng trong tạp chí Electronics vào tháng  giêng năm 1973 (H́nh 5).


4. Vài nét về những nhân vật liên quan đến phát minh CCD imager
 

 

H́nh 6.  Những ngày của “roses and wine”ở Bell Labs. Từ trái sang phải: Eugene I. Gordon, Michael F. Tompsett, Willard S. Boyle, và George E. Smith (tài liệu từ Samuel K. Moore và Neil Savage)

 

Willard S. Boyle

Sinh ở Nova Scotia, Canada  vào August 19, 1924  và mất vào May 7, 2011 cũng ở Nova Scotia. Ông tốt nghiệp BSc, MSc và  PhD tất cả từ McGill University về physics. TS. Boyle đến làm việc ở Bell Labs vào năm 1953. 

   

H́nh 7. TS Willard S. Boyle (bên trái) và TS George E. Smith (bên phải) [2-4] 

George E. Smith

Sinh tại White Plains, New York.  BSc từ University of Pennsylvania, 1955 và PhD , 1959 từ University of Chicago. TS Smith đến làm việc ở Bell Labs vào năm 1959.

Michael Tompset

Sinh ở Anh. BS về  engineering và PhD về physics từ Cambridge University. Có nhiều kinh nghiệm và sở thích về imaging devices. Sau nhiều năm  làm công tác nghiên cứu về những linh kiện điện tử liên quan đến bộ cảm quang như  night-vision và thermal imaging devices ở Anh. Tompsett qua Mỹ  làm việc ở Bell Labs vào năm 1969 với mục đích triển khai  solid-state cameras  

Eugene Gordon

Sinh ở New York City vào  14 tháng 9, năm 1930 và mất  15 tháng 9, 2014 tại Scotch Plains, New Jersey. BS năm 1952  từ City College of New York và PhD vào năm 1957 từ MIT. Ông đến làm việc ở Bell Labs trong cùng năm.  

   

H́nh 8. TS Michael F. Tompsett (bên trái) và TS. Eugene Gordon (bên phải) [6-8]

 

5. Lời kết

Để kết thúc bài viết này, người viết xin mạo muội ghi ra đây vài  điểm  để quư độc giả suy ngẫm và thảo luận về bảng tuyên dương đính chính lại sau khi phát biểu cho đại chúng của HLVKHTĐ với từ “motivation” thêm vào : 'The motivation for the invention of an imaging semiconductor circuit-- the CCD sensor
(i) Boyle và Smith đưa ra khái niệm về CCD dựa vào ba  phát minh vào thập niên 60’s : shift registers của hăng Burroughs, picture phone của Bell Labs  và semiconductor bubble memory (Bell Labs). Khái niệm CCD này chỉ dùng cho bộ nhớ (memory) và cả hai Boyle & Smith không đề cập ǵ đến imaging CCD. Thế nên từ “imaging semiconductor” trong bản tuyên dương trên liệu có hợp ly hay không?
(ii) Không biết Boyle (giám đốc điều hành)  đă góp phần được bao nhiêu trong việc khám phá memory CCD? V́ ở nhiều nhiều pḥng nghiên cứu ở nhiều hăng kể cả Bell Labs lúc bấy giờ, tên của người boss thường được để trong những bài báo cáo và ngay cả trên bằng sáng chế.
(iii) Với kinh nghiệm và kiến thức  về imaging qua nhiều năm làm việc trước khi đến Bell Labs,  Tompsett đă dưa ra khái niệm imaging CCD và chế tạo thành công một linh kiện điện tử CCD hoạt động và chính là người đă  góp phần đáng kể  vào “..the invention of an imaging semiconductor circuit- the CCD sensor” đề cập trong bảng tuyên dương. Tại sao tên ông lại không có trong danh sách những người giải Nobel này?
(iv) V́ một khi quyết định rồi, kết quả không thể thay đổi (tại sao? v́ để tránh phiền phức hay khỏi bị mất mặt?),  liệu HLVKHTĐ có nên thảo luận và điều chỉnh lại về thành phần, cơ cấu , tŕnh đô chuyên môn của  giám khảo và phương pháp tuyển chọn người lănh giải Nobel để phản ảnh trung thực hơn cho những giải thưởng trong tương lai không?
(v) Sau nhiều năm, Tompsett và Gordon tiếp tục giữ im lặng về  những sự kiện xảy ra trong nội bộ của nhóm ở Bell Labs; trong khi đó Boyle và Smith quảng bá rộng răi hơn công tŕnh nghiên cứu CCD của họ và càng ngày càng nhiều người tin tưởng hơn họ chính là hai người đă phát minh ra CCD imager, nhất là khoảng thập niên 80’s, khi  một số hăng ở Nhật bắt đầu tung ra thị trường sản phẩm CCD imagers.

6. Tài liệu tham khảo 


[1 http://www.gutenberg.us/articles/Michael_Francis_Tompsett

 [2] http://www.wired.com/2009/10/ccd-inventors-awarded-nobel-prize-40-years-on/

[ http://nobelprize.org/mediapla... http://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/devices/nobel-controversy-who-deserves-credit-for-inventing-the-ccd

[4] http://www.tech-faq.com/charge-coupled-device.shtml

 

Charge coupled memory with storage sites (Smith)
US 3654499 A

Abstract

The specification describes a variety of charge coupled memory devices most of which are "read-only" memories in which the charge capacity of selected sites is permanently or semipermanently fixed. If charge is accumulated in these sites to the equilibrium amount and then shifted to an output site, the signal will reflect the programmed capacity of the sites. 

Charge transfer imaging devices (Tompsett)
US 4085456 A

Abstract

Line imaging and area imaging devices are described which employ the concept of storage and transfer of charge carriers in a semiconductor medium by the application of appropriate potentials to electrodes disposed above the medium. The devices are characterized by two arrays of electrodes, one functioning as an optical sensing array and the other as a storage and readout array. Charge carriers are collected in the medium under the metal electrodes of the sensing array in proportion to incident light. This information is rapidly transferred to the storage and readout array by sequentially biasing series of electrodes of the two arrays. The information may then be read out of the array without smearing while the sensing array continues to integrate. The structure includes means for preventing cross-coupling and maintaining transfer efficiency for small area electrodes.

 

(Mùa tựu trường 2016)

NT