留住歷史，定格瞬間

光，是人類永恒的話題。當80萬年前第一團人造火在人類中生起，劇烈的氧化反應為闃寂的黑夜中帶來了光與熱。從此，光與暗便有了區別，人類不用在寒冷的長夜中等待夜闌。光，將人類聚集在一起，它吸引人類，同時也引導人類，暗夜不再駭人，星空從此璀璨。

不知何時，一個智人，在火光的照映下，抬頭仰望這星瀚?！拔沂钦l，我從哪里來，又要到那里去？”他無法回答這些問題，但是在這團微弱火光之下，他已經邁出了人類科學的第一步——好奇與思考。

   “景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠近有端，與于光，故景庫內也?！边@是2400年前，墨翟（墨子）記錄于《墨經》之中的文字。2400年前的墨子一定沒有意識到，自己這個不經意的發現，已經為人類敲開了光學的大門，這段復雜晦澀的文字也會被后人整理成一個婦孺皆知的簡單四字詞語——小孔成像。

墨子是世界上最早記錄小孔成像的人

當千百年之后，“小孔成像”的知識隨著阿拉伯人的商隊通過絲綢之路，穿過廣闊的大漠，來到了歐洲。公元15世紀，正值文藝復興，畫家們利用小孔成像的原理發明了一種名為“暗箱”的繪畫工具。在一個黑暗的箱子前裝上鏡片，光線穿過鏡片，到達一面鏡子上，之后反射到一面毛玻璃上。畫家們用一張白紙在毛玻璃上臨摹，這樣就得到了一張真實感和現實世界相當接近的作品。

暗箱

   自此，無數文藝復興時期的畫家借由這個工具，畫出了一幅幅以人為本的人文主義寫實作品。人類不再是“神”的工具，人類也有人類的底蘊，不是任由教會擺布的棋子。歐洲的人們，第一次意識到了自己擁有打破神權桎梏的力量——科學。

  隨著科技的進步，人類抓住光的夢想也愈發強烈，直到1826年，法國人喬瑟夫·尼舍弗朗·尼埃普斯第一次用瀝青抓住了光的雪泥鴻跡。尼埃普斯用涂有瀝青的白镴板置于暗相中，對著窗外的風景經過長達8個小時的曝光，成功拍攝了攝影史上第一張永久保存的照片。他把這種拍攝法稱為“日光蝕刻法”。

世界上第一張照片《窗外的風景》（原版） 約1826年

  尼埃普斯的成功讓人們意識到，抓住光并非完全不可能，白镴板上淺淺的痕跡，圖像模糊不清，若隱若現，但光學成像的前途已經昭然若揭。1835年，法國人達蓋爾發現利用鍍有碘化銀的鋼板在暗箱里進行曝光，然后以水銀蒸汽進行顯影，再以普通食鹽定影，可以得到一個金屬負像，十分清晰而且可以永久保存，繼而發明了“達蓋爾銀版法“。對比尼埃普斯長達8小時的曝光時間，達蓋爾銀版法僅需要曝光20到30分鐘，大大提高了可用度。很快人們將graphis（繪圖）和phos（光線）兩個詞合二為一，發明出了對于整個人類歷史影響深遠的詞——“photography”（攝影術）。自此，人類開始“操作”光來繪制時光的“瞬間“，攝影的發展開始進入快車道。  

1880年，美國人喬治·伊斯曼創立的一家名叫伊斯曼柯達的公司，并于1884年用紙做基片，

喬治·伊斯曼（左）與托馬斯·愛迪生

制作出了可以卷起來的感光材料，這就是我們所熟悉的膠卷，從此攝影這門新生學科真正走進了大眾生活之中。無數的攝影師開始使用便攜式膠卷相機，記錄下了一個又一個人類歷史的轉折點。從第一次世界大戰到大蕭條；從希特勒宣誓就職到蘇聯紅軍攻克柏林，甚至當1969年，人類撕碎引力的枷鎖，沖上月球之時，相機依舊忠實地履行著自己的職責。

