從小孔成像談起

還記得初中的時(shí)候了解到了小孔成像，人知道的越少敬畏的也就越少，那時(shí)候想著自己掌握了相機(jī)的核心技術(shù)，一度計(jì)劃著要在相機(jī)領(lǐng)域作為一番。還會(huì)時(shí)不時(shí)的科普一波樹林里為什么會(huì)形成光斑。

第一臺(tái)相機(jī)與進(jìn)擊的雙凸透鏡

不過這個(gè)小孔成像其實(shí)也算是相機(jī)的“雛形原理”吧，因?yàn)楝F(xiàn)在普遍認(rèn)為1550年意大利的卡爾達(dá)諾研究的相機(jī)是世界上的第一臺(tái)“雛形相機(jī)”，他其實(shí)是將雙凸透鏡置于原來的針孔位置上。

早期的“巨形箱”相機(jī)

由于雙凸透鏡的聚光效果，增大了進(jìn)光量，暗箱的映像效果比小孔成像暗箱成像效果更為明亮清晰。而且雙凸透鏡成的像還是正像（我們知道小孔成像和單凸透鏡都是成的倒立的像）。

雙凸透鏡成像光線圖

目前仍在使用的雙凸透鏡

感光材料的誕生

在雙凸透鏡相機(jī)之后，相機(jī)又繼續(xù)被意大利人（巴爾巴羅）加上了“光圈”，其本質(zhì)都是為了控制進(jìn)光量，不過由于一直沒有感光材料。所以初代相機(jī)只能用來繪畫。

單反相機(jī)用來做寫生的工具

感光材料是指一種具有光敏特性的半導(dǎo)體材料，因此又稱之為光導(dǎo)材料或是光敏半導(dǎo)體。膠卷是是將鹵化銀涂抹在聚乙酸酯片基上，當(dāng)有光線照射到鹵化銀上時(shí)，鹵化銀轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏你y，經(jīng)顯影工藝后固定于片基，成為我們常見到黑白負(fù)片。彩色負(fù)片則涂抹了三層鹵化銀以表現(xiàn)三原色。

攝影的物理本質(zhì)被顛覆

這也正是我發(fā)現(xiàn)初中物理不能幫我走向人生巔峰的伊始。因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)事物的發(fā)展普遍規(guī)律都是由簡單到復(fù)雜，由單一到集成，而初中物理處理問題有點(diǎn)過于直接。

在1975年，美國電機(jī)工程師斯蒂芬 沙森 發(fā)明了 第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)。

第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，該相機(jī)重量3.6公斤，拍攝影像只有1萬像素，所拍攝影像被記錄在卡式錄音帶內(nèi)，記錄每幅影像過程花費(fèi)23秒，拍攝的影像為黑白影像。

一盤TDK公司出品的D-C60型卡式錄音帶

雖然與現(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)相比，各類指標(biāo)性能都顯得有些粗糙，但是這卻是相機(jī)史上的一次顛覆，以至于2010年11月17日，美國總統(tǒng)奧巴馬還在白宮授予沙森美國國家科技創(chuàng)新獎(jiǎng)?wù)隆?/span>

CCD與CMOS

CCD和CMOS是目前兩種主流的感光器件。都是由可以記錄光線變化的半導(dǎo)體材料制成。

CCD（Charge-coupled Device）的全稱叫電荷耦合器件，是一種集成電路，上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。

一種用于紫外線映像處理的CCD

圖像通過透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導(dǎo)致每一個(gè)電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強(qiáng)。用于線掃描相機(jī)的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容；而用于攝像機(jī)和一般相機(jī)的二維電容陣列，則可以掃描投射在焦平面上的圖像。一旦電容陣列曝光，一個(gè)控制回路將會(huì)使每個(gè)電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個(gè)電容（傳感區(qū)域）。
而陣列中最后一個(gè)電容里的電荷，則將傳給一個(gè)電荷放大器，并被轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過重復(fù)這個(gè)過程，控制回路可以把整個(gè)陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓信號(hào)。在數(shù)字電路中，會(huì)將這些信號(hào)采樣、數(shù)字化，通常會(huì)存儲(chǔ)起來；而在模擬電路中，會(huì)將它們處理成一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)（例如把電荷放大器的輸出信號(hào)輸給一個(gè)低通濾波器）。

在柵電極（G）中，施加正電壓會(huì)產(chǎn)生勢阱（黃），并把電荷包（電子，藍(lán)）收集于其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導(dǎo)電荷包。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）又叫互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體。

它也是一種集成電路的設(shè)計(jì)工藝，可以在硅質(zhì)晶圓模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS與PMOS在物理特性上為互補(bǔ)性，因此被稱為CMOS。

單一CMOS晶體管的剖面結(jié)構(gòu)

CMOS是所有硅芯片制作的主流技術(shù)，CMOS感光組件不但造價(jià)低廉，也能將信號(hào)處理電路集成在同一部設(shè)備上。CCD則有助于濾除背景噪聲，因?yàn)镃MOS比CCD更容易受噪聲干擾（這部分的困擾現(xiàn)已漸漸解決，主要原因歸功于使用個(gè)別像素的低級(jí)放大器取代用于整片CCD陣列的單一高端放大器）。

CMOS感光組件跟CCD相比，耗電量較低，數(shù)據(jù)傳輸亦較快。于高清晰度數(shù)字?jǐn)z影機(jī)與數(shù)字相機(jī)，尤其是片幅規(guī)格較大的數(shù)字單反相機(jī)更常見到CMOS的應(yīng)用，另外消費(fèi)型數(shù)字相機(jī)以及附有照相功能的手機(jī)亦開始使用背面照射式CMOS，使成像質(zhì)量得以提升。

CMOS于成像的技術(shù)日趨成熟下大幅普及，使CCD的占有率從2010年代起不斷下降，全球最大的CCD生產(chǎn)商索尼更宣布于2017年停止生產(chǎn)CCD，但是高級(jí)照片掃描儀等要求高的器材仍然為CCD所壟斷。

CCD的時(shí)代也許會(huì)像一切風(fēng)靡一時(shí)的“老技術(shù)”一樣走向終結(jié)，伴隨而來的卻是人類的進(jìn)步，作為科研人員也要一直保持“在路上”的狀態(tài)，不斷追尋新技術(shù)不沉沒于老技術(shù)，必會(huì)大有所為！