文|智造前沿

導(dǎo)語(yǔ)

如今，隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以輕松使用手機(jī)就搖身成為攝影達(dá)人。然而有些人卻認(rèn)為智能計(jì)算化的拍攝，一鍵化的濾鏡，失去了照片本身的美感，也享受不到照片成片后的驚喜感。由此相機(jī)刮起了一陣復(fù)古風(fēng)潮，而帶著復(fù)古標(biāo)簽的 CCD 相機(jī)也正是由于這陣風(fēng)潮又重回大眾視線(xiàn)。

諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)主席在為 CCD 的發(fā)明者頒布諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)說(shuō)：“當(dāng)今社會(huì)的記錄影像的方式完全基于 CCD 的研究。這項(xiàng)研究的實(shí)際意義是巨大的.....它改變了我們的生活，不僅在科學(xué)領(lǐng)域，而且在整個(gè)社會(huì)領(lǐng)域?！蹦敲?，CCD 的時(shí)代真的過(guò)去了嗎？

01 復(fù)古氛圍感，來(lái)自于舊時(shí)光的褪色

從去年一直火到今年，CCD 相機(jī)作為被時(shí)代淘汰的“電子垃圾”為何在多年之后又再次受到年輕人的青睞？或許在小紅書(shū)上多達(dá)幾十萬(wàn)篇關(guān)于如何用 CCD 相機(jī)拍出氛圍感照片的分享能給我們答案。

圖源：小紅書(shū)搜索

首先要說(shuō)明，所謂 CCD 相機(jī)名字的由來(lái)，其實(shí)是指含有 CCD（電荷耦合元件，Charge Coupled Device）圖像傳感器的相機(jī)，正確的叫法應(yīng)該是“便攜式數(shù)碼相機(jī)”或稱(chēng)“卡片機(jī)”。CCD 作為一種感光元件，其原理是能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，當(dāng)受到光線(xiàn)照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有感光單位所產(chǎn)生的的信號(hào)加在一起，構(gòu)成了一幅完整的圖像。也就是說(shuō)，CCD 其實(shí)是一種傳感器，并不指代某種相機(jī)。百元的卡片機(jī)可以裝載 CCD ，價(jià)值高昂的徠卡相機(jī)和哈蘇相機(jī)也能裝載 CCD ，甚至是太空上也有 CCD 的身影。

同時(shí)，這些復(fù)古弄潮兒所追捧的氛圍感，其實(shí)來(lái)自于被淘汰的傳感器老化帶來(lái)的偏色結(jié)果。在數(shù)碼圈有著“底大一級(jí)壓死人”的說(shuō)法，本質(zhì)是相機(jī)的圖像傳感器面積越大畫(huà)質(zhì)也就越好。而作為復(fù)古潮品而重新流行的“CCD 相機(jī)”，大部分是小底 CCD，因此會(huì)出現(xiàn)色散的情況，另外偏色嚴(yán)重，高感較差，再加上閃光燈所帶來(lái)的過(guò)度曝光，反而營(yíng)造出一種不同于手機(jī)智能計(jì)算拍攝后的色調(diào)。加之老相機(jī)的像素較差，比起如今動(dòng)輒 1080p 和 4k 下的數(shù)百萬(wàn)像素，“CCD 相機(jī)”畫(huà)質(zhì)的模糊恰好造就了一種復(fù)古的朦朧感，拍出來(lái)有種磨皮的效果，噪點(diǎn)和泛黃也成了獨(dú)有的風(fēng)格，讓照片仿佛都透著舊光陰的斑駁。

圖源：小紅書(shū)@小古憨憨

對(duì)于追捧“CCD 相機(jī)”的 Z 時(shí)代來(lái)說(shuō)，被時(shí)代所淘汰的理由卻陰差陽(yáng)錯(cuò)成為他們口中所謂的“氛圍感”，從而滿(mǎn)足了他們所追求的“原片直出”、“膠片質(zhì)感”。但其實(shí)號(hào)稱(chēng)“不用洗的膠片” 的 CCD 卡片機(jī)與膠片感也并無(wú)直接聯(lián)系。

CCD雖然作為逐漸被淘汰的感光元件，確實(shí)依然有一些優(yōu)點(diǎn)，但并不是體現(xiàn)在卡片機(jī)上，那些花費(fèi)心思在二手市場(chǎng)淘換來(lái)的老舊 CCD 卡片機(jī)性能大多已經(jīng)十分不理想。雖然小紅書(shū)上爆火的百元 CCD 卡片機(jī)并不能代表 CCD 相機(jī)的最高實(shí)力，但 CCD 在時(shí)代的發(fā)展下黯然失色，并且在大眾數(shù)碼市場(chǎng)中一步步消失了蹤影已是事實(shí)。

