Den 17 oktober 1969 satt två fysiker på Bell Telephone Laboratories i Murray Hill, New Jersey, framför en svart tavla. Willard Boyle var chef för avdelningen som arbetade med halvledare av kisel, George Smith ledde en grupp under honom. De hade inte satt sig för att uppfinna en kamera. De hade satt sig för att rädda en budget.
Det tog dem mindre än en timme. När de reste sig stod där en skiss av något de först kallade en laddningsbubbla: en rad små metallplattor ovanpå ett tunt lager oxid, ovanpå en skiva kisel. Under varje platta kunde en liten mängd elektroner hållas kvar, och genom att växla spänningen mellan plattorna kunde mängden flyttas vidare till nästa, och nästa, som vatten som hälls mellan hinkar i en kedja.
Det var allt. Ingen lins, inget ljus, ingen bild. Fyrtio år senare fick de Nobelpriset i fysik för det, och vid det laget satt en efterföljare till skissen i nästan varje kamera som tillverkades.
Minnet som skulle hinna ikapp
Bell Labs var i slutet av 1960-talet världens kanske rikaste forskningsmiljö, och även där konkurrerade avdelningarna om pengar. Det som drog till sig uppmärksamheten just då var magnetiskt bubbelminne, en teknik där information lagrades i små magnetiserade områden som kunde knuffas runt i ett material. Bubbelminnet såg ut att bli framtidens datorminne, och det fanns på en annan avdelning.
Boyle och Smith arbetade med kisel. Uppdraget, som Smith själv senare beskrev det, var att hitta en halvledarmotsvarighet till bubblorna: något som gjorde samma sak men med elektrisk laddning i stället för magnetism. Därför namnet, charge bubble device, som snart blev charge-coupled device. Laddningskopplad komponent, på svenska. CCD.
Det fanns en bild i bakgrunden ändå. Smith hade arbetat med den kameratub som Bell Labs utvecklat för Picturephone, bolagets bildtelefon, en tub där en miljon dioder av kisel skulle fånga bilden. Tuben var svår att tillverka, eftersom alla dioderna måste fungera, och projektet hade runnit ut i sanden. Erfarenheten att kisel reagerar på ljus fanns alltså i rummet den där oktoberdagen, även om det inte var det de skulle lösa.
Hinkarna i kedjan
Principen är enkel nog att förklara utan formler, och den är värd att förstå, eftersom den fortfarande är grunden för hur en digital bild blir till.
En platta av metall, ett tunt isolerande skikt av kiseloxid och under det kisel. Lägger man en positiv spänning på plattan uppstår en grop i kislet under den, en potentialgrop, där elektroner samlas och stannar. Det är en kondensator, och den håller sin laddning ett tag.
Sätt nu tre sådana plattor i rad och ge dem spänning i tur och ordning. När den andra plattan får spänning och den första släpper, glider elektronerna över till den andra gropen. Sedan till den tredje. Paketet av laddning flyttas genom kislet utan att någon ledning dras till varje grop och utan att paketet tappar särskilt mycket på vägen.
Som minne var poängen att en rad gropar kan hålla en rad ettor och nollor och läsas av en i taget i slutet av raden. Men det fanns en sak till i fysiken. Ljus som träffar kisel slår loss elektroner. En grop som står öppen mot ljuset fylls därför med en mängd elektroner som motsvarar hur mycket ljus som föll just där. Läser man sedan av gropens innehåll har man mätt ljuset i en punkt.
Ett rutnät av sådana gropar är en bild. Att flytta ut paketen ett efter ett till en enda utgång är att läsa bilden.
I den första korta artikeln, publicerad i Bell System Technical Journal i april 1970, nämnde Boyle och Smith tre möjliga användningar: minne, fördröjningsledning och bildupptagning. Bilden stod med på listan från början. Den stod bara inte först.
Mannen som envisades med bilden
Nästan omedelbart byggdes något som fungerade. Enligt Smith tog det ungefär en vecka innan idén prövats i kisel, och under 1970 gjorde Michael Tompsett, Gil Amelio och Bill Bertram den första experimentella komponenten, en rad om åtta gropar. Den kunde flytta laddning, och den kunde, grovt, registrera ljus längs en linje.
Tompsett var engelsman, född 1939, med doktorsexamen från Cambridge, och hade kommit till Bell Labs samma år som skissen gjordes. Det var han som drev bildspåret. Han lämnade in patentansökan för laddningsöverförande bildsensorer den 16 mars 1971, med sig själv som ensam uppfinnare, och under hans ledning kom Bell Labs samma år fram till ett rutnät om 100 gånger 100 bildpunkter.
Han löste också ett problem som annars hade gjort tekniken oanvändbar för bilder. En CCD fortsätter att ta emot ljus medan laddningen flyttas ut, och bilden blir då utsmetad i läsriktningen. Tompsetts lösning var att bygga en kopia av rutnätet bredvid, skyddad från ljus, och flytta hela bilden dit på ett ögonblick innan den lästes ut i lugn och ro. Metoden kallas frame transfer och används fortfarande.
