4375
作者：Silvia
手机消费红利消退，手机厂商冲高端卯足了劲，从镜头到芯片、屏幕、电池都提升了个遍，各方面性能差不多走到头了，手机厂终于还是卷回了镜头，手机摄像头越来越凸，而这距离最近一代划时代产品iPhone 4的发布已过去13年。
从两位像素卷到千万像素，单镜头的像素到底了，于是单个手机的镜头越来越多，从双摄到多摄（三摄、四摄），诞生了越来越多令人眼花缭乱的名词：单反级像素，广角、超广角镜头，可变光圈，3倍光学变焦，潜望式长焦，一英寸大底等等。
厂商们还纷纷走向与哈苏、徕卡、蔡司、索尼等影像品牌的联名合作。
多数消费者愿意为相机功能买单，于是，把手机做成相机，在手机创新日益同质化的今天，变成厂商们的无奈之举。
与之相反的是，最近被淘汰的CCD，一种搭载CCD图像传感器的卡片相机，竟然死灰复燃，一股喜旧厌新的CCD怀旧风潮袭来，“电子垃圾”CCD成为年轻人和时尚潮人新宠。
手机CMOS的老祖宗，CCD，改变了我们观察、记录世界的方式，发明者却在40年后的2009年迟迟获得诺贝尔物理学奖。可以说，没有CCD的渐进式发展，就不会有CMOS。后起之秀CMOS，承接了CCD的交接棒，奔向了更远的未来。
阅读本文，你将了解：
1、CMOS的前世今生
2、不起眼的传感器，如何爆发出千亿市场
01、数码相机的“底”从CCD到CMOS
图像传感器CCD和CMOS，你能分清它们吗？
这是早期CCD图像传感器记录下的投影：“S”。1969年，贝尔实验室发明了电荷耦合元件（Charge-coupled Device，简称 CCD），能将光学影像转换为电子信号，自此奠定了数码相机的根基。
早期的CCD性能不高，只能捕捉亮度信息，因此只能记录黑白影像。
“八叛逆”们离开贝尔实验室来到美国硅谷，在英特尔全球第一颗八位处理器8008发布不久，1973年，全球第一个商用电荷耦合器件，即CCD，由仙童半导体（Fairchild）推出。
1975年，“胶卷大王”柯达用上Fairchild 201100型CCD发明了第一台数码相机，这台相机130万像素、不用胶卷，CCD捕捉图像，但无法存储图像，于是用随机存取器（RAM）捕获图像数据，然后将数据传送至盒式磁带中。
柯达，成为了CCD最早的玩家，只可惜，用胶卷大赚特赚的柯达，在发现数码相机不用胶卷后，立即决定停止研发，拒绝创新，一手好牌被打没了。
索尼搭上了数码相机快车，1973年CCD立项，1978年制造出支持11万像素的芯片。1981年推出的马维卡（MAVICA）相机，成为全球第一台向市场发布的数码相机，1985年，第一台CCD便携式摄像机M8由索尼发布。
这股技术革新风潮迅速席卷日本，日企纷纷抢滩登陆全球数码相机市场。到21世纪，索尼、富士、柯达、飞利浦、松下和夏普6家厂商可以批量生产CCD相关产品。
上世纪90年代后期，CCD除了用于消费级数码相机，也广泛应用于专业电子照相、空间探测、X射线成像及其他科研领域。
CCD技术发展成熟了，缺点也逐渐暴露出来：工艺复杂，无法与标准工艺兼容，制造成本高，体积较大，功耗较高。CMOS图像传感器（简称CIS）应运而生，成为继CCD之后最大的赢家。
CCD和CMOS这两种图像传感器，本质上对应TTL和CMOS这两种不同的工艺。
CCD（电荷耦合元件）为MOS结构（金属氧化物半导体），上有许多排列整齐的电容（MOS 电容器），将光子转换为电子来捕获图像。而CMOS（互补金属氧化物半导体）为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）结构。
CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，而CMOS传感器为主动式采集，感光二极管所产生的电荷，直接由晶体管放大输出。
这两种不同的采集方式，让二者在功耗上差异最为明显。除此之外，在画质、处理速度等方面也有不同，具体如下图：
实际上，CMOS技术为低功耗集成电路打下了最为坚实的基础，这也是目前世界上最主流的芯片技术路线。随着机器视觉系统从传统板级式向小型智能系统的发展，CMOS工艺可以做到跟随着摩尔定律发展，芯片集成度越来越高，功耗也越来越低。
早年还没有用CMOS工艺制造图像传感器，直到80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1997年英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。
2000年，索尼成功开发出了其第一款CMOS图像传感器（IMX001），当然，那时CMOS传感器画质和噪音的缺点还很显著，没法一下子撼动CCD的“江湖地位”。
02、不起眼的传感器，涨出千亿市场
不过，随着CMOS技术进步成熟，成本不断降低，数码相机售价真正开始走向平民，而CCD的发展步入“瓶颈期”。2010年后，CMOS传感器已成为主流技术，说不上完全取代CCD，但已经在很大程度上取代了CCD，CCD传感器只保留在了专业级的中画幅高端器材中。
