基于SLIM理论的CCD技术发展探究

田星宇+辛向阳

文章编号：2095-6835（2017）10-0074-03

摘 要：目的是分析CCD（电荷耦合元件）的技术发展历程。方法是，以经济学中的SLIM模型为理论基础，通过其对技术变革与生产力增长的研究和阐述，结合CCD从发现到应用的历史过程进行研究。结果是，得出CCD从基础科学到实验发现、发明创造、创业行为、规模效仿至最后市场普及与扩张的历史变迁过程。结论是，基于SLIM模型，通过对CCD技术发展历程的研究，可以得出CCD技术发展转化与相关产品的突破创新对市场和企业的影响，同时，佐证了SLIM模型所描述的技术发展与转化对企业诸多战略设计和规划有重要的理论意义。

关键词：SLIM理论；CCD技术；技术转化；产品突破

中图分类号：T-19 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.074

2009年的诺贝尔物理学奖颁发给了发明CCD（电荷耦合元件）的W.S.Boyle和G.E.Smith，以表彰他们在图像传感技术领域所作的贡献。追溯CCD技术，最早起源于爱因斯坦的光电效应理论，时至今日，从理论发现到市场应用，CCD已被广泛应用于多个领域。本文将对CCD的技术发展与突破的历程进行研究，以经济学家Paul A.David所提出的SLIM线性模型为理论基础，旨在通过经济学模型来分析CCD的发展历程，并阐述技术转化和产品突破对企业战略设计与规划的重要意义。

1 SLIM理论模型

新增长主义理论是经济学的一个重要分支，其在20世纪80年代中期兴起，将经济增长的源泉完全内生化。这阐明了一个问题，即增长的根本原因是什么。在新增长主义众多的子理论中，经济学家Paul A.David所阐述的SLIM模型描述了技术的变革和生产力的增长是一个线性发展模式，其可以解释为：基础科学领域的发现导致了应用科学的实验发现，继而出现了创造性行为的发生，同时，这些创造性行为刺激、并为随后的新兴商业产品及其生产方法的引进提供了基础，接下来便刺激出现了规模性的仿效，从而带来了新技术的普及和扩张。SLIM理论线性模型如图1所示。

2 CCD技术发展脉络

2.1 从基础科学至实验发现

物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）的光电效应理论表明，感光物质被光照射时，它的电性质会发生改变。爱因斯坦的这一理论便是CCD的一个重要理论基础，最初的CCD与爱因斯坦的理论一致，指的是具有电荷转移功能的器件。随着基础科学的发展，应用性科学随之发展，CCD逐渐走向了图像传感器应用范畴。这时，成像技术便发展起来。成像技术从1826年第一张真正意义上的照片问世以来，其经历了日光硬化法、摄像乳胶记录、光电式图像传感器等技术发展。1969年，贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith尝试将图像电话和半导体气泡式存储器2种新技术结合起来，从而得到了新的设备电荷气泡组件（Charge Bubble Devices）。此时，CCD技术已初见原形。1969年，W.S.Boyle和G.E.Smith在电荷气泡组件的基础上，设想该组件可以作为一个移动寄存器或图像传感器。经过大量的实验研究，2人次年在电荷气泡组件的基础上发明了电荷耦合元件（CCD-Charge Coupled Device），这便是CCD的第一次发布。同年，2人验证了其自身的光电成像功能，并凭借此获得了2009年诺贝尔物理学奖。

从爱因斯坦的基础科学理论到相应应用科学实验的发现，再到发明创造出CCD，其间经历了多种成像技术的催化，无数种实验的成果促进了CCD成果的最初发明，这便是SLIM模型的第一至第二步，可谓跨越了CCD技术发展的一大步。

2.2 从实验发现到发明创造

自20世纪60年代末期，CCD这一新概念被公布以来，从其原理特性和最初应用领域出发，人们就对CCD在图像、信息处理、储存和传输的应用上产生了极大的兴趣。同时，在Willard S. Boyle和 George E. Smith所发表的论文中，提到了CCD可以用作图像传感器。由于贝尔实验室是CCD的发源地，所以，其在CCD诸多领域的研究上一直保持领先。同样，美国是最早开展CCD研究的国家，也是对此投入首屈一指的国家，有政府和官方部门的支持，美国对于CCD最初的应用起源于科技、国防、军事、航天航空等领域。从1969年CCD被提出到1974年，5年的时间内，CCD的核心技术稳步发展，提高了CCD的检测、采样等多种技术效率。