År 1972 gjorde hans grupp det som brukar räknas som den första färgbilden från en CCD. Motivet var hans hustru Margaret, och bilden hamnade på omslaget till tidskriften Electronics.
Från Kalifornien till Rochester
Gil Amelio gick vidare till Fairchild Semiconductor i Kalifornien, och där blev CCD en produkt. År 1974 sålde Fairchild en linjär sensor med 500 element och en tvådimensionell med 100 gånger 100 bildpunkter, alltså 10 000 punkter. Samma år lade Peter Dillon på Kodaks forskningslaboratorium ett färgfilter i ett rutmönster över en sådan Fairchildsensor och fick färg ur en enda krets.
Den som köpte sensorn för att se vad den dög till var Steven Sasson, en ung ingenjör på Kodak i Rochester. Han byggde ihop den med ett objektiv från en filmkamera, en analog-digitalomvandlare från Motorola och en kassettbandspelare. I december 1975 tog apparaten sin första bild: 100 gånger 100 punkter, svartvit, 23 sekunder att skriva till bandet och lika lång tid att läsa tillbaka och visa på en tv-skärm.
Kodak fick patent på kameran den 26 december 1978. Sasson har i efterhand berättat att reaktionen i huset var ljum, och det är lätt att förstå varför. En bild om 10 000 punkter som bara gick att se på en tv var inget hot mot en småbildsfilm som gav mångdubbelt mer detalj. Det intressanta är att han 1977 lämnade in en rapport som ritade upp hela vägen fram till en användbar digital kamera. Kodak visste alltså tidigt vart det skulle bära. Att veta räckte inte.
Det fanns andra kunder som inte brydde sig om hur bilden såg ut på en tv. I december 1976 sköts den första amerikanska spaningssatelliten av typen KH-11 upp, med en CCD om 800 gånger 800 punkter. Astronomerna följde snart efter. En CCD tar vara på en mycket större andel av ljuset än en fotografisk plåt, och för den som fotograferar svaga galaxer betyder det kortare exponeringar och fler synliga objekt. Rymdteleskopet Hubble, uppskjutet 1990, fotograferade med CCD.
Tokyo, 25 augusti 1981
Sony hade satsat på CCD sedan början av 1970-talet, drivet av Kazuo Iwama, som ledde utvecklingen genom år av dåligt utbyte och höga kostnader. Den 25 augusti 1981 visade bolaget en kamera som hette Mavica.
Mavica brukar kallas världens första digitalkamera. Det var den inte. Sensorn var en CCD med omkring 570 gånger 490 punkter, men signalen som kom ut var analog video, och den spelades in som stillbilder på en magnetisk skiva om 2 tum, en Mavipak, med plats för 50 bilder. Bilderna visades på en tv via en särskild spelare. Sony själva kallade den en elektronisk stillbildskamera, och det är den korrekta beteckningen.
Iwama dog i augusti 1982. Året därpå kom Sonys första massproducerade videokamera med CCD. På hans gravsten sitter en CCD-krets. Det är ett av få monument i teknikhistorien där uppfinningen bokstavligen är inmurad.
Mavica i sin ursprungliga form nådde aldrig butikerna. Den första kommersiella modellen kom först 1988, och skivformatet blev en gemensam standard under namnet Video Floppy, som även Canon och andra använde.
Det digitala kom senare. Sonys egna digitala Mavica, som sparade JPEG-filer på vanliga disketter om 3,5 tum, kom först 1997, två år efter att Casio visat att en digitalkamera med skärm kunde säljas till vem som helst, en halv meter från ögat.
Pressfotografens axelväska
Mellan Sassons låda och de digitala kompaktkamerorna ligger ett led som oftare glöms bort. I maj 1991 presenterade Kodak DCS 100, den första digitala spegelreflexkamera som gick att köpa. Den var en Nikon F3 där filmen ersatts av en CCD om 1,3 miljoner punkter, kopplad med sladd till en separat enhet som bars över axeln och innehöll både hårddisk och skärm.
Den som köpte en sådan var i regel en tidning eller en nyhetsbyrå. För dem vägde tid tyngre än bildkvalitet, och en bild som kunde skickas över en telefonlinje utan att först framkallas var värd både vikten och priset. Det var i pressfotografin som CCD först blev ett verktyg i fotografens hand och inte bara en komponent i någon annans apparat.
Stockholm, december 2009
Den 6 oktober 2009 meddelade Kungliga Vetenskapsakademien att årets Nobelpris i fysik delades i två halvor. Den ena gick till Charles Kao för hans arbete med ljusöverföring i optiska fibrer. Den andra delades av Boyle och Smith, för uppfinningen av en bildgivande halvledarkrets, CCD-sensorn.