02 留住歷史，定格瞬間，CCD歷經(jīng)沉浮

盡管 CCD 可能已經(jīng)被大眾數(shù)碼市場(chǎng)所拋棄，轉(zhuǎn)而成為小眾圈子愛(ài)好者的狂歡，但我們依然不能否定 CCD 在影像歷史上顛覆性的意義。

1969 年，大名鼎鼎的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生了第一塊 CCD 圖像傳感器，早期的 CCD 性能表現(xiàn)并不出色，它只感應(yīng)亮度信息，而不感應(yīng)色彩信息，因此只能記錄黑白影像，且受限于當(dāng)時(shí)的芯片制程工藝，其分辨率甚至不到 1 萬(wàn)像素。盡管如此，人們依然認(rèn)為這塊小小的傳感器身上蘊(yùn)藏著巨大的商業(yè)前景，并開(kāi)始迅速讓 CCD 商業(yè)化。

1973 年，第一塊商業(yè)化的 CCD 由仙童半導(dǎo)體推出，CCD 從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。這塊 CCD 僅有 100×100 像素，但是從這些模糊不清的圖像中，人們卻看到了清晰無(wú)比的未來(lái)。CCD 的發(fā)展引起了巨大的關(guān)注，也逐漸駛?cè)肓丝燔?chē)道。

1975 年在柯達(dá)實(shí)驗(yàn)室中，基于 CCD 誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)并獲取了第一張數(shù)碼照片。三年后，柯達(dá)實(shí)驗(yàn)室的拜耳博士研究出一個(gè)至關(guān)重要的成果——拜爾陣列，自此 CCD 開(kāi)始能輸出彩色的影像。影像行業(yè)的發(fā)展就此改變，開(kāi)啟了數(shù)字時(shí)代。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，得益于 CCD 技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，平價(jià)而又高性能的數(shù)碼相機(jī)逐漸進(jìn)入大眾生活。隨后夏普發(fā)布了內(nèi)置 CCD 傳感器和鏡頭的手機(jī)，這也是全球第一臺(tái)帶有拍照功能的手機(jī)，手機(jī)影像新時(shí)代的大幕也就此拉開(kāi)。CCD 的市場(chǎng)前景一時(shí)風(fēng)光無(wú)兩。

但是，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐一刻也不曾停止。就在 CCD 影像市場(chǎng)繁榮的背后，CMOS 圖像傳感器悄悄崛起。誰(shuí)也沒(méi)想到厚積薄發(fā)的 CMOS 能在短時(shí)間快速取代 CCD，成為圖像傳感器領(lǐng)域的霸主。其實(shí) CMOS 圖像傳感器與 CCD 圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步，但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS 的缺點(diǎn)太多因而沒(méi)有得到重視和發(fā)展， CCD 得以一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。而隨著時(shí)間推移，科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平提高，CMOS 圖像傳感器過(guò)去存在的不足，已經(jīng)逐步進(jìn)行改善，不僅水平已然能夠比肩 CCD，而且其固有優(yōu)點(diǎn)卻是 CCD 所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因而 CMOS 圖像傳感器再次被寄予厚望。

CMOS 和 CCD 雖同為圖像傳感器，二者的光電信息轉(zhuǎn)換功能也基本相似，但區(qū)別就在于這兩種傳感器的光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同，這導(dǎo)致在應(yīng)用、效能方面，CCD 傳感器與 CMOS 傳感器存在不少的差異。相較之下，雖然 CCD 有著更高的分辨率和信噪比，成像質(zhì)量高。但因?yàn)?CMOS 具有讀取信息的方式簡(jiǎn)單、輸出信息速率快、低功耗(僅為 CCD 的 1/10 左右)、體積小重量輕、集成度高、高性?xún)r(jià)比（價(jià)格比 CCD 便宜將近1/3）等特點(diǎn)而重新被業(yè)界廣泛關(guān)注。各大廠(chǎng)商也都開(kāi)始逐漸把更適合于成本敏感型的消費(fèi)電子的 CMOS 應(yīng)用在不同的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上，市場(chǎng)份額逐年攀升。從此，CMOS 圖像傳感器迅速發(fā)展，逐漸確定成為圖像傳感器的主流技術(shù)。

雖然這幾年可能還存在著CCD和CMOS哪個(gè)更好的爭(zhēng)論，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，基本上CMOS已經(jīng)占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。由此看來(lái)，盡管 CCD 技術(shù)起步早也更為成熟，優(yōu)點(diǎn)也很多，但是缺陷改善成本過(guò)高。反觀 CMOS 雖然有其缺點(diǎn)，但是通過(guò)技術(shù)的改良逐漸一一克服，故而贏得了市場(chǎng)。