由此可见，20世纪70年代初，CCD还处于研制开发阶段，独美国在此领域一枝独秀。此时，CCD已经从实验室的最初发现开始逐步发展，虽然开发的成品也主要应用于军事、空间探测等领域，但发展初见端倪且势头迅猛。这种对CCD的技术推动也直接刺激了接下来从军用向民用的多家公司、不同行业的创新创业行为。

2.3 从发明创造到创新创业行为

新的技术趋势势必带来了新的产品机会。CCD技术也是如此，由于CCD发明之初便用于图像传感领域，顺理成章，它为数码摄像带来了行业的第一桶金。值得一提的是，日本SONY公司在CCD发布的1年后便关注到了这项技术，但其正式开始对CCD的研究却在1973年，SNOY从技术发现到正式进行产品探索滞后了3年。1974年，美国RCA公司抢占了先机，研制出了512×320象元面阵CCD摄象机。这标志着CCD产业的蓬勃兴起。1975年，柯达更是率先引领市场，采用仙童半导体公司的CCD芯片研制了第一个数码照相机。4年后，SONY公司也开始了市场的瓜分，其首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。之后，日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。

1981-08，索尼采用570×490像素、約28万像素、2/3英寸的CCD代替胶卷，发布了MAVICA。它外形已经接近普通照相机，拍摄内容不仅可以通过视频印相机印出，还能在电视屏幕上显示出来。由此，数码照相机拉开了诞生的序幕。至此，CCD的应用使数码照相行业正式走向发展阶段。

随后几年，松下、富士、尼康、佳能等公司都推出了自己基于CCD的产品，可谓百花齐放。由此可见，20世纪80年代初开始，日本已经开始让CCD商业化，进入批量生产阶段。虽然日本对于CCD的研发比美国稍晚，但它们的产品已经进入商用和民用领域。

第一桶金的效应已经逐步体现，即已经开始实现技术的日常商业化。从发明创造到创新创业，让技术进入市场，在顺应技术趋势的同时，同样符合社会的发展趋势，同时，与用户的需求匹配，前沿技术的突破，此时已经开始呈现。

2.4 从创新创业行为到规模性仿效

CCD以图像传感起始，经过数码成像催化，以数码照相行业切入走向市场，开始了创业时代。与此同时，CCD也开始从技术探索走向精益求精。

20世纪末，CCD产品开始向更小的像素尺寸发展。1995年，CCD数字照相机的出现，开始了延续至今的分辨率竞争。而日本对CCD的运用依旧领先于数码照相领域，更高像素的CCD芯片逐渐被发明，并实现了完全实用化。富士公司通过对人类视觉的全面研究，提出了super CCD；美国Foveon公司提出了多层感色CCD；SONY在CCD产品上采用全新的四色滤光技术，这些无不将CCD的成像技术推至另一个新的高度。随后，越来越多的国家与公司开始发展和研究CCD。

技术的一次次优化迭代促使了需求的增加和细化。鉴于市场对CCD摄像机用量的急速增加，世界上多个国家就数码相机行业已经形成了较大型的产业结构。此时，规模性的效仿模式已经形成，市场已经开始瓜分CCD这块大的蛋糕，从一家独大的CCD技术发展到大规模效仿而进行的市场瓜分。CCD的发展进一步佐证了SLIM理论模型。

CCD的技术发展历程自然而然地顺应了社会的发展和市场的趋势，同时，匹配甚至迎合用户的需求。就CCD此时的市场探索来看，其所拥有的高技术性、前沿性和时效性正在逐渐被发掘，市场趋势与用户需求在某时刻达到峰值，也促成更多的人去追求市场的多元化，一个应用多元化的契机已经到来。

2.5 从规模性仿效到技术的普及和扩张

当技术的差异化趋势已经不再明显，那么，相应的技术便开始追求更为广阔的市场扩张，不再局限于单一的数码照相。CCD的发展也印证了这一事实。对多元化的探索实现了技术到用户的多方位覆盖，从而衍生出不同企业和行业的颠覆式创新。

