第一臺數(shù)碼相機誕生于1975年，當時的照片是一張100×100分辨率的黑白照片。從1975年到2020年，數(shù)碼相機經(jīng)歷了45年的發(fā)展歷程，相機的像素數(shù)量在期間經(jīng)歷了數(shù)次爆發(fā)。數(shù)碼相機的傳感器，是數(shù)碼相機的心臟，傳感器的技術(shù)工藝平?jīng)Q定了相機的成像水平，自然也是像素進步的先決條件。從1975年數(shù)碼相機誕生至今，傳感器發(fā)展同樣經(jīng)歷了漫長過程，而圖像傳感器的光學倍增管的發(fā)明作為誕生元年。本文以圖像傳感器的發(fā)展作為主線，再講解CMOS的應用。

1 圖像傳感器的歷史沿革

                           

1873年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(Willoughby Smith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，由此，電子影像發(fā)展開始，隨著技術(shù)演進，圖像傳感器性能逐步提升，發(fā)展異常迅猛。

20世紀50年代——光學倍增管(Photo MultiplierTube，簡稱PMT)出現(xiàn)。光電倍增管（簡稱PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應引起，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產(chǎn)生電子，然后由高壓場加速，并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發(fā)射。

1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)光電以及雙極二極管陣列。

1969年，對于影像行業(yè)是個大日子，貝爾實驗室的George Smith和Willard Boyle將可視電話和半導體泡存儲技術(shù)結(jié)合，設計了可以沿半導體表面?zhèn)鲗щ姾傻摹半姾?#39;泡’器件”（Charge “Bubble” Devices），這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用「注入」電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。這也就成為為了CCD器件的原型。

1970年，貝爾實驗室的研究員已能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續(xù)此一發(fā)明，著手進行進一步的研究，包括快捷半導體（FairchildSemiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產(chǎn)品率先上市，於1974年發(fā)表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。

CCD全稱為Charge Coupled Device，中文翻譯為'電荷藕合器件'。它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷。因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點。CCD是電子設備， CCD在硅芯片（IC）中進行光信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)字化，并存儲為計算機上的圖像文件。CCD圖像傳感器依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，一時成為圖像傳感器市場的主導。2006年1月，Willard Boyle和George E. Smith獲頒電機電子工程師學會（IEEE）頒發(fā)的Charles StarkDraper獎章，以表彰他們對CCD發(fā)展的貢獻。2009年， Willard Boyle和George E. Smith因CCD的發(fā)明獲得諾貝爾物理學獎。

1976年，拜耳濾鏡正式問世，從此，以紅、綠、藍三種顏色通道為基礎的圖像傳感器，奠定了數(shù)碼相機的發(fā)展基礎。在三十年間，CCD傳感器，從最初的實驗產(chǎn)品，發(fā)展到可用于市場化的21.6×16.56mm的610萬像素APS-C畫幅。

1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角）。美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質(zhì)量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。

90年代末，步入CMOS時代，在介紹必須清楚CMOS圖像傳感器的分類，CMOS傳感器可根據(jù)器是否具備信號放大功能，若像素不具備信號放大功能，歸結(jié)為PPS(Passive PixelSensor，無源像素傳感器)，若像素具備信號放大功能，則稱為APS(Active PixelSensor，有源像素傳感器)，如今，APS已經(jīng)后才能為CMOS的主流。下面介紹下CMOS圖像傳感器的誕生，一般認為最早使用CMOS LSI工藝的圖像傳感器是發(fā)表在1990年的ASIC Image Sensor。然而，該圖像傳感器不是現(xiàn)今主流的APS，而是PPS。就連1993年發(fā)表的CMOS Image Sensor，也同樣屬于PPS。像素為APS的CMOS Active pixelimage sensor的論文，直到1994年才出現(xiàn)，本質(zhì)上符合現(xiàn)代CMOS制造工藝。時至今日，像素為APS的CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為圖像傳感器主流。

CMOS全稱為Complementary Metal-OxideSemiconductor，中文翻譯為互補性氧化金屬半導體。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和P（帶 電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

1995年2月，Photobit公司成立，該公司的P.J.Nobie提出了改進固態(tài)圖像傳感器，他還簡要描述了在同一個芯片上集成模式識別的邏輯電路的可能性，這也是智能CMOS傳感器的概念被首次提出，從而將CMOS圖像傳感器技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化。CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯。

1995-2001年間，Photobit增長到約135人，主要包括：私營企業(yè)自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA/DoD）、戰(zhàn)略業(yè)務合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項新專利申請。

2001年11月，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數(shù)十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，ST Micro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業(yè)務部分歸功于早期的努力促進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。后來，索尼和三星分別成為了現(xiàn)在全球市場排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，并廣泛應用于多種場合。

2007年，Siimpel AF相機模型的出現(xiàn)標志著相機小型化重大突破。芯片相機的崛起為多個領域（車載，軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動攝影、安防）等領域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機遇。

CMOS圖像傳感器經(jīng)商業(yè)化后，發(fā)展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

