2012年，柯达（Kodak）公司正式向美国曼哈顿市法院提出破产保护申请。这在当时引起了国内外的广泛关注和热议，谁也没有料到，这家成立于1880年的世界影像产品龙头老大会在几年内轰然倒塌。自此，柯达公司生产的胶卷相机和相纸逐渐淡出视野，成为了一代人的回忆。
柯达公司没落的背后，是整个影像产品市场的更新换代。进入21世纪后，数字成像技术以惊人的速度发展，并迅速取代胶片成像技术，成为影像市场当之无愧的王者。促进这一产业转型的正是图像传感技术的兴起。
图像传感起源
图像传感技术起源于光电效应的发现。1886年12月，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在实验中意外发现：紫外线照射到金属表面时，能使金属发射带电粒子电流，这种奇特的现象后来被称为光电效应。1905年3月，犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）创造性地运用相对论和光量子理论解释了光电效应，列出了光电效应方程，因此获得了诺贝尔物理学奖。
图2.Heinrich Rudolf Hertz与光电效应原理
图像传感器问世
在俄国和美国科学家的持续研究下，1936年，美国无线电公司（Radio Corporation of America，RCA）发明了世界上第一支光电倍增管（Photo Multiplier Tube,PMT），标志着图像传感器的正式问世。PMT基于光电效应原理，能够将极微弱的光信号转换成电信号输出，并获得惊人的电子倍增能力，由于其极高的光探测灵敏性，因此至今在空间研究、医学、生物学、天文学、化学等领域都发挥着重要作用。
CCD走向市场
真正让图像传感器走进大众视野的，是电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）的发明。1969年，美国贝尔实验室正在大力发展影像电话和半导体气泡式内存技术，贝尔实验室的科学家威拉德·博伊尔（WillardS. Boyle）和乔治•史密斯（George Smith）创造性地将两种技术结合，产生了设计电荷耦合器件的原理设想，并制作出了能够沿着一片半导体的表面传递电荷的器件，并将其称为“电荷气泡原件”（Charge‘Bubble’Devices，CBD）。在后续的实验中他们发现光电效应能够使此种元件表面产生电荷，进而组成数位影像，因此产生了采用电感耦合器件捕捉图像的想法；在无数次的实验后，1971年，他们终于采用简单的线性设备捕捉到了图像，CCD由此诞生。
1973年，美国仙童公司制成了第一枚商用CCD图像传感器，标志着CCD从实验室走向市场，进入了实用阶段；1975年，柯达公司采用仙童公司生产的Fairchild201100型CCD制造出了世界上第一台数码相机，开启了影像产品的数字时代，遗憾的是柯达公司并未重视数码相机的发展和市场拓展，仍然将重心放在胶卷相机的市场开拓上，最终失去了影像产品的巨大市场。
图6.第一枚商用CCD（美国Fairchild）
20世纪末，随着集成电路行业的快速发展，CCD的性能得到了飞速提升。1978年，索尼公司（Sony）制造出了具有12万像素的CCD，并在1980年发布了全世界第一个商品化量产的12万像素CCD彩色照相机（XC-1）；在XC-1成功的经验上，1981年，索尼发布了具有27.9万像素的彩色CCD照相机（Mavica Camera），这台相机具有成熟的小型化设计和较高的成像质量，使影像市场意识到CCD在摄像领域的巨大潜力，受此影响，德国潘太康（Pentacon）、日本松下（Panasonic）、富士（Fujifilm）、美能达（Minolta）等公司纷纷投入到CCD相机的研发过程中，相继推出了各自的CCD相机，加速了CCD技术的进步。1986年，CCD像素突破100万，达到了140万；1991年，CCD开始实现量产，像素达到400万。
随着CCD成像质量的提升和生产技术的进步，数码相机在影像市场的占有率开始激增，1996年全球数码相机产量约为100万台，2000年达到了1000万台，在短短5年内激增了10倍，发展前景无比广阔。
进入21世纪后，CCD在最初几年风光无限。得益于CCD性能的提升和价格的下降，平价而又高性能的数码相机真正走向大众，美能达DIMAGE7，索尼F707，佳能G2，卡西欧QV4000等数码相机多足鼎立，占有了巨大的市场，热闹非凡。而在CCD影像市场繁荣的背后，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器却在悄悄崛起。
CMOS崛起
