衆所周知，1989年柯達推出了第一台商品化的數位相機，但真正意義上的第一台數位相機是1981年索尼生産的Mavica，該相機不僅采用了可交換鏡頭設計，還有标準變焦、中焦、長焦三隻鏡頭。經過35年的發展，傳感器在影像産業有了重大進步，2024年初我們來回顧一下。
01
數位相機改寫傳統影像市場
數位相機的發明和普及，得益于數位技術的飛速發展和普及。數位相機最早出現在20世紀80年代，當時的數位相機使用的是一些簡單的、低分辨率的圖像傳感器，而且價格昂貴、體積龐大。
随着技術的不斷發展和成熟，數位相機的分辨率和像素數量不斷提高，價格和體積也不斷下降，逐漸成為一種流行的影像記錄方式。2000年後，網際網路革命爆發，全球數位市場快速發展，膠卷的需求開始萎縮下降。
柯達昔日的對手索尼、佳能、尼康等相繼進入數位相機領域，形成了先發之勢。柯達在面臨轉折的關頭，依然固守膠卷業務，不去發展數字業務，就此錯過轉型的最佳時機。隻用了不到3年的時間，柯達的銷售額就從140億美元跌落到42億美元，不得不宣布放棄膠卷業務，進軍數位領域。
柯達先是出售了數位相機業務，之後又以25億多美元的價格出售了其支柱業務——醫療成像。到2012年，柯達終于堅持不下去了，不得不申請破産保護。此時，柯達的資産隻剩下51億美元，而負債卻高達68億美元。
另一方面，數位相機頗受市場好評，功能也得到了不斷擴充和完善，如自動對焦、光學防抖、高速拍攝、人像模式等等，讓數位相機更加适合各種場景的拍攝需求。數位相機的發展得益于多種技術的進步，早期成像的主流是元件是CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）傳感器技術，此外還加入了高性能圖像處理晶片技術、存儲媒體技術、壓縮算法技術等等。這些技術的進步，不僅提高了數位相機的畫質和性能，也拓展了數位相機的應用領域和市場。
02
各類技術競相争豔
CCD（電荷耦合器件）傳感器是第一種能夠提供良好效果且價格足夠适合消費産品的圖像傳感器技術。CCD 從傳感器的邊緣讀出，每次讀取一個像素，每次讀取一個像素時，将電荷從一個像素級聯到下一個像素。完成此操作的速度取決于施加到晶片的電流，是以快速讀出需要大量功率。
由于小型消費相機電池的功率限制，該過程相對較慢，并且使得緊湊型相機的實時取景變得非常緩慢和滞後。從 上世紀90年代中期到2010 年代初，CCD 構成了早期數位相機市場的基礎，盡管在此期間該技術不斷發展，像素變得越來越小，性能也越來越好。
CCD當時的技術争霸也很激烈，比如富士膠片早期的王牌——超級 CCD 技術（Super CCD）。構造上說起，普通的CCD裡面的成像單元都是長方形的，而且排列的方式是矩形排列，而SuperCCD是8邊形的構造，在有效感光面積上來說要占優勢，而且SuperCCD的排列方式是蜂窩狀排列，能夠更有效的利用空間，使得整體感光度方面(感光度就是在同面積上CCD對光線吸收的多少，也可以說是對光線的利用效率)Super CCD要比普通的CCD高，這也是為什麼早期Super CCD的ISO起點一般都為ISO 200的原因。
早期對小型傳感器 CMOS 的嘗試不算成功，CCD在緊湊型相機中占據主導地位
但與此同時，一種競争技術 CMOS（互補金屬氧化物半導體）正在開發中。這些将每個像素的輸出依次傳送到公共電線，這意味着電荷不必通過所有相鄰像素就可以離開晶片。這使得讀數運作得更快，而不需要大量的電力。CMOS 傳感器的生産成本也較低。佳能于2000 年推出D30 APS-C 單反相機，率先采用 CMOS。在接下來的幾年中，性能不斷提高，佳能以出色的高 ISO 圖像品質赢得了好評。
CCD（左）和 CMOS（右）圖像傳感器哪個更好，在2000年到2010年之間争議不斷
