【2024影像技术前瞻】日系还能风光多久？传感器技术走过这些年

众所周知，1989年柯达推出了第一台商品化的数码相机，但真正意义上的第一台数码相机是1981年索尼生产的Mavica，该相机不仅采用了可交换镜头设计，还有标准变焦、中焦、长焦三只镜头。经过35年的发展，传感器在影像产业有了重大进步，2024年初我们来回顾一下。

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数码相机改写传统影像市场

数码相机的发明和普及，得益于数码技术的飞速发展和普及。数码相机最早出现在20世纪80年代，当时的数码相机使用的是一些简单的、低分辨率的图像传感器，而且价格昂贵、体积庞大。

随着技术的不断发展和成熟，数码相机的分辨率和像素数量不断提高，价格和体积也不断下降，逐渐成为一种流行的影像记录方式。2000年后，互联网革命爆发，全球数码市场快速发展，胶卷的需求开始萎缩下降。

柯达昔日的对手索尼、佳能、尼康等相继进入数码相机领域，形成了先发之势。柯达在面临转折的关头，依然固守胶卷业务，不去发展数字业务，就此错过转型的最佳时机。只用了不到3年的时间，柯达的销售额就从140亿美元跌落到42亿美元，不得不宣布放弃胶卷业务，进军数码领域。

柯达先是出售了数码相机业务，之后又以25亿多美元的价格出售了其支柱业务——医疗成像。到2012年，柯达终于坚持不下去了，不得不申请破产保护。此时，柯达的资产只剩下51亿美元，而负债却高达68亿美元。

另一方面，数码相机颇受市场好评，功能也得到了不断扩展和完善，如自动对焦、光学防抖、高速拍摄、人像模式等等，让数码相机更加适合各种场景的拍摄需求。数码相机的发展得益于多种技术的进步，早期成像的主流是元件是CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）传感器技术，此外还加入了高性能图像处理芯片技术、存储介质技术、压缩算法技术等等。这些技术的进步，不仅提高了数码相机的画质和性能，也拓展了数码相机的应用领域和市场。

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各类技术竞相争艳

CCD（电荷耦合器件）传感器是第一种能够提供良好效果且价格足够适合消费产品的图像传感器技术。CCD 从传感器的边缘读出，每次读取一个像素，每次读取一个像素时，将电荷从一个像素级联到下一个像素。完成此操作的速度取决于施加到芯片的电流，因此快速读出需要大量功率。

由于小型消费相机电池的功率限制，该过程相对较慢，并且使得紧凑型相机的实时取景变得非常缓慢和滞后。从 上世纪90年代中期到2010 年代初，CCD 构成了早期数码相机市场的基础，尽管在此期间该技术不断发展，像素变得越来越小，性能也越来越好。

CCD当时的技术争霸也很激烈，比如富士胶片早期的王牌——超级 CCD 技术（Super CCD）。构造上说起，普通的CCD里面的成像单元都是长方形的，而且排列的方式是矩形排列，而SuperCCD是8边形的构造，在有效感光面积上来说要占优势，而且SuperCCD的排列方式是蜂窝状排列，能够更有效的利用空间，使得整体感光度方面(感光度就是在同面积上CCD对光线吸收的多少，也可以说是对光线的利用效率)Super CCD要比普通的CCD高，这也是为什么早期Super CCD的ISO起点一般都为ISO 200的原因。

技术上说，CCD 和 CMOS 成像器的不同之处在于信号从信号电荷转换为模拟信号，最后转换为数字信号的方式。在 CMOS 区域和行扫描成像器中，该数据路径的前端是高度并行的。这使得每个放大器都具有低带宽。

当信号到达数据路径瓶颈（通常是片外电路和成像器之间的接口）时，CMOS 数据就牢牢地处于数字域中。虽然高速 CCD 具有大量并行快速输出通道，但它们的并行性不如高速 CMOS 成像器。因此，每个CCD放大器具有更高的带宽，从而导致更高的噪点。因此，可以设计出比高速 CCD 噪点低得多的高速 CMOS 成像器。

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手机选择了CMOS而不是CCD传感器

凭借对更小元件的更高集成度和更低功耗的优势，CMOS 设计人员将精力集中在全球产量最高的图像传感器应用（移动电话）的成像器上。结果是，即使像素尺寸减小了，图像质量也得到了重大改进。因此，在大批量消费领域和线扫描成像器的情况下，基于几乎所有可以想象的性能参数，CMOS 成像器取代了 CCD 成像器。

在机器视觉领域，面扫描和线扫描成像器借助手机成像器的大规模投资取代了 CCD 成像器，这是市场决定的。对于大多数机器视觉区域和线扫描成像仪来说，CCD 也成为过去式。

总结起来CMOS有几个优点，首先是处理速度快。在 CCD 中，感光点是被动的，感光点是为 CCD 或 CMOS 传感器中的单色像素。在 CCD 传感器中，光线被捕获并转换成电荷。电荷在光点中积累，被转移到电压转换器，然后被放大。整个过程一次一行发生，致处理速度和信息传输速度较慢。

其次是CMOS空间要求不高，CMOS能够将组件集成到单个芯片上，从而节省空间。CCD不可能将模数转换器和定时器等外围组件集成在单个芯片上。对于需要限制在一定尺寸的手机来说，必须节省空间，这使得CMOS在手机中使用具有优势。

此外，CCD要比CMOS消耗更多的能量。CCD需要多种电源来提供定时时钟，比如7V至10V的电压。CMOS 传感器仅需要一类电源，并且需要 3.3V 至 5V 的电压，比 CCD 传感器低大约 50%，较低的功耗意味着更长的电池寿命。

在 CCD 传感器中，当图像曝光过度时，电子会堆积在图像最亮部分的区域，并溢出到其他感光点，从而产生不需要的光条纹。CMOS 传感器的结构则避免了这个问题。CMOS 芯片几乎可以在任何标准硅生产线上生产，而 CCD 芯片则不然。因此，CMOS芯片的生产成本较低，这些成本节省为手机公司带来了更好的利润率。

综上所述，CCD在智能手机迈入新时代的竞争法则中，被淘汰了。

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小知识：唯独近红外成像仪青睐CCD

当然，也有一些例外，比如近红外成像仪需要具有更厚的光子吸收区域才能在近红外（700 至 1000 nm）范围内成像。其背后的原因是红外光子在硅中比可见光子被吸收得更深。

大多数 CMOS 成像器制造工艺均针对仅在可见光中成像的大批量应用进行了调整。这些成像仪对近红外 (NIR) 相当不敏感，因为它们实际上被设计为在NIR中尽可能不敏感。如果较厚的外延层未与较高的像素偏置电压或较低的外延掺杂水平相结合，则增加基板的厚度（或更准确地说，外延或外延层厚度）以增强红外灵敏度将降低红外灵敏度的能力。成像仪来解析空间特征。改变电压或外延掺杂将影响 CMOS 数字和模拟电路的运行。

在某些近红外CCD中，外延层的厚度超过100微米，而大多数CMOS成像器中外延层的厚度为5至10微米。此外，对于较厚的外延层，需要修改CCD像素偏置和外延层浓度，与 CMOS相比，可以更轻松地管理对CCD电路的影响。

编辑｜张毅

审核｜吴新

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