CMOS是互补金属氧化物半导体的缩写，其生产工艺与计算机芯片和存储设备等集成电路的工艺相同。CMOS的崛起得益于集成电路产业的快速发展。1963年，仙童半导体公司的C.T.Sah和Frank Wanlass提交了一篇关于CMOS工艺制程技术的论文，首次在半导体业界提出CMOS工艺制程技术。1968年，美国无线电公司亚伯·梅德温（Albert Medwin）研究团队研发出世界第一个CMOS集成电路。进入20世纪70年代后，先进光刻技术的不断发展大大改善了CMOS工艺制程，CMOS尺寸进入亚微米阶段。20世纪90年代，浅槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)、金属硅化物（Salicide）等工艺开始应用于CMOS，CMOS工艺制程不断更新，特征尺寸不断缩小。
自CMOS诞生以来，其特征尺寸一直按照“摩尔定律”所预测的方向发展。“摩尔定律”由英特尔（Intel）公司的创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出，其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。1999年，CMOS的特征尺寸为180nm，2009年达到了32nm，十年间，一块同样大小的CMOS芯片，集成度提升了将近32倍。
CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor,CIS）是采用CMOS技术制作的图像传感器。进入21世纪后，由于CMOS工艺制程技术的飞速发展，CIS的性能逐渐达到并超越CCD，成为图像传感器消费市场的主流。2000年，佳能公司推出了第一款采用CIS芯片的数码单反相机D30，使CIS取代CCD成为可能；2002年，佳能推出了第一款采用CIS的全画幅数码单反相机1Ds，这款相机具有1140万像素，与同类产品相比具有较大的价格优势，因此迅速走红，取得了市场成功。2007年，基于CIS的SiimpelAF相机模型研发成功，标志着相机小型化重大突破，数码相机开始进入芯片时代。据Frost&Sullivan统计，2012年，全球图像传感器市场规模达到了99.6亿美元，而其中CIS占比为55.4%，CCD占比44.6%。2019年，全球图像传感器市场增长至198.7亿美元，其中CIS占比增长至83.2%，市场规模远超CCD。
图11.佳能D30（左）和佳能1Ds（右）
图12.Siimpel AF相机模型
CIS成为主流
为什么CIS能够在短短几年内快速取代CCD，成为图像传感器领域的No.1呢？
首先是成本问题，CCD中的电路和元件集成在半导体单晶材料上，制作工艺复杂，世界上只有达尔萨（Dalsa）、索尼（Sony）、松下（Panasonic）等少数厂家能够生产CCD晶元，成本较高；而CIS集成在金属氧化物半导体材料上，其制作工艺与计算机芯片和存储设备等半导体集成电路相同，工艺简单，成本较低。因此，同性能下，CIS的成本要比CCD低得多。
其次是集成问题，CCD仅能输出模拟电信号，需要增加后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器，并且需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，因此集成度极低；而CIS采用集成电路的设计工艺，能够将所有模块集成在一块芯片上，集成度很高。最后，CIS与CCD相比具有较高的读出速率和较低的功耗，因此更适用于手机、数码相机等便携式设备。
由于CIS低成本、小体积、高速率和低功耗的特点，CIS成为了图像传感器市场的主流，广泛应用于相机、手机、航天、军工、安防监控、车载摄像、内窥摄像等领域。根据《2020-2024年CIS图像传感器行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示2013-2019年，全球CIS出货量年均复合增长率为15.2%，销售额年均复合增长率为13.1%，均呈现快速增长态势；2019年，全球CIS出货量达到60.9亿颗，销售额达到154.7亿美元。预计到2024年，全球CIS出货量将达到100亿颗以上，销售额将达到230亿美元以上。
随着光刻技术和生产工艺的进步，CIS像素尺寸进一步缩小，同时还与芯片堆叠等其他先进技术结合。2012年，索尼推出了两层堆叠式图像传感器；2018年，三星和索尼开发了三层堆叠式图像传感器。芯片堆叠可以将CIS的传感功能和处理功能分层，不仅可以减小芯片尺寸，还能够提供大规模并行信号的传输，实现高速读取和写入图像传感器的所有像素数据，从而满足自动驾驶、医学成像和高端摄影等领域的应用。这些新兴领域的应用促进了CIS技术的源头创新，为视觉科技发展提供持续动力。