奧爾德林在月球行走 瓦爾特·施艾拉 攝

歷史不在是毫無生氣的文字，而是變成了一個個鮮活的面容——攝影站到了科技與人文的十字路口。

《諾曼底登陸日》羅伯特·卡帕 攝

然而這一切都將在1969年10月的的中午發生顛覆性的改變。這一天是貝爾實驗室再平常不過的一天，兩位美國科學家維拉·博伊爾和喬治·史密斯在午餐中討論如何將影像電話和半導體氣泡式記憶體的技術結合起來時，獲得了啟發。他們很快設計出了一種被他們稱為電荷氣泡元件的儲存設備。但是，很快他們便意識到，如果這個設備儲存的不是簡單的電荷，而是由光電效應所激發的光電子，那是不是就可以用來記錄影像信號了呢？他們很快著手改進，于1969年10月17日，設計出了世界上第一塊電荷耦合元件（CCD）。CCD使用了一種特殊的MOS結構：在一塊P型或者N型單晶硅上擴展一層二氧化硅，然后再在上面擴散一層類似光電二極管的PN結。PN結用于接收光子輻射，并利用勢阱捕獲電子。當光線射入的時候，基于光電效應，如果光子的能量處于能隙時，光子通不過晶體，被晶體的電子吸收；如果拍攝的場景夠明亮，而能量大于CCD單元材料能隙的光子會被半導體吸收激發出光生電子孔穴對，光生多子側通過半導體襯底流走，而光生少子則會被MOS陣列的一系列勢阱俘獲并收集起來，這些勢阱相互間非?？拷鼌s又互相隔離，在勢阱中積累的光生少子數量上與入射光學圖像相應位置的光照大小成正比，于是，CCD上便存儲了圖像的亮度信息，從而可以讀取出黑白影像。

CCD電荷信號的存儲

    雖然早期的CCD性能表現很糟糕，它只能記錄黑白影像，且受限于芯片制程工藝，其分辨率甚至不到1萬像素，不僅如此， CCD這種使用間隔柵格化而非膠片模擬連續的感應方式容易產生摩爾紋。但是，人們還是看到了其巨大的商業前景，并迅速嘗試讓CCD商業化。1973年，第一塊商業化的CCD由仙童半導體推出，這塊CCD的像素只有可憐的100×100，但是從這些現在看來模糊不清的圖像中，我們卻看到了清晰無比的未來。隨后這枚

1972年 CCD所記錄的“S”

CCD便被用在了一支8英寸直徑的天文望遠鏡上，并引發了巨大的關注。CCD的發展走上了快車道：1974年，吉爾阿米李奧博士設計出CCD的生產線，批量生產變為可能；1975年第一臺CCD平板掃描儀由科斯維爾公司生產發布，同年，柯達發布了第一臺CCD相機；1978年柯達實驗室的拜耳博士貢獻了一個至關重要的研究成果——拜爾陣列。拜耳使用紅、綠、藍三種顏色的濾鏡，在每一個CCD單元上加上了一種色彩濾鏡，并且相鄰的像素濾鏡顏色不同，這樣CCD就能感知對應顏色的亮度，之后通過色彩空間插值法我們可以依據某點相鄰像素所提供的原色信息來計算出該點的顏色。從此CCD也能輸出彩色的影像。隨

后在當時攝影機領域實力強勁的Sony看中了CCD在攝影機領域的發展前景，大力開發CCD，在投入了超過200億日元之后，終于于1978年，生產出12萬象素并使用3枚SCX-24C單晶片的CCD，ICX008。在隨后的十幾年中，受制于人類芯片制程工藝和無塵車間技術，在世界范圍內CCD的大規模量產一直是個巨大的問題，直到1990年，隨著制造工藝的和無塵車間的技術相繼解決，屬于CCD的時代來臨了，柯達改造了一臺Nikon F3S制造出了世界上第一臺CCD單反相機，隨后，1993年Nikon和Canon分別推出了自己的CCD單反的原型機，CCD相機開始了井噴式的發展，到2000年，CCD相機的成像質量在小尺寸照片中，已經和膠片非常接近。正當CCD如日中天之時，Canon于2000年10月，發布了D30，在新世紀伊始，開啟了下一世代的影像革命——這是第一臺用CMOS成像的單反相機。

