4026
作者：Silvia
手機(jī)消費(fèi)紅利消退，手機(jī)廠商沖高端卯足了勁，從鏡頭到芯片、屏幕、電池都提升了個(gè)遍，各方面性能差不多走到頭了，手機(jī)廠終于還是卷回了鏡頭，手機(jī)攝像頭越來越凸，而這距離最近一代劃時(shí)代產(chǎn)品iPhone 4的發(fā)布已過去13年。
從兩位像素卷到千萬像素，單鏡頭的像素到底了，于是單個(gè)手機(jī)的鏡頭越來越多，從雙攝到多攝（三攝、四攝），誕生了越來越多令人眼花繚亂的名詞：?jiǎn)畏醇?jí)像素，廣角、超廣角鏡頭，可變光圈，3倍光學(xué)變焦，潛望式長(zhǎng)焦，一英寸大底等等。
廠商們還紛紛走向與哈蘇、徠卡、蔡司、索尼等影像品牌的聯(lián)名合作。
多數(shù)消費(fèi)者愿意為相機(jī)功能買單，于是，把手機(jī)做成相機(jī)，在手機(jī)創(chuàng)新日益同質(zhì)化的今天，變成廠商們的無奈之舉。
與之相反的是，最近被淘汰的CCD，一種搭載CCD圖像傳感器的卡片相機(jī)，竟然死灰復(fù)燃，一股喜舊厭新的CCD懷舊風(fēng)潮襲來，“電子垃圾”CCD成為年輕人和時(shí)尚潮人新寵。
手機(jī)CMOS的老祖宗，CCD，改變了我們觀察、記錄世界的方式，發(fā)明者卻在40年后的2009年遲遲獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？梢哉f，沒有CCD的漸進(jìn)式發(fā)展，就不會(huì)有CMOS。后起之秀CMOS，承接了CCD的交接棒，奔向了更遠(yuǎn)的未來。
閱讀本文，你將了解：
1、CMOS的前世今生
2、不起眼的傳感器，如何爆發(fā)出千億市場(chǎng)
01、數(shù)碼相機(jī)的“底”從CCD到CMOS
圖像傳感器CCD和CMOS，你能分清它們嗎？
這是早期CCD圖像傳感器記錄下的投影：“S”。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了電荷耦合元件（Charge-coupled Device，簡(jiǎn)稱 CCD），能將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，自此奠定了數(shù)碼相機(jī)的根基。
早期的CCD性能不高，只能捕捉亮度信息，因此只能記錄黑白影像。
“八叛逆”們離開貝爾實(shí)驗(yàn)室來到美國(guó)硅谷，在英特爾全球第一顆八位處理器8008發(fā)布不久，1973年，全球第一個(gè)商用電荷耦合器件，即CCD，由仙童半導(dǎo)體（Fairchild）推出。
1975年，“膠卷大王”柯達(dá)用上Fairchild 201100型CCD發(fā)明了第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，這臺(tái)相機(jī)130萬像素、不用膠卷，CCD捕捉圖像，但無法存儲(chǔ)圖像，于是用隨機(jī)存取器（RAM）捕獲圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送至盒式磁帶中。
柯達(dá)，成為了CCD最早的玩家，只可惜，用膠卷大賺特賺的柯達(dá)，在發(fā)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)不用膠卷后，立即決定停止研發(fā)，拒絕創(chuàng)新，一手好牌被打沒了。
索尼搭上了數(shù)碼相機(jī)快車，1973年CCD立項(xiàng)，1978年制造出支持11萬像素的芯片。1981年推出的馬維卡（MAVICA）相機(jī)，成為全球第一臺(tái)向市場(chǎng)發(fā)布的數(shù)碼相機(jī)，1985年，第一臺(tái)CCD便攜式攝像機(jī)M8由索尼發(fā)布。
這股技術(shù)革新風(fēng)潮迅速席卷日本，日企紛紛搶灘登陸全球數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)。到21世紀(jì)，索尼、富士、柯達(dá)、飛利浦、松下和夏普6家廠商可以批量生產(chǎn)CCD相關(guān)產(chǎn)品。
上世紀(jì)90年代后期，CCD除了用于消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)，也廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子照相、空間探測(cè)、X射線成像及其他科研領(lǐng)域。
CCD技術(shù)發(fā)展成熟了，缺點(diǎn)也逐漸暴露出來：工藝復(fù)雜，無法與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，制造成本高，體積較大，功耗較高。CMOS圖像傳感器（簡(jiǎn)稱CIS）應(yīng)運(yùn)而生，成為繼CCD之后最大的贏家。
CCD和CMOS這兩種圖像傳感器，本質(zhì)上對(duì)應(yīng)TTL和CMOS這兩種不同的工藝。
CCD（電荷耦合元件）為MOS結(jié)構(gòu)（金屬氧化物半導(dǎo)體），上有許多排列整齊的電容（MOS 電容器），將光子轉(zhuǎn)換為電子來捕獲圖像。而CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）為MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)。
CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)，而CMOS傳感器為主動(dòng)式采集，感光二極管所產(chǎn)生的電荷，直接由晶體管放大輸出。
這兩種不同的采集方式，讓二者在功耗上差異最為明顯。除此之外，在畫質(zhì)、處理速度等方面也有不同，具體如下圖：
實(shí)際上，CMOS技術(shù)為低功耗集成電路打下了最為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也是目前世界上最主流的芯片技術(shù)路線。隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)從傳統(tǒng)板級(jí)式向小型智能系統(tǒng)的發(fā)展，CMOS工藝可以做到跟隨著摩爾定律發(fā)展，芯片集成度越來越高，功耗也越來越低。
早年還沒有用CMOS工藝制造圖像傳感器，直到80年代末，英國(guó)愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型圖像傳感器件，1997年英國(guó)愛丁堡VLSIVersion公司首次實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化。
2000年，索尼成功開發(fā)出了其第一款CMOS圖像傳感器（IMX001），當(dāng)然，那時(shí)CMOS傳感器畫質(zhì)和噪音的缺點(diǎn)還很顯著，沒法一下子撼動(dòng)CCD的“江湖地位”。
02、不起眼的傳感器，漲出千億市場(chǎng)
不過，隨著CMOS技術(shù)進(jìn)步成熟，成本不斷降低，數(shù)碼相機(jī)售價(jià)真正開始走向平民，而CCD的發(fā)展步入“瓶頸期”。2010年后，CMOS傳感器已成為主流技術(shù)，說不上完全取代CCD，但已經(jīng)在很大程度上取代了CCD，CCD傳感器只保留在了專業(yè)級(jí)的中畫幅高端器材中。
在CMOS成為主流拍照技術(shù)的背后，一種野獸般的力量正在涌動(dòng)。1999-2000年，和數(shù)碼相機(jī)幾乎同一時(shí)期誕生的手機(jī)，兩者狹路相逢。
伴隨著手機(jī)從功能機(jī)到智能手機(jī)的演進(jìn)，手機(jī)搭載拍照功能，不斷升級(jí)攝像頭像素，提升拍照體驗(yàn)，數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)遭到蠶食。
2008年，諾基亞推出了經(jīng)典之作 N96，配備一枚500萬像素的攝像頭，正是在這一年，諾基亞在全球賣出了 4.6 億部手機(jī)，這個(gè)成績(jī)別說相機(jī)廠商，許多后來的手機(jī)廠商也難以望其項(xiàng)背，一度讓諾基亞成為世界上最大的“相機(jī)制造商”。
2010?年，這年對(duì)手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)來說，是一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這一年，iPhone 4 發(fā)布了，后置 500?萬像素的攝像頭，通過軟件操作界面和優(yōu)化算法，讓手機(jī)拍照的用戶體驗(yàn)和成像質(zhì)量上了一個(gè)臺(tái)階。安卓手機(jī)廠商開始跳出像素之爭(zhēng)，在鏡頭、處理器、優(yōu)化算法等方面發(fā)力。
要知道，2003 年-2010?年的數(shù)碼相機(jī)幾乎每年都在正向增長(zhǎng)，怎想2010年出貨量達(dá)到1.21億臺(tái)的頂峰之后，出貨量持續(xù)走低，馬上被智能手機(jī)趕超，并被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面。
智能手機(jī)這條陡然上升的需求線條，成為傳感器廠商眼中的香餑餑。
CMOS圖像傳感器，讓“芯片相機(jī)”越來越成為可能。CMOS傳感器的“低生產(chǎn)成本”、“低技術(shù)門檻”以及“低功耗”這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)逐漸變得無可替代。
單片集成這個(gè)顛覆性的功能，得以讓芯片大規(guī)模批量生產(chǎn)，極大降低了生產(chǎn)成本，而手機(jī)、電腦等數(shù)碼鏡頭做得更小、功耗更低、成像更快、價(jià)格更便宜，如今小小一枚手機(jī)圖像傳感器也能做到上億像素了，消費(fèi)電子產(chǎn)品得以迅速普及。
2011年，一份來自大量專業(yè)攝影師和攝影發(fā)燒友的數(shù)據(jù)引起了不少人的關(guān)注，數(shù)據(jù)顯示，發(fā)布僅一年、像素僅有500萬的iPhone 4，超越發(fā)布3年、像素有1200萬的尼康D90，成為 Flickr 上最受歡迎的拍照設(shè)備。
iPhone 4 的超越意味著手機(jī)攝影逐漸被專業(yè)攝影師群體所接受。此時(shí)，數(shù)碼相機(jī)的銷售額已經(jīng)在過去的5年中降低了29%，而傳統(tǒng)攝像機(jī)的銷售額也降低了21%。
手機(jī)鏡頭傳感器從幾十萬像素的CCD進(jìn)化至現(xiàn)在的2億像素CMOS，成像效果獲得了質(zhì)的飛躍，相應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模也急速成長(zhǎng)。盡管到2020年左右，手機(jī)消費(fèi)需求增長(zhǎng)乏力，但手機(jī)攝像頭領(lǐng)域的體量依然很龐大，并且還有增長(zhǎng)的勢(shì)頭。