在CMOS成为主流拍照技术的背后，一种野兽般的力量正在涌动。1999-2000年，和数码相机几乎同一时期诞生的手机，两者狭路相逢。
伴随着手机从功能机到智能手机的演进，手机搭载拍照功能，不断升级摄像头像素，提升拍照体验，数码相机市场遭到蚕食。
2008年，诺基亚推出了经典之作 N96，配备一枚500万像素的摄像头，正是在这一年，诺基亚在全球卖出了 4.6 亿部手机，这个成绩别说相机厂商，许多后来的手机厂商也难以望其项背，一度让诺基亚成为世界上最大的“相机制造商”。
2010 年，这年对手机和数码相机来说，是一个重要转折点。这一年，iPhone 4 发布了，后置 500 万像素的摄像头，通过软件操作界面和优化算法，让手机拍照的用户体验和成像质量上了一个台阶。安卓手机厂商开始跳出像素之争，在镜头、处理器、优化算法等方面发力。
要知道，2003 年-2010 年的数码相机几乎每年都在正向增长，怎想2010年出货量达到1.21亿台的顶峰之后，出货量持续走低，马上被智能手机赶超，并被远远甩在后面。
智能手机这条陡然上升的需求线条，成为传感器厂商眼中的香饽饽。
CMOS图像传感器，让“芯片相机”越来越成为可能。CMOS传感器的“低生产成本”、“低技术门槛”以及“低功耗”这三个优点逐渐变得无可替代。
单片集成这个颠覆性的功能，得以让芯片大规模批量生产，极大降低了生产成本，而手机、电脑等数码镜头做得更小、功耗更低、成像更快、价格更便宜，如今小小一枚手机图像传感器也能做到上亿像素了，消费电子产品得以迅速普及。
2011年，一份来自大量专业摄影师和摄影发烧友的数据引起了不少人的关注，数据显示，发布仅一年、像素仅有500万的iPhone 4，超越发布3年、像素有1200万的尼康D90，成为 Flickr 上最受欢迎的拍照设备。
iPhone 4 的超越意味着手机摄影逐渐被专业摄影师群体所接受。此时，数码相机的销售额已经在过去的5年中降低了29%，而传统摄像机的销售额也降低了21%。
手机镜头传感器从几十万像素的CCD进化至现在的2亿像素CMOS，成像效果获得了质的飞跃，相应市场规模也急速成长。尽管到2020年左右，手机消费需求增长乏力，但手机摄像头领域的体量依然很庞大，并且还有增长的势头。
中低端手机摄像头数量迅速增加，新机不断更新到四个摄像头，数量达到一定程度后开始比拼性能，低端机型也不断进入高像素领域，曾经的高端配置已经不是高端机型的专属了，而是下放到了中低端机。
根据市场调查机构Counterpoint Research，2022年下半年，每部智能手机的平均摄像头数量为3.9个，2023年上半年有所下降，为3.8个。放在所有手机上，依然是个不小的数字。
集邦咨询表示，预计智能手机市场经过一年的去库存后将在2024年迎来复苏，预计明年智能手机摄像头模组市场也有望恢复成长，出货量将同比增长3%至约41.71亿颗。
回过头看CCD与CMOS市场，两者的池子差距越来越大。
数据显示，2022 年全球 CCD 图像传感器市场规模为17.4 亿美元，预计到 2031 年将达到26.8 亿美元，在 2023-2031 年的预测期内以 4.9% 的复合年增长率增长。2020 年全球 CMOS 图像传感器市场价值207.25亿美元，预计到 2028 年将达到396.24亿美元，在预测期内以 8.6% 的复合年增长率增长。另据mordor intelligence，CMOS图像传感器市场规模2023年为213.3亿美元，预计到2028年达到300.8亿美元。
CMOS图像传感器的市场份额，已经远远高于CCD并获得了前所未有的高速增长。
来源：growth market reports
来源：growth market reports
除了市场份额最大的消费电子领域，CMOS图像传感器的应用范围还包括汽车、航空航天、医疗设备、军事设备。目前，CIS市场由索尼半导体、意法半导体、三星电子、豪威公司、安森美等企业占领，其中TOP3厂商索尼、三星、OV（豪威）销量合计占比超7成。
CCD，除了占比最大的消费类电子应用，在安防和监控、医疗、汽车与运输等也有应用。工业视觉对图像清晰度和抗噪声的要求越来越高，对CCD的需求仍在增长。自动驾驶以及CMOS的发展，又在制约着CCD市场的增长。
目前CCD和CMOS的主要应用场景仍在消费类电子，而手机的兴起与普及，把CMOS的市场价值发挥到淋漓尽致，CCD则退居幕后，在高端成像方面继续发挥作用。
03、结语
CCD作为图像传感器中较小一部分市场，无论是复古回潮的卡片机，还是“身价”不菲的高端相机，已经很难再有新的消费级产品出现。CMOS翻身成为主流，手机在寸土寸金的空间中卷摄影，不仅把摄影价格打了下来，降低了拍照的门槛，也在推动CMOS技术的进步，无论是数码相机本身，还是汽车、机器人、无人机、AR/VR都在从中受益，CMOS的好日子，未来还长着呢。
参考资料：
[1]照相机的200年消亡史，硅星人[2]CMOS图像传感器35年史和中国人的关键贡献，科技老兵戴辉[3]从诺贝尔奖看ccd的前世今生，熊巍[4]22年镜头“卷”史，智能手机之战卷进死胡同，雪豹财经社
下载ECAD模型
