留住歷史，定格瞬間

光，是人類永恒的話題。當(dāng)80萬(wàn)年前第一團(tuán)人造火在人類中生起，劇烈的氧化反應(yīng)為闃寂的黑夜中帶來(lái)了光與熱。從此，光與暗便有了區(qū)別，人類不用在寒冷的長(zhǎng)夜中等待夜闌。光，將人類聚集在一起，它吸引人類，同時(shí)也引導(dǎo)人類，暗夜不再駭人，星空從此璀璨。

不知何時(shí)，一個(gè)智人，在火光的照映下，抬頭仰望這星瀚。“我是誰(shuí)，我從哪里來(lái)，又要到那里去？”他無(wú)法回答這些問(wèn)題，但是在這團(tuán)微弱火光之下，他已經(jīng)邁出了人類科學(xué)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(yuǎn)近有端，與于光，故景庫(kù)內(nèi)也。”這是2400年前，墨翟（墨子）記錄于《墨經(jīng)》之中的文字。2400年前的墨子一定沒有意識(shí)到，自己這個(gè)不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)為人類敲開了光學(xué)的大門，這段復(fù)雜晦澀的文字也會(huì)被后人整理成一個(gè)婦孺皆知的簡(jiǎn)單四字詞語(yǔ)——小孔成像。

墨子是世界上最早記錄小孔成像的人

當(dāng)千百年之后，“小孔成像”的知識(shí)隨著阿拉伯人的商隊(duì)通過(guò)絲綢之路，穿過(guò)廣闊的大漠，來(lái)到了歐洲。公元15世紀(jì)，正值文藝復(fù)興，畫家們利用小孔成像的原理發(fā)明了一種名為“暗箱”的繪畫工具。在一個(gè)黑暗的箱子前裝上鏡片，光線穿過(guò)鏡片，到達(dá)一面鏡子上，之后反射到一面毛玻璃上。畫家們用一張白紙?jiān)诿Ａ吓R摹，這樣就得到了一張真實(shí)感和現(xiàn)實(shí)世界相當(dāng)接近的作品。

暗箱

   自此，無(wú)數(shù)文藝復(fù)興時(shí)期的畫家借由這個(gè)工具，畫出了一幅幅以人為本的人文主義寫實(shí)作品。人類不再是“神”的工具，人類也有人類的底蘊(yùn)，不是任由教會(huì)擺布的棋子。歐洲的人們，第一次意識(shí)到了自己擁有打破神權(quán)桎梏的力量——科學(xué)。

  隨著科技的進(jìn)步，人類抓住光的夢(mèng)想也愈發(fā)強(qiáng)烈，直到1826年，法國(guó)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(duì)著窗外的風(fēng)景經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)8個(gè)小時(shí)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(fēng)景》（原版） 約1826年

  尼埃普斯的成功讓人們意識(shí)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(xiàn)，但光學(xué)成像的前途已經(jīng)昭然若揭。1835年，法國(guó)人達(dá)蓋爾發(fā)現(xiàn)利用鍍有碘化銀的鋼板在暗箱里進(jìn)行曝光，然后以水銀蒸汽進(jìn)行顯影，再以普通食鹽定影，可以得到一個(gè)金屬負(fù)像，十分清晰而且可以永久保存，繼而發(fā)明了“達(dá)蓋爾銀版法“。對(duì)比尼埃普斯長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的曝光時(shí)間，達(dá)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(gè)詞合二為一，發(fā)明出了對(duì)于整個(gè)人類歷史影響深遠(yuǎn)的詞——“photography”（攝影術(shù)）。自此，人類開始“操作”光來(lái)繪制時(shí)光的“瞬間“，攝影的發(fā)展開始進(jìn)入快車道。  

1880年，美國(guó)人喬治·伊斯曼創(chuàng)立的一家名叫伊斯曼柯達(dá)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(lái)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(xué)科真正走進(jìn)了大眾生活之中。無(wú)數(shù)的攝影師開始使用便攜式膠卷相機(jī)，記錄下了一個(gè)又一個(gè)人類歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從第一次世界大戰(zhàn)到大蕭條；從希特勒宣誓就職到蘇聯(lián)紅軍攻克柏林，甚至當(dāng)1969年，人類撕碎引力的枷鎖，沖上月球之時(shí)，相機(jī)依舊忠實(shí)地履行著自己的職責(zé)。