CCD本身捕獲的顔色與 CMOS 沒有任何不同，盡管一些攝影師深情地回顧 CCD 時代的色彩再現，但 CCD 本身捕捉色彩的方式與 CMOS其實很類似。差異可能源于濾色片選擇性和吸收特性的變化，因為制造商試圖通過使用允許更多光線通過的濾光片來提高低光性能。到 2007 年，業界最大的晶片供應商（索尼半導體）已将其 APS-C 晶片轉向 CMOS，CMOS 成為大型傳感器相機的預設技術。
CCD和CMOS成像器都依靠光電效應從光中産生電信号
技術上說，CCD 和 CMOS 成像器的不同之處在于信号從信号電荷轉換為模拟信号，最後轉換為數字信号的方式。在 CMOS 區域和行掃描成像器中，該資料路徑的前端是高度并行的。這使得每個放大器都具有低帶寬。
當信号到達資料路徑瓶頸（通常是片外電路和成像器之間的接口）時，CMOS 資料就牢牢地處于數字域中。雖然高速 CCD 具有大量并行快速輸出通道，但它們的并行性不如高速 CMOS 成像器。是以，每個CCD放大器具有更高的帶寬，進而導緻更高的噪點。是以，可以設計出比高速 CCD 噪點低得多的高速 CMOS 成像器。
03
手機選擇了CMOS而不是CCD傳感器
憑借對更小元件的更高內建度和更低功耗的優勢，CMOS 設計人員将精力集中在全球産量最高的圖像傳感器應用（行動電話）的成像器上。結果是，即使像素尺寸減小了，圖像品質也得到了重大改進。是以，在大批量消費領域和線掃描成像器的情況下，基于幾乎所有可以想象的性能參數，CMOS 成像器取代了 CCD 成像器。
在機器視覺領域，面掃描和線掃描成像器借助手機成像器的大規模投資取代了 CCD 成像器，這是市場決定的。對于大多數機器視覺區域和線掃描成像儀來說，CCD 也成為過去式。
CMOS傳感器成為手機發展中選擇的對象
總結起來CMOS有幾個優點，首先是處理速度快。在 CCD 中，感光點是被動的，感光點是為 CCD 或 CMOS 傳感器中的單色像素。在 CCD 傳感器中，光線被捕獲并轉換成電荷。電荷在光點中積累，被轉移到電壓轉換器，然後被放大。整個過程一次一行發生，緻處理速度和資訊傳輸速度較慢。
其次是CMOS空間要求不高，CMOS能夠将元件內建到單個晶片上，進而節省空間。CCD不可能将模數轉換器和定時器等外圍元件內建在單個晶片上。對于需要限制在一定尺寸的手機來說，必須節省空間，這使得CMOS在手機中使用具有優勢。
此外，CCD要比CMOS消耗更多的能量。CCD需要多種電源來提供定時時鐘，比如7V至10V的電壓。CMOS 傳感器僅需要一類電源，并且需要 3.3V 至 5V 的電壓，比 CCD 傳感器低大約 50%，較低的功耗意味着更長的電池壽命。
在 CCD 傳感器中，當圖像曝光過度時，電子會堆積在圖像最亮部分的區域，并溢出到其他感光點，進而産生不需要的光條紋。CMOS 傳感器的結構則避免了這個問題。CMOS 晶片幾乎可以在任何标準矽生産線上生産，而 CCD 晶片則不然。是以，CMOS晶片的生産成本較低，這些成本節省為手機公司帶來了更好的利潤率。
綜上所述，CCD在智能手機邁入新時代的競争法則中，被淘汰了。
04
小知識：唯獨近紅外成像儀青睐CCD
當然，也有一些例外，比如近紅外成像儀需要具有更厚的光子吸收區域才能在近紅外（700 至 1000 nm）範圍内成像。其背後的原因是紅外光子在矽中比可見光子被吸收得更深。
近紅外成像中矽太陽能電池的裂紋很明顯
大多數 CMOS 成像器制造技術均針對僅在可見光中成像的大批量應用進行了調整。這些成像儀對近紅外 (NIR) 相當不敏感，因為它們實際上被設計為在NIR中盡可能不敏感。如果較厚的外延層未與較高的像素偏置電壓或較低的外延摻雜水準相結合，則增加基闆的厚度（或更準确地說，外延或外延層厚度）以增強紅外靈敏度将降低紅外靈敏度的能力。成像儀來解析空間特征。改變電壓或外延摻雜将影響 CMOS 數字和模拟電路的運作。
在某些近紅外CCD中，外延層的厚度超過100微米，而大多數CMOS成像器中外延層的厚度為5至10微米。此外，對于較厚的外延層，需要修改CCD像素偏置和外延層濃度，與 CMOS相比，可以更輕松地管理對CCD電路的影響。
壹零社