Boyle var 85 år, Smith 79. Boyle hade lämnat Bell Labs 1979 och flyttat hem till Nova Scotia, där han och hustrun Betty bland annat var med och startade ett konstgalleri. Smith hade gått i pension 1986.
Samma år gjorde Kodak något som på sitt sätt var ett kvitto på samma utveckling. Den 22 juni 2009 meddelade bolaget att Kodachrome, diafilmen som funnits sedan 1935, skulle läggas ned. I januari 2012 ansökte Kodak om rekonstruktion. Företaget som hade köpt en av de första CCD-sensorerna och byggt den första digitalkameran hade inte lyckats leva på vad den visade.
Priset och de som inte stod på det
Nobelpriset blev inte okontroversiellt. Motiveringen talade om en bildgivande krets, och det var just bilden som Michael Tompsett ansåg var hans. Han underkände inte att Boyle och Smith hade kommit på själva principen, men han menade att det var han som gjort den till en sensor, och han hade patentet på det. Eugene Gordon, som lett arbetet med bildtelefonens kameratub, gav honom stöd och sade att Bell Labs inte hade ägnat sig åt bilder med CCD alls om inte Tompsett hade envisats.
Smith svarade att bildtillämpningen hade varit uppenbar redan 1969 och att han hade anteckningar som visade det. Tompsett kunde enligt honom tillskrivas god ingenjörskonst, men inte idén.
Den mest användbara kommentaren kom från Carlo Séquin, som anslöt till Bell Labs CCD-grupp några månader efter starten. Frågan om vem som uppfann sensorn beror, menade han, på vad man vill fira. Är det principen om laddningsöverföring hör den till Boyle och Smith. Är det en praktisk bildsensor hör den till Tompsett, och kanske till Amelio, som gjorde den till en vara.
Senare utmärkelser har landat mer brett. Queen Elizabeth Prize for Engineering gick den 2 februari 2017 till fyra personer: Smith, Tompsett, Nobukazu Teranishi och Eric Fossum. När ingenjörsorganisationen IEEE satte upp en minnesplakett för CCD den 21 oktober 2025 stod tre namn på den, Boyle, Smith och Tompsett.
Det som kom efter
De två andra pristagarna 2017 står för det som hände sedan. Teranishi och hans kolleger på NEC uppfann 1980 den inbäddade fotodioden (pinned photodiode), som minskade brus och eftersläpning och blev standard i sensorer under slutet av 1980-talet. Eric Fossum utvecklade i början av 1990-talet vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory en sensor med aktiva bildpunkter i CMOS, den teknik som används i vanliga datorkretsar.
CMOS-sensorn läser av varje bildpunkt på plats i stället för att flytta laddningen genom hela kretsen. Den drar mindre ström, kan tillverkas i samma fabriker som andra chip och kan byggas ihop med sin egen elektronik. Den tog långsamt över, först i mobiltelefoner, sedan i allt annat.
I februari 2015 meddelade Sony att bolaget skulle sluta tillverka CCD-sensorer. Produktionen upphörde i mars 2017 och de sista leveranserna gick ut i mars 2020. CCD finns kvar i astronomi och vetenskapliga instrument, där dess jämna och rena signal fortfarande har ett värde, men i kameror är den i praktiken borta.
Det betyder inte att skissen från 1969 är borta. Den grundläggande tanken, att ljus fyller en grop i kisel med elektroner och att mängden elektroner är bilden, gäller för CMOS precis som för CCD. Det som skilde Boyles och Smiths krets från efterföljaren var hur gropen töms, inte hur den fylls.
Vad som blev kvar
Willard Boyle dog den 7 maj 2011 i Truro, Nova Scotia, 86 år gammal. George Smith dog den 28 maj 2025 i sitt hem i Waretown, New Jersey, 95 år gammal.
Det finns en symmetri i den här historien som är lätt att missa. När ljus träffar ett korn av silverbromid i en fotografisk emulsion är det också elektroner som slås loss. Det är de elektronerna som samlas och bildar den latenta bilden, den osynliga förändring som framkallaren sedan förstärker. Fotografin har, sedan 1839, alltid handlat om vad ljuset gör med elektroner.
Skillnaden är vad som händer efteråt. I filmen stannar elektronerna där de hamnade, och bilden måste framkallas för att bli synlig. I kislet flyttas de, räknas och blir ett tal. Allt som digital fotografi har gjort med bilden sedan dess, att den kan skickas, kopieras, redigeras och lagras i miljarder exemplar, bygger på att någon för ett drygt halvsekel sedan kom på hur ett litet paket laddning kunde flyttas ett steg i taget utan att tappas bort.
Det tog mindre än en timme att rita. Det tog fyrtio år innan de som ritade fick ett pris för det, och ungefär lika länge innan den bild de inte satt och tänkte på hade ersatt filmen nästan helt.
Lämna ett svar