留住历史，定格瞬间

光，是人类永恒的话题。当80万年前第一团人造火在人类中生起，剧烈的氧化反应为阒寂的黑夜中带来了光与热。从此，光与暗便有了区别，人类不用在寒冷的长夜中等待夜阑。光，将人类聚集在一起，它吸引人类，同时也引导人类，暗夜不再骇人，星空从此璀璨。

不知何时，一个智人，在火光的照映下，抬头仰望这星瀚。“我是谁，我从哪里来，又要到那里去？”他无法回答这些问题，但是在这团微弱火光之下，他已经迈出了人类科学的第一步——好奇与思考。

   “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。在远近有端，与于光，故景库内也。”这是2400年前，墨翟（墨子）记录于《墨经》之中的文字。2400年前的墨子一定没有意识到，自己这个不经意的发现，已经为人类敲开了光学的大门，这段复杂晦涩的文字也会被后人整理成一个妇孺皆知的简单四字词语——小孔成像。

墨子是世界上最早记录小孔成像的人

当千百年之后，“小孔成像”的知识随着阿拉伯人的商队通过丝绸之路，穿过广阔的大漠，来到了欧洲。公元15世纪，正值文艺复兴，画家们利用小孔成像的原理发明了一种名为“暗箱”的绘画工具。在一个黑暗的箱子前装上镜片，光线穿过镜片，到达一面镜子上，之后反射到一面毛玻璃上。画家们用一张白纸在毛玻璃上临摹，这样就得到了一张真实感和现实世界相当接近的作品。

暗箱

   自此，无数文艺复兴时期的画家借由这个工具，画出了一幅幅以人为本的人文主义写实作品。人类不再是“神”的工具，人类也有人类的底蕴，不是任由教会摆布的棋子。欧洲的人们，第一次意识到了自己拥有打破神权桎梏的力量——科学。

  随着科技的进步，人类抓住光的梦想也愈发强烈，直到1826年，法国人乔瑟夫·尼舍弗朗·尼埃普斯第一次用沥青抓住了光的雪泥鸿迹。尼埃普斯用涂有沥青的白镴板置于暗相中，对着窗外的风景经过长达8个小时的曝光，成功拍摄了摄影史上第一张永久保存的照片。他把这种拍摄法称为“日光蚀刻法”。

世界上第一张照片《窗外的风景》（原版） 约1826年

  尼埃普斯的成功让人们意识到，抓住光并非完全不可能，白镴板上浅浅的痕迹，图像模糊不清，若隐若现，但光学成像的前途已经昭然若揭。1835年，法国人达盖尔发现利用镀有碘化银的钢板在暗箱里进行曝光，然后以水银蒸汽进行显影，再以普通食盐定影，可以得到一个金属负像，十分清晰而且可以永久保存，继而发明了“达盖尔银版法“。对比尼埃普斯长达8小时的曝光时间，达盖尔银版法仅需要曝光20到30分钟，大大提高了可用度。很快人们将graphis（绘图）和phos（光线）两个词合二为一，发明出了对于整个人类历史影响深远的词——“photography”（摄影术）。自此，人类开始“操作”光来绘制时光的“瞬间“，摄影的发展开始进入快车道。  

1880年，美国人乔治·伊斯曼创立的一家名叫伊斯曼柯达的公司，并于1884年用纸做基片，

乔治·伊斯曼（左）与托马斯·爱迪生

制作出了可以卷起来的感光材料，这就是我们所熟悉的胶卷，从此摄影这门新生学科真正走进了大众生活之中。无数的摄影师开始使用便携式胶卷相机，记录下了一个又一个人类历史的转折点。从第一次世界大战到大萧条；从希特勒宣誓就职到苏联红军攻克柏林，甚至当1969年，人类撕碎引力的枷锁，冲上月球之时，相机依旧忠实地履行着自己的职责。

