单反相机一开始竟然是用来绘画的

从小孔成像谈起

还记得初中的时候了解到了小孔成像，人知道的越少敬畏的也就越少，那时候想着自己掌握了相机的核心技术，一度计划着要在相机领域作为一番。还会时不时的科普一波树林里为什么会形成光斑。

第一台相机与进击的双凸透镜

不过这个小孔成像其实也算是相机的“雏形原理”吧，因为现在普遍认为1550年意大利的卡尔达诺研究的相机是世界上的第一台“雏形相机”，他其实是将双凸透镜置于原来的针孔位置上。

早期的“巨形箱”相机

由于双凸透镜的聚光效果，增大了进光量，暗箱的映像效果比小孔成像暗箱成像效果更为明亮清晰。而且双凸透镜成的像还是正像（我们知道小孔成像和单凸透镜都是成的倒立的像）。

双凸透镜成像光线图

目前仍在使用的双凸透镜

感光材料的诞生

在双凸透镜相机之后，相机又继续被意大利人（巴尔巴罗）加上了“光圈”，其本质都是为了控制进光量，不过由于一直没有感光材料。所以初代相机只能用来绘画。

单反相机用来做写生的工具

感光材料是指一种具有光敏特性的半导体材料，因此又称之为光导材料或是光敏半导体。胶卷是是将卤化银涂抹在聚乙酸酯片基上，当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经显影工艺后固定于片基，成为我们常见到黑白负片。彩色负片则涂抹了三层卤化银以表现三原色。

摄影的物理本质被颠覆

这也正是我发现初中物理不能帮我走向人生巅峰的伊始。因为我发现事物的发展普遍规律都是由简单到复杂，由单一到集成，而初中物理处理问题有点过于直接。

在1975年，美国电机工程师斯蒂芬 沙森 发明了 第一台数码相机。

第一台数码相机，该相机重量3.6公斤，拍摄影像只有1万像素，所拍摄影像被记录在卡式录音带内，记录每幅影像过程花费23秒，拍摄的影像为黑白影像。

一盘TDK公司出品的D-C60型卡式录音带

虽然与现在的数码相机相比，各类指标性能都显得有些粗糙，但是这却是相机史上的一次颠覆，以至于2010年11月17日，美国总统奥巴马还在白宫授予沙森美国国家科技创新奖章。

CCD与CMOS

CCD和CMOS是目前两种主流的感光器件。都是由可以记录光线变化的半导体材料制成。

CCD（Charge-coupled Device）的全称叫电荷耦合器件，是一种集成电路，上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

一种用于紫外线映像处理的CCD

图像通过透镜投影在一列电容上（光敏区域），导致每一个电容都积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描相机的一维电容阵列，每次可以扫描一单层的电容；而用于摄像机和一般相机的二维电容阵列，则可以扫描投射在焦平面上的图像。一旦电容阵列曝光，一个控制回路将会使每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个电容（传感区域）。
       而阵列中最后一个电容里的电荷，则将传给一个电荷放大器，并被转化为电压信号。通过重复这个过程，控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。在数字电路中，会将这些信号采样、数字化，通常会存储起来；而在模拟电路中，会将它们处理成一个连续的模拟信号（例如把电荷放大器的输出信号输给一个低通滤波器）。

在栅电极（G）中，施加正电压会产生势阱（黄），并把电荷包（电子，蓝）收集于其中。只需按正确的顺序施加正电压，就可以传导电荷包。

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）又叫互补式金属氧化物半导体。

它也是一种集成电路的设计工艺，可以在硅质晶圆模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为CMOS。

单一CMOS晶体管的剖面结构

CMOS是所有硅芯片制作的主流技术，CMOS感光组件不但造价低廉，也能将信号处理电路集成在同一部设备上。CCD则有助于滤除背景噪声，因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰（这部分的困扰现已渐渐解决，主要原因归功于使用个别像素的低级放大器取代用于整片CCD阵列的单一高端放大器）。

CMOS感光组件跟CCD相比，耗电量较低，数据传输亦较快。于高清晰度数字摄影机与数字相机，尤其是片幅规格较大的数字单反相机更常见到CMOS的应用，另外消费型数字相机以及附有照相功能的手机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像质量得以提升。

CMOS于成像的技术日趋成熟下大幅普及，使CCD的占有率从2010年代起不断下降，全球最大的CCD生产商索尼更宣布于2017年停止生产CCD，但是高级照片扫描仪等要求高的器材仍然为CCD所垄断。

CCD的时代也许会像一切风靡一时的“老技术”一样走向终结，伴随而来的却是人类的进步，作为科研人员也要一直保持“在路上”的状态，不断追寻新技术不沉没于老技术，必会大有所为！