奧爾德林在月球行走 瓦爾特·施艾拉 攝

歷史不在是毫無(wú)生氣的文字，而是變成了一個(gè)個(gè)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(fā)生顛覆性的改變。這一天是貝爾實(shí)驗(yàn)室再平常不過(guò)的一天，兩位美國(guó)科學(xué)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(dǎo)體氣泡式記憶體的技術(shù)結(jié)合起來(lái)時(shí)，獲得了啟發(fā)。他們很快設(shè)計(jì)出了一種被他們稱為電荷氣泡元件的儲(chǔ)存設(shè)備。但是，很快他們便意識(shí)到，如果這個(gè)設(shè)備儲(chǔ)存的不是簡(jiǎn)單的電荷，而是由光電效應(yīng)所激發(fā)的光電子，那是不是就可以用來(lái)記錄影像信號(hào)了呢？他們很快著手改進(jìn)，于1969年10月17日，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)：在一塊P型或者N型單晶硅上擴(kuò)展一層二氧化硅，然后再在上面擴(kuò)散一層類似光電二極管的PN結(jié)。PN結(jié)用于接收光子輻射，并利用勢(shì)阱捕獲電子。當(dāng)光線射入的時(shí)候，基于光電效應(yīng)，如果光子的能量處于能隙時(shí)，光子通不過(guò)晶體，被晶體的電子吸收；如果拍攝的場(chǎng)景夠明亮，而能量大于CCD單元材料能隙的光子會(huì)被半導(dǎo)體吸收激發(fā)出光生電子孔穴對(duì)，光生多子側(cè)通過(guò)半導(dǎo)體襯底流走，而光生少子則會(huì)被MOS陣列的一系列勢(shì)阱俘獲并收集起來(lái)，這些勢(shì)阱相互間非常靠近卻又互相隔離，在勢(shì)阱中積累的光生少子數(shù)量上與入射光學(xué)圖像相應(yīng)位置的光照大小成正比，于是，CCD上便存儲(chǔ)了圖像的亮度信息，從而可以讀取出黑白影像。

CCD電荷信號(hào)的存儲(chǔ)

    雖然早期的CCD性能表現(xiàn)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(wàn)像素，不僅如此， CCD這種使用間隔柵格化而非膠片模擬連續(xù)的感應(yīng)方式容易產(chǎn)生摩爾紋。但是，人們還是看到了其巨大的商業(yè)前景，并迅速嘗試讓CCD商業(yè)化。1973年，第一塊商業(yè)化的CCD由仙童半導(dǎo)體推出，這塊CCD的像素只有可憐的100×100，但是從這些現(xiàn)在看來(lái)模糊不清的圖像中，我們卻看到了清晰無(wú)比的未來(lái)。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(yuǎn)鏡上，并引發(fā)了巨大的關(guān)注。CCD的發(fā)展走上了快車道：1974年，吉爾阿米李?yuàn)W博士設(shè)計(jì)出CCD的生產(chǎn)線，批量生產(chǎn)變?yōu)榭赡埽?/span>1975年第一臺(tái)CCD平板掃描儀由科斯維爾公司生產(chǎn)發(fā)布，同年，柯達(dá)發(fā)布了第一臺(tái)CCD相機(jī)；1978年柯達(dá)實(shí)驗(yàn)室的拜耳博士貢獻(xiàn)了一個(gè)至關(guān)重要的研究成果——拜爾陣列。拜耳使用紅、綠、藍(lán)三種顏色的濾鏡，在每一個(gè)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(duì)應(yīng)顏色的亮度，之后通過(guò)色彩空間插值法我們可以依據(jù)某點(diǎn)相鄰像素所提供的原色信息來(lái)計(jì)算出該點(diǎn)的顏色。從此CCD也能輸出彩色的影像。隨

后在當(dāng)時(shí)攝影機(jī)領(lǐng)域?qū)嵙?qiáng)勁的Sony看中了CCD在攝影機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展前景，大力開發(fā)CCD，在投入了超過(guò)200億日元之后，終于于1978年，生產(chǎn)出12萬(wàn)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(wú)塵車間技術(shù)，在世界范圍內(nèi)CCD的大規(guī)模量產(chǎn)一直是個(gè)巨大的問(wèn)題，直到1990年，隨著制造工藝的和無(wú)塵車間的技術(shù)相繼解決，屬于CCD的時(shí)代來(lái)臨了，柯達(dá)改造了一臺(tái)Nikon F3S制造出了世界上第一臺(tái)CCD單反相機(jī)，隨后，1993年Nikon和Canon分別推出了自己的CCD單反的原型機(jī)，CCD相機(jī)開始了井噴式的發(fā)展，到2000年，CCD相機(jī)的成像質(zhì)量在小尺寸照片中，已經(jīng)和膠片非常接近。正當(dāng)CCD如日中天之時(shí)，Canon于2000年10月，發(fā)布了D30，在新世紀(jì)伊始，開啟了下一世代的影像革命——這是第一臺(tái)用CMOS成像的單反相機(jī)。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)中一塊可讀可寫的ram出現(xiàn)的，因?yàn)榭勺x寫的特性，所以在電腦主板上用來(lái)保存BIOS設(shè)置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)。早期的CMOS作為圖像傳感器，其自身存在著天然的劣勢(shì)：其成像原理和CCD一樣，但是后端輸出時(shí)，每個(gè)像素都有單獨(dú)的放大器，每個(gè)像素的信號(hào)獨(dú)立輸出，而CCD則是有一個(gè)或是幾個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一輸出。這就導(dǎo)致了CMOS 信號(hào)的一致性遠(yuǎn)遜于CCD，其線路中的固定噪聲遠(yuǎn)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(tǒng)一讀取，它對(duì)放大器的帶寬要求很高，高帶寬所帶來(lái)的高功耗，這是CCD一個(gè)嚴(yán)重的短板。如果說(shuō)，高功耗能用更大的電池作為補(bǔ)償，那CCD對(duì)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(dǎo)體單晶材料上，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD晶元，而且CCD所輸出的是模擬信號(hào)，這就意味著后續(xù)需要地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時(shí)鐘控制電路，其集成度非常低，這和芯片的發(fā)展趨勢(shì)可謂背道而馳。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此生產(chǎn)CMOS的成本相對(duì)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(jī)功能就可全部實(shí)現(xiàn)，大大的降低了相機(jī)的重量和尺寸。正是借著CMOS的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和制造相對(duì)容易，使得Canon在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域異軍突起，一時(shí)間一騎絕塵，很快在市場(chǎng)份額上擊敗了在膠片時(shí)代壓自己一頭的Nikon?！凹涯?，感動(dòng)常在”的口號(hào)從此成了一代中國(guó)人的回憶。憑借CMOS的成功和其帶來(lái)的巨大的利潤(rùn)，Canon不斷克服CMOS上的各種天然劣勢(shì)，完全改變了大家印象中CMOS低畫質(zhì)高噪音的印象。