中低端手機(jī)攝像頭數(shù)量迅速增加，新機(jī)不斷更新到四個(gè)攝像頭，數(shù)量達(dá)到一定程度后開始比拼性能，低端機(jī)型也不斷進(jìn)入高像素領(lǐng)域，曾經(jīng)的高端配置已經(jīng)不是高端機(jī)型的專屬了，而是下放到了中低端機(jī)。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)Counterpoint Research，2022年下半年，每部智能手機(jī)的平均攝像頭數(shù)量為3.9個(gè)，2023年上半年有所下降，為3.8個(gè)。放在所有手機(jī)上，依然是個(gè)不小的數(shù)字。
集邦咨詢表示，預(yù)計(jì)智能手機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過一年的去庫存后將在2024年迎來復(fù)蘇，預(yù)計(jì)明年智能手機(jī)攝像頭模組市場(chǎng)也有望恢復(fù)成長(zhǎng)，出貨量將同比增長(zhǎng)3%至約41.71億顆。
回過頭看CCD與CMOS市場(chǎng)，兩者的池子差距越來越大。
數(shù)據(jù)顯示，2022 年全球 CCD 圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模為17.4 億美元，預(yù)計(jì)到 2031 年將達(dá)到26.8 億美元，在 2023-2031 年的預(yù)測(cè)期內(nèi)以 4.9%?的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。2020?年全球 CMOS 圖像傳感器市場(chǎng)價(jià)值207.25億美元，預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到396.24億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)以 8.6%?的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。另據(jù)mordor intelligence，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模2023年為213.3億美元，預(yù)計(jì)到2028年達(dá)到300.8億美元。
CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)份額，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CCD并獲得了前所未有的高速增長(zhǎng)。
來源：growth market reports
來源：growth market reports
除了市場(chǎng)份額最大的消費(fèi)電子領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍還包括汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、軍事設(shè)備。目前，CIS市場(chǎng)由索尼半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、三星電子、豪威公司、安森美等企業(yè)占領(lǐng)，其中TOP3廠商索尼、三星、OV（豪威）銷量合計(jì)占比超7成。
CCD，除了占比最大的消費(fèi)類電子應(yīng)用，在安防和監(jiān)控、醫(yī)療、汽車與運(yùn)輸?shù)纫灿袘?yīng)用。工業(yè)視覺對(duì)圖像清晰度和抗噪聲的要求越來越高，對(duì)CCD的需求仍在增長(zhǎng)。自動(dòng)駕駛以及CMOS的發(fā)展，又在制約著CCD市場(chǎng)的增長(zhǎng)。
目前CCD和CMOS的主要應(yīng)用場(chǎng)景仍在消費(fèi)類電子，而手機(jī)的興起與普及，把CMOS的市場(chǎng)價(jià)值發(fā)揮到淋漓盡致，CCD則退居幕后，在高端成像方面繼續(xù)發(fā)揮作用。
03、結(jié)語
CCD作為圖像傳感器中較小一部分市場(chǎng)，無論是復(fù)古回潮的卡片機(jī)，還是“身價(jià)”不菲的高端相機(jī)，已經(jīng)很難再有新的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品出現(xiàn)。CMOS翻身成為主流，手機(jī)在寸土寸金的空間中卷攝影，不僅把攝影價(jià)格打了下來，降低了拍照的門檻，也在推動(dòng)CMOS技術(shù)的進(jìn)步，無論是數(shù)碼相機(jī)本身，還是汽車、機(jī)器人、無人機(jī)、AR/VR都在從中受益，CMOS的好日子，未來還長(zhǎng)著呢。
參考資料：
[1]照相機(jī)的200年消亡史，硅星人[2]CMOS圖像傳感器35年史和中國(guó)人的關(guān)鍵貢獻(xiàn)，科技老兵戴輝[3]從諾貝爾獎(jiǎng)看ccd的前世今生，熊巍[4]22年鏡頭“卷”史，智能手機(jī)之戰(zhàn)卷進(jìn)死胡同，雪豹財(cái)經(jīng)社
下載ECAD模型