2 CMOS圖像傳感器的應用

CMOS圖像傳感器簡稱CIS(CMOS ImageSensor)，CIS具有體積小、功耗低等優(yōu)勢，在圖像傳感器領域占有率達到90%。隨著背照式和堆棧式技術(shù)等新型CMOS圖像傳感器技術(shù)的進步，以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機的新賣點。再加上汽車、無人機、VR以及AR技術(shù)等新興市場的推動，CMOS圖像傳感器正迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)成長高峰。

目前，CIS市場正處于穩(wěn)定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規(guī)模達到240億美元。

1.手機領域

眾所周知，移動端一直是CMOS圖像傳感器重要的市場。據(jù)預測，未來智能手機中將廣泛采用雙攝像頭和多攝像頭，隨著這兩種應用的普及，CMOS無疑將迎來新一輪的爆發(fā)。同時這將驅(qū)動著CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機交互，這是一個從成像到傳感和用戶界面的大轉(zhuǎn)變。

2000年，夏普首次推出可拍照的手機；隨后智能手機時代到來，主攝像頭素質(zhì)不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流。前置攝像頭素質(zhì)同步提升，目前越來越多廠商加入人臉識別功能。

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的手機開始注重拍照的硬件升級。攝像頭和CMOS成為了產(chǎn)品突出差異性的賣點之一。拋開鏡頭差異，成像質(zhì)量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動CMOS迭代升級。

根據(jù)Yole的統(tǒng)計顯示，平均每部智能手機CMOS圖像傳感器數(shù)量在2024年將達到3.4個，年復合增長率達到6.2%。

手機攝像頭數(shù)量增加，CIS出貨量成倍增長。為了提高照相畫質(zhì)，手機引入了雙攝、甚至三攝、四攝。

2.車載領域

車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(tǒng)(SVS)，攝像機監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)，F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。汽車電子是CIS增長最快的細分市場，2015年全球銷售額為4.8億美元，占CMOS市場的4.8%，預計2020年底銷售額可達18億美元，市場占比將達到11%。

3.安防領域

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷程：錄像帶錄像機（VCR）→數(shù)字視頻錄像機（DVR）→網(wǎng)絡視頻錄像機（NVR）。視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越復雜，性能也不斷升級。

4.醫(yī)療影像

傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器技術(shù)已不能滿足醫(yī)療圖像抓取應用的需要。CIS憑借其六大優(yōu)勢席卷醫(yī)療電子應用，主要優(yōu)勢包括：系統(tǒng)集成度更高、動力要求較低、圖像抓取功能更為靈活、界面智能化程度更高、動態(tài)范圍更大、感光度更高。一些常用的醫(yī)療器械如醫(yī)療內(nèi)窺鏡均因為CIS使得性能有大幅度提升。

圖像傳感器技術(shù)正逐漸在行業(yè)中創(chuàng)造顛覆性力量，從2014年開始，市場發(fā)展迅速，行業(yè)競爭加劇：韓國和中國出現(xiàn)更多新參與者，成為現(xiàn)有大型企業(yè)的潛在障礙，行業(yè)完全整合的可能性降低。

CIS在醫(yī)療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內(nèi)窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像。

[ps]George Smith和WillardBoyle簡介

Willard Boyle , 1924年出生于加拿大阿默斯特，3歲時隨家人搬遷到魁北克城以北350公里的一個小村莊，這里交通不便，出行基本依靠狗拉的雪橇，因此上高中前Boyle都是在母親的指導下自學。Boyle高中時代在蒙特利爾的一家私立學校度過，高中畢業(yè)后即加入加拿大海軍，成為航空母艦戰(zhàn)斗機飛行員以參加第二次世界大戰(zhàn)，但不久二戰(zhàn)就結(jié)束了，Boyle從沒參與過真正的戰(zhàn)斗。

1950年，Boyle又回到學校攻讀博士學位，3年后他加入了美國貝爾實驗室。今天，提起B(yǎng)oyle，人們知道他是CCD圖像傳感器兩名發(fā)明者之一，但實際上他作出的貢獻很多，包括1962年與他人合作發(fā)明第一臺紅寶石連續(xù)激光器等。Boyle還與另一名科學家獲得了有關(guān)半導體注入式激光器設想的第一個專利。今天，光碟（CD）錄制和播放大多需要依靠半導體激光器技術(shù)。

George Smith, 1930年出生于美國紐約，在賓夕法尼亞大學獲學士學位，在芝加哥大學獲碩士和博士學位，1959年博士畢業(yè)后，Smith加入了美國貝爾實驗室。一開始，他的研究方向是半導體的電學性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)。1964年，史密斯成為貝爾實驗室設備概念部門的負責人，成立這個部門的目的是研究下一代固態(tài)器件。1969年，Smith和Boyle共同發(fā)明了CCD圖像傳感器。

Smith先后撰寫了40多篇科學論文，在美國擁有31個專利。由于Smith作出的杰出貢獻，2002年，美國電氣與電子工程師學會還專門設立了一個以他命名的獎項。

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