互補金屬氧化物半導體，簡稱CMOS，它的出身可謂和影像可謂八竿子打不著。它最初是作為計算機中一塊可讀可寫的ram出現的，因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設置完電腦硬件參數后的數據。早期的CMOS作為圖像傳感器，其自身存在著天然的劣勢：其成像原理和CCD一樣，但是后端輸出時，每個像素都有單獨的放大器，每個像素的信號獨立輸出，而CCD則是有一個或是幾個節點統一輸出。這就導致了CMOS 信號的一致性遠遜于CCD，其線路中的固定噪聲遠大于CCD，直接影響了成像的水平。但是，成也蕭何，敗也蕭何，由于CCD的統一讀取，它對放大器的帶寬要求很高，高帶寬所帶來的高功耗，這是CCD一個嚴重的短板。如果說，高功耗能用更大的電池作為補償，那CCD對比CMOS高昂的制造成本則是CCD的死穴。CCD中電路和器件是集成在半導體單晶材料上，工藝較復雜，世界上只有少數幾家廠商能夠生產CCD晶元，而且CCD所輸出的是模擬信號，這就意味著后續需要地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路，其集成度非常低，這和芯片的發展趨勢可謂背道而馳。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導體材料上，這種工藝與生產數以萬計的計算機芯片和存儲設備等半導體集成電路的工藝相同，因此生產CMOS的成本相對CCD低很多。而且從輸入到輸出再到讀取，CMOS之上都可以集成。只需一塊CMOS相機功能就可全部實現，大大的降低了相機的重量和尺寸。正是借著CMOS的價格優勢和制造相對容易，使得Canon在數碼相機領域異軍突起，一時間一騎絕塵，很快在市場份額上擊敗了在膠片時代壓自己一頭的Nikon?！凹涯?，感動常在”的口號從此成了一代中國人的回憶。憑借CMOS的成功和其帶來的巨大的利潤，Canon不斷克服CMOS上的各種天然劣勢，完全改變了大家印象中CMOS低畫質高噪音的印象。

看到了佳能在CMOS領域的成功，CCD時代的王者，Sony也加大了CMOS的研發。在2008年推出了自己的“背照式“CMOS結構：其基本組成與傳統CMOS一樣，只是排布順序不一樣。由上到下依次是：片上透鏡、濾光片、光電二極管以及基板、金屬排線。而傳統的前照式結構則是：上透鏡、濾光片、金屬排線、光電二極管以及基板。對比于傳統前照

背照式（右）與前照式CMOS

式結構，背照式將接收光的二極管放在了電路板之前，極大的提升了光線的利用率，在攝影領域，光就是一切。提高了進光量，畫質也隨之明顯改進。由于背照式有著近70%的進光量提升，使得小尺寸高畫質的CMOS成為可能，讀到這里你有沒有想到什么？沒錯，這為日后Sony基本壟斷手機CMOS市場打下了基礎。

在背照式CMOS的基礎上，2012年Sony發布世界上第一款堆棧式CMOS——“Exmor RS CMOS”。隨之而來的是三款cmos產品：IMX135（1/3.06英寸，1313萬像素）、IMX134（1/4英寸，808萬像素）、ISX014（1/4英寸，808萬像素）。很明顯對于2012年手機攝影的起步之年，Sony精準地瞄準了這塊幾乎是空白的市場。

所謂“堆棧式”簡單來講就是將CMOS的電路層和像素區域分開，讓它們各司其事。堆棧式CMOS的推出極大的解放了電路層，使得可以針對性地對電路層優化，堆棧式CMOS提升了電路處理能力，才讓各種強大而快速地圖像處理成為可能，為之后的手機計算影像的發展奠定了基礎。隨著手機攝影的崛起，早早在這片市場布局的Sony也收獲了巨大的利潤和寶貴的CMOS設計經驗，在CMOS生產領域擊敗了Canon，直到今天，Sony都是CMOS領域的王者。而隨著一代又一代工程師的努力，CMOS也在成像質量上不輸CCD，憑借其相對容易的生產難度和低廉的成本，成為了攝影領域絕對的主力，而CCD則靠著它低信噪比的優勢活躍于天文攝影領域。

留住歷史，定格瞬間，是人類千百年來的夢想，從2400年前的墨子，再到攝影術發展的200多年，改變的是承載回憶的載體，而不變的則是記錄這大千世界的初心。就像Nikon的slogan“影像，從心”，光，是一切的基礎，是我們的起源，自然，我們發自內心地追逐光線，渴望光線，就是這份渴望，推動著我們從墨子走到尼埃普斯，從膠片走到CMOS，最后透過我們的視網膜，在上面留下屬于我們自己的決定性瞬間。

渴望和好奇，推動著科技進步，從人類第一項真正意義上的技術——火，到如今的裂變與聚變能源、超弦理論的提出。人類已經在這顆藍色的星球上取得了偉大的科學成就，我們需要一個記錄者，站在科技和人文的交匯點，記錄我們每一次的偉大進步，每一次按下快門，CMOS記錄下的可能是液氫與液氧混合，噴涌而出的巨大能量推動著火箭升空的瞬間，可能是翻山越嶺之后的落日絳霄，也可能是璀璨星空來自千萬年前的古老光線，當然也可能是你心中那個獨一無二的ta。在可以遇見的未來，CCD和CMOS將會繼續扮演記錄者的角色，見證我們的發展，鐫刻我們的興衰。當快門簾拉開，光線涌入, 霆霓之間，歲月便有了文明。