從小孔成像談起

還記得初中的時候了解到了小孔成像，人知道的越少敬畏的也就越少，那時候想著自己掌握了相機的核心技術，一度計劃著要在相機領域作為一番。還會時不時的科普一波樹林里為什么會形成光斑。

第一臺相機與進擊的雙凸透鏡

不過這個小孔成像其實也算是相機的“雛形原理”吧，因為現在普遍認為1550年意大利的卡爾達諾研究的相機是世界上的第一臺“雛形相機”，他其實是將雙凸透鏡置于原來的針孔位置上。

早期的“巨形箱”相機

由于雙凸透鏡的聚光效果，增大了進光量，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

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

單反相機用來做寫生的工具

感光材料是指一種具有光敏特性的半導體材料，因此又稱之為光導材料或是光敏半導體。膠卷是是將鹵化銀涂抹在聚乙酸酯片基上，當有光線照射到鹵化銀上時，鹵化銀轉變為黑色的銀，經顯影工藝后固定于片基，成為我們常見到黑白負片。彩色負片則涂抹了三層鹵化銀以表現三原色。

攝影的物理本質被顛覆

這也正是我發現初中物理不能幫我走向人生巔峰的伊始。因為我發現事物的發展普遍規律都是由簡單到復雜，由單一到集成，而初中物理處理問題有點過于直接。

在1975年，美國電機工程師斯蒂芬 沙森 發明了 第一臺數碼相機。

第一臺數碼相機，該相機重量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，記錄每幅影像過程花費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

雖然與現在的數碼相機相比，各類指標性能都顯得有些粗糙，但是這卻是相機史上的一次顛覆，以至于2010年11月17日，美國總統奧巴馬還在白宮授予沙森美國國家科技創新獎章。

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，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。

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（光敏區域），導致每一個電容都積累一定的電荷，而電荷的數量則正比于該處的入射光強。用于線掃描相機的一維電容陣列，每次可以掃描一單層的電容；而用于攝像機和一般相機的二維電容陣列，則可以掃描投射在焦平面上的圖像。一旦電容陣列曝光，一個控制回路將會使每個電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個電容（傳感區域）。
而陣列中最后一個電容里的電荷，則將傳給一個電荷放大器，并被轉化為電壓信號。通過重復這個過程，控制回路可以把整個陣列中的電荷轉化為一系列的電壓信號。在數字電路中，會將這些信號采樣、數字化，通常會存儲起來；而在模擬電路中，會將它們處理成一個連續的模擬信號（例如把電荷放大器的輸出信號輸給一個低通濾波器）。

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

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）又叫互補式金屬氧化物半導體。

它也是一種集成電路的設計工藝，可以在硅質晶圓模板上制出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性，因此被稱為CMOS。

單一CMOS晶體管的剖面結構

CMOS是所有硅芯片制作的主流技術，CMOS感光組件不但造價低廉，也能將信號處理電路集成在同一部設備上。CCD則有助于濾除背景噪聲，因為CMOS比CCD更容易受噪聲干擾（這部分的困擾現已漸漸解決，主要原因歸功于使用個別像素的低級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，數據傳輸亦較快。于高清晰度數字攝影機與數字相機，尤其是片幅規格較大的數字單反相機更常見到CMOS的應用，另外消費型數字相機以及附有照相功能的手機亦開始使用背面照射式CMOS，使成像質量得以提升。

CMOS于成像的技術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生產商索尼更宣布于2017年停止生產CCD，但是高級照片掃描儀等要求高的器材仍然為CCD所壟斷。

CCD的時代也許會像一切風靡一時的“老技術”一樣走向終結，伴隨而來的卻是人類的進步，作為科研人員也要一直保持“在路上”的狀態，不斷追尋新技術不沉沒于老技術，必會大有所為！