奥尔德林在月球行走 瓦尔特·施艾拉 摄

历史不在是毫无生气的文字，而是变成了一个个鲜活的面容——摄影站到了科技与人文的十字路口。

《诺曼底登陆日》罗伯特·卡帕 摄

然而这一切都将在1969年10月的的中午发生颠覆性的改变。这一天是贝尔实验室再平常不过的一天，两位美国科学家维拉·博伊尔和乔治·史密斯在午餐中讨论如何将影像电话和半导体气泡式记忆体的技术结合起来时，获得了启发。他们很快设计出了一种被他们称为电荷气泡元件的储存设备。但是，很快他们便意识到，如果这个设备储存的不是简单的电荷，而是由光电效应所激发的光电子，那是不是就可以用来记录影像信号了呢？他们很快着手改进，于1969年10月17日，设计出了世界上第一块电荷耦合元件（CCD）。CCD使用了一种特殊的MOS结构：在一块P型或者N型单晶硅上扩展一层二氧化硅，然后再在上面扩散一层类似光电二极管的PN结。PN结用于接收光子辐射，并利用势阱捕获电子。当光线射入的时候，基于光电效应，如果光子的能量处于能隙时，光子通不过晶体，被晶体的电子吸收；如果拍摄的场景够明亮，而能量大于CCD单元材料能隙的光子会被半导体吸收激发出光生电子孔穴对，光生多子侧通过半导体衬底流走，而光生少子则会被MOS阵列的一系列势阱俘获并收集起来，这些势阱相互间非常靠近却又互相隔离，在势阱中积累的光生少子数量上与入射光学图像相应位置的光照大小成正比，于是，CCD上便存储了图像的亮度信息，从而可以读取出黑白影像。

CCD电荷信号的存储

    虽然早期的CCD性能表现很糟糕，它只能记录黑白影像，且受限于芯片制程工艺，其分辨率甚至不到1万像素，不仅如此， CCD这种使用间隔栅格化而非胶片模拟连续的感应方式容易产生摩尔纹。但是，人们还是看到了其巨大的商业前景，并迅速尝试让CCD商业化。1973年，第一块商业化的CCD由仙童半导体推出，这块CCD的像素只有可怜的100×100，但是从这些现在看来模糊不清的图像中，我们却看到了清晰无比的未来。随后这枚

1972年 CCD所记录的“S”

CCD便被用在了一支8英寸直径的天文望远镜上，并引发了巨大的关注。CCD的发展走上了快车道：1974年，吉尔阿米李奥博士设计出CCD的生产线，批量生产变为可能；1975年第一台CCD平板扫描仪由科斯维尔公司生产发布，同年，柯达发布了第一台CCD相机；1978年柯达实验室的拜耳博士贡献了一个至关重要的研究成果——拜尔阵列。拜耳使用红、绿、蓝三种颜色的滤镜，在每一个CCD单元上加上了一种色彩滤镜，并且相邻的像素滤镜颜色不同，这样CCD就能感知对应颜色的亮度，之后通过色彩空间插值法我们可以依据某点相邻像素所提供的原色信息来计算出该点的颜色。从此CCD也能输出彩色的影像。随

后在当时摄影机领域实力强劲的Sony看中了CCD在摄影机领域的发展前景，大力开发CCD，在投入了超过200亿日元之后，终于于1978年，生产出12万象素并使用3枚SCX-24C单晶片的CCD，ICX008。在随后的十几年中，受制于人类芯片制程工艺和无尘车间技术，在世界范围内CCD的大规模量产一直是个巨大的问题，直到1990年，随着制造工艺的和无尘车间的技术相继解决，属于CCD的时代来临了，柯达改造了一台Nikon F3S制造出了世界上第一台CCD单反相机，随后，1993年Nikon和Canon分别推出了自己的CCD单反的原型机，CCD相机开始了井喷式的发展，到2000年，CCD相机的成像质量在小尺寸照片中，已经和胶片非常接近。正当CCD如日中天之时，Canon于2000年10月，发布了D30，在新世纪伊始，开启了下一世代的影像革命——这是第一台用CMOS成像的单反相机。