看到了佳能在CMOS領(lǐng)域的成功，CCD時(shí)代的王者，Sony也加大了CMOS的研發(fā)。在2008年推出了自己的“背照式“CMOS結(jié)構(gòu)：其基本組成與傳統(tǒng)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(tǒng)的前照式結(jié)構(gòu)則是：上透鏡、濾光片、金屬排線、光電二極管以及基板。對(duì)比于傳統(tǒng)前照

背照式（右）與前照式CMOS

式結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域，光就是一切。提高了進(jìn)光量，畫質(zhì)也隨之明顯改進(jìn)。由于背照式有著近70%的進(jìn)光量提升，使得小尺寸高畫質(zhì)的CMOS成為可能，讀到這里你有沒有想到什么？沒錯(cuò)，這為日后Sony基本壟斷手機(jī)CMOS市場(chǎng)打下了基礎(chǔ)。

在背照式CMOS的基礎(chǔ)上，2012年Sony發(fā)布世界上第一款堆棧式CMOS——“Exmor RS CMOS”。隨之而來(lái)的是三款cmos產(chǎn)品：IMX135（1/3.06英寸，1313萬(wàn)像素）、IMX134（1/4英寸，808萬(wàn)像素）、ISX014（1/4英寸，808萬(wàn)像素）。很明顯對(duì)于2012年手機(jī)攝影的起步之年，Sony精準(zhǔn)地瞄準(zhǔn)了這塊幾乎是空白的市場(chǎng)。

所謂“堆棧式”簡(jiǎn)單來(lái)講就是將CMOS的電路層和像素區(qū)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(duì)性地對(duì)電路層優(yōu)化，堆棧式CMOS提升了電路處理能力，才讓各種強(qiáng)大而快速地圖像處理成為可能，為之后的手機(jī)計(jì)算影像的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著手機(jī)攝影的崛起，早早在這片市場(chǎng)布局的Sony也收獲了巨大的利潤(rùn)和寶貴的CMOS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在CMOS生產(chǎn)領(lǐng)域擊敗了Canon，直到今天，Sony都是CMOS領(lǐng)域的王者。而隨著一代又一代工程師的努力，CMOS也在成像質(zhì)量上不輸CCD，憑借其相對(duì)容易的生產(chǎn)難度和低廉的成本，成為了攝影領(lǐng)域絕對(duì)的主力，而CCD則靠著它低信噪比的優(yōu)勢(shì)活躍于天文攝影領(lǐng)域。

留住歷史，定格瞬間，是人類千百年來(lái)的夢(mèng)想，從2400年前的墨子，再到攝影術(shù)發(fā)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(chǔ)，是我們的起源，自然，我們發(fā)自內(nèi)心地追逐光線，渴望光線，就是這份渴望，推動(dòng)著我們從墨子走到尼埃普斯，從膠片走到CMOS，最后透過(guò)我們的視網(wǎng)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(dòng)著科技進(jìn)步，從人類第一項(xiàng)真正意義上的技術(shù)——火，到如今的裂變與聚變能源、超弦理論的提出。人類已經(jīng)在這顆藍(lán)色的星球上取得了偉大的科學(xué)成就，我們需要一個(gè)記錄者，站在科技和人文的交匯點(diǎn)，記錄我們每一次的偉大進(jìn)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(dòng)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(lái)自千萬(wàn)年前的古老光線，當(dāng)然也可能是你心中那個(gè)獨(dú)一無(wú)二的ta。在可以遇見的未來(lái)，CCD和CMOS將會(huì)繼續(xù)扮演記錄者的角色，見證我們的發(fā)展，鐫刻我們的興衰。當(dāng)快門簾拉開，光線涌入, 霆霓之間，歲月便有了文明。