进入21世纪，CCD 技术发展的步伐并没有减慢，而是走向了与新技术、新方向的融合。现如今的CCD已经成为了一种基本的图像获取方式，其在包括数字监控、医疗健康、工业生产、图像识别、多媒体、办公自动化等多个领域得到了广泛的运用。从军事、国防领域至最一般的商用和民用，CCD的历史发展研究充分验证了SLIM理论模型的线性结构，同样，SLIM模型对于技术突破市场也有重要的理论价值。

3 基于CLIM理论的CCD发展

根据文中所述内容总结出CCD技术基于SLIM理论模型的发展情况，如图2所示。从爱因斯坦发现光电效应理论至点和气泡组件实验的发现，经过成像技术的发展催化，产生了CCD技术。由美国领先的CCD研究一直为军事、国防、航空航天领域所服务。20世纪80年代，CCD在美国的军事、航天领域依旧稳步前进，而随着日常商业化需求的出现，虽然日本的研究略有滞后，但在摄像行业进行技术引导，引领了CCD向民用、商用的发展。随后，CCD真正进入了商业化和大规模生产，追求多元化与多因素的介入形成新技术，从而扩张新的市场。

从目前情况看，美国、日本、中国、韩国、俄罗斯和德国等国家均投入了大量资源在CCD摄像机的研制和生产上。但不可否认的是，作为初创者的美国与第一个成功进入数码相机市场挖到第一桶金的日本依旧遥遥领先。美国依旧在国防、航天用CCD上独占鳌头，而日本长期雄踞于商用、民用CCD产业。日本CCD的研发和生产起步晚于美国，却在家用CCD领域（特别是数码相机产品）称霸于世界，不得不承认企业对于自身战略的设计起到了举足轻重的作用。以SONY为首的日本企业对市场需求的精准把握使之率先掌握了规模化生产的技术，对CCD生产技术的快速吸收，对市场的精准定位，使日本在CCD领域逐渐占有一席之地，并无国能与之比拟。同时，因为日本在数码相机领域举足轻重的地位，形成了强有力的产业链结构，凭借其自身在数码相机领域的成功，把握住了产业的上中下游；再加上CCD对于数码相机产品的重要性，日本在产业链的把控上又更胜一筹。

4 结论

就整个大行业背景来说，由于多领域的交叉，通过技术再创造，CCD与其他诸多领域整合创新；就企业涉及决策抽象层面上来说，在创业行为、规模应用至新技术运用过程中，多种因素共同发生作用，需求多元化致使市场多元化和促进颠覆式创新的发生。

由CCD的发展可见，其在每段时期的技术转化、产品突破创新都对市场与企业有着重要的影响和意义。同时，这进一步证明了对SLIM线性模型所描述的技术发展与转化的研究，为企业的技术、产品、设计、市场等诸多战略设计与规划提供了一个新的方向，即企业对于科技进步节奏的把控，如何在管理决策过程中使得新技术成果向产品有效过渡，从而找寻合市场需求的契机，以战略性优势形成技术到产品的突破，最终形成技术至商品的价值转化，在新的市场环境下以更广阔的市场扩张形成自身的竞争优势。

参考文献

[1]刘娟.马克思经济增长理论与我国经济发展方式轉变问题研究[D].兰州：西北师范大学，2012.

[2]David，Paul A， Desai，et al. Comment on Knowledge，Property and the System Dynamics of Technological Change.The World Bank Research Observer，1992（12）.

[3]Boyle，W.S.，G.E. Smith，Charge coupled semiconductordevices. 1970.

[4]廖延彪.成像光学导论[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5]W.S.Boyle and G.E.Smith.Charge Coupled Semiconductor.Bell Syst.Tech.J，1970（4）.

[6]王利刚.CCD降噪技术的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2003.

[7]徐猛.基于线阵CCD的机器人视觉系统的研究[D].兰州：兰州理工大学，2007.

[8]胡渝，荣健，胡渝.CCD的发展现状及展望[J].仪器仪表学报，2005（S1）.

[9]朱清宇.数码照相机发展简史[J].照相机，2006（11）.

[10]马菁汀.CCD控制电路研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[11]舒平.CCD图像传感器像元建模与仿真[D].成都：电子科技大学，2009.

[12]李胜.基于CCD图像传感器的高速图像采集与传输系统的研究[D].成都：电子科技大学，2012.

〔编辑：白洁〕