互补金属氧化物半导体，简称CMOS，它的出身可谓和影像可谓八竿子打不着。它最初是作为计算机中一块可读可写的ram出现的，因为可读写的特性，所以在电脑主板上用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据。早期的CMOS作为图像传感器，其自身存在着天然的劣势：其成像原理和CCD一样，但是后端输出时，每个像素都有单独的放大器，每个像素的信号独立输出，而CCD则是有一个或是几个节点统一输出。这就导致了CMOS 信号的一致性远逊于CCD，其线路中的固定噪声远大于CCD，直接影响了成像的水平。但是，成也萧何，败也萧何，由于CCD的统一读取，它对放大器的带宽要求很高，高带宽所带来的高功耗，这是CCD一个严重的短板。如果说，高功耗能用更大的电池作为补偿，那CCD对比CMOS高昂的制造成本则是CCD的死穴。CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，而且CCD所输出的是模拟信号，这就意味着后续需要地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，其集成度非常低，这和芯片的发展趋势可谓背道而驰。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。而且从输入到输出再到读取，CMOS之上都可以集成。只需一块CMOS相机功能就可全部实现，大大的降低了相机的重量和尺寸。正是借着CMOS的价格优势和制造相对容易，使得Canon在数码相机领域异军突起，一时间一骑绝尘，很快在市场份额上击败了在胶片时代压自己一头的Nikon。“佳能，感动常在”的口号从此成了一代中国人的回忆。凭借CMOS的成功和其带来的巨大的利润，Canon不断克服CMOS上的各种天然劣势，完全改变了大家印象中CMOS低画质高噪音的印象。

看到了佳能在CMOS领域的成功，CCD时代的王者，Sony也加大了CMOS的研发。在2008年推出了自己的“背照式“CMOS结构：其基本组成与传统CMOS一样，只是排布顺序不一样。由上到下依次是：片上透镜、滤光片、光电二极管以及基板、金属排线。而传统的前照式结构则是：上透镜、滤光片、金属排线、光电二极管以及基板。对比于传统前照

背照式（右）与前照式CMOS

式结构，背照式将接收光的二极管放在了电路板之前，极大的提升了光线的利用率，在摄影领域，光就是一切。提高了进光量，画质也随之明显改进。由于背照式有着近70%的进光量提升，使得小尺寸高画质的CMOS成为可能，读到这里你有没有想到什么？没错，这为日后Sony基本垄断手机CMOS市场打下了基础。

在背照式CMOS的基础上，2012年Sony发布世界上第一款堆栈式CMOS——“Exmor RS CMOS”。随之而来的是三款cmos产品：IMX135（1/3.06英寸，1313万像素）、IMX134（1/4英寸，808万像素）、ISX014（1/4英寸，808万像素）。很明显对于2012年手机摄影的起步之年，Sony精准地瞄准了这块几乎是空白的市场。

所谓“堆栈式”简单来讲就是将CMOS的电路层和像素区域分开，让它们各司其事。堆栈式CMOS的推出极大的解放了电路层，使得可以针对性地对电路层优化，堆栈式CMOS提升了电路处理能力，才让各种强大而快速地图像处理成为可能，为之后的手机计算影像的发展奠定了基础。随着手机摄影的崛起，早早在这片市场布局的Sony也收获了巨大的利润和宝贵的CMOS设计经验，在CMOS生产领域击败了Canon，直到今天，Sony都是CMOS领域的王者。而随着一代又一代工程师的努力，CMOS也在成像质量上不输CCD，凭借其相对容易的生产难度和低廉的成本，成为了摄影领域绝对的主力，而CCD则靠着它低信噪比的优势活跃于天文摄影领域。

留住历史，定格瞬间，是人类千百年来的梦想，从2400年前的墨子，再到摄影术发展的200多年，改变的是承载回忆的载体，而不变的则是记录这大千世界的初心。就像Nikon的slogan“影像，从心”，光，是一切的基础，是我们的起源，自然，我们发自内心地追逐光线，渴望光线，就是这份渴望，推动着我们从墨子走到尼埃普斯，从胶片走到CMOS，最后透过我们的视网膜，在上面留下属于我们自己的决定性瞬间。

渴望和好奇，推动着科技进步，从人类第一项真正意义上的技术——火，到如今的裂变与聚变能源、超弦理论的提出。人类已经在这颗蓝色的星球上取得了伟大的科学成就，我们需要一个记录者，站在科技和人文的交汇点，记录我们每一次的伟大进步，每一次按下快门，CMOS记录下的可能是液氢与液氧混合，喷涌而出的巨大能量推动着火箭升空的瞬间，可能是翻山越岭之后的落日绛霄，也可能是璀璨星空来自千万年前的古老光线，当然也可能是你心中那个独一无二的ta。在可以遇见的未来，CCD和CMOS将会继续扮演记录者的角色，见证我们的发展，镌刻我们的兴衰。当快门帘拉开，光线涌入, 霆霓之间，岁月便有了文明。