可以說(shuō) CCD 沒(méi)有輸在技術(shù)，輸在了市場(chǎng)對(duì)于成本的要求。市場(chǎng)的發(fā)展決定了競(jìng)爭(zhēng)是不可避免的，CMOS 逐漸取代了 CCD 在成像品質(zhì)和市場(chǎng)覆蓋兩方面的優(yōu)勢(shì)，二者只能在不同規(guī)格與領(lǐng)域應(yīng)用之間開(kāi)始了共存。CCD 僅保留在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，民用設(shè)備中也就基本沒(méi)有了 CCD 的蹤影。

03 去探索未知，去觀望遙遠(yuǎn)的星際

從數(shù)碼時(shí)代以來(lái)，圖像傳感器領(lǐng)域一直被 CCD 所主導(dǎo)。盡管隨著科技進(jìn)步，CMOS 技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得其成為了數(shù)碼攝影市場(chǎng)的霸主，CCD 退出了主流舞臺(tái)。然而在某些特定的領(lǐng)域， CCD 依然有其不可替代的地位。自 1969 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室被發(fā)明后，CCD 經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程，其應(yīng)用范圍遍布工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、商業(yè)掃描、尤其是各高尖端科研領(lǐng)域如天文、生物等，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì) CCD 也有不同的性能和價(jià)格需求。

CCD 圖像傳感器按照像素排列方式的不同上可以分為線(xiàn)型和面型兩種傳感器。線(xiàn)陣 CCD 處理信息的速度快，后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，因此線(xiàn)陣 CCD 主要用于產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定、自動(dòng)化及機(jī)器人視覺(jué)中的精確定位等。面陣 CCD 獲取的信息量大，能處理復(fù)雜的圖形，主要用于圖象的記錄、儲(chǔ)存等方面。

按照功能分類(lèi)，CCD 分為科學(xué)級(jí) CCD 和商業(yè)級(jí) CCD?？茖W(xué)級(jí) CCD 相較普通商業(yè)級(jí) CCD 而言，具有更高的量子效率和分辨率，更低的讀出噪聲和暗電流。這些部分得益于 CCD 制冷技術(shù)。所以制冷型科學(xué)級(jí) CCD 也比商業(yè)級(jí) CCD 設(shè)計(jì)更復(fù)雜，價(jià)格更高昂。中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)作為我國(guó)開(kāi)展 CCD 相機(jī)研制的最早的單位之一，21 世紀(jì)初其研制及測(cè)試設(shè)備價(jià)值就多達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。同時(shí)，科學(xué)級(jí)致冷CCD 相機(jī)由于能夠檢測(cè)相對(duì)比較微弱的光信號(hào)，并且在微光條件下可以清晰成像。因此也一直被廣泛的應(yīng)用于天文學(xué)、光譜學(xué)、航天研究、生物和醫(yī)學(xué)研究等眾多領(lǐng)域。

科學(xué)級(jí)CCD與商業(yè)級(jí)CCD的重要指標(biāo)對(duì)比

自從上個(gè)世紀(jì) 70 年代第一塊商化業(yè) CCD 被使用在天文望遠(yuǎn)鏡上并獲得了第一張?zhí)煳恼掌螅珻CD 成為了為人類(lèi)探索宇宙，開(kāi)拓視界的重要起點(diǎn)，并且至今仍然在專(zhuān)業(yè)天文領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

也正是 CCD 首次在天文應(yīng)用中的出色表現(xiàn)，才拉開(kāi)了其在科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的序幕。2007 年我國(guó)第一枚探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)搭載科學(xué)級(jí) CCD 相機(jī)成功發(fā)射，并誕生了中國(guó)首幅全月球影像圖。僅僅三年后，搭載更高品質(zhì)科學(xué)級(jí) CCD 相機(jī)的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星也順利升空，為月球的研究提供了高品質(zhì)的圖像資料。2013 年神舟十號(hào)載人飛船與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接與嫦娥三號(hào)探月任務(wù)也都取得圓滿(mǎn)成功。最近成功登陸火星的天問(wèn)一號(hào)在“環(huán)火”上崗兩年中，拍攝的那幅距離火星表面約 330～350 千米高度的 0.7 米分辨率全色圖像，即是科學(xué)級(jí) CCD 的杰作。

可以說(shuō)從中國(guó)航天載人、探月計(jì)劃相繼成功實(shí)現(xiàn)到最近的天問(wèn)一號(hào)， 這其中科學(xué)級(jí) CCD 相機(jī)都擔(dān)任著實(shí)現(xiàn)“視覺(jué)”的重要角色。尤其是科學(xué)級(jí) CCD 作為高端成像設(shè)備，在眾多其他科研領(lǐng)域中也依然有著近乎于普及的應(yīng)用。例如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的，X 射線(xiàn)檢測(cè)、光譜影像技術(shù)、活體分子熒光影像技術(shù)；航空遙感領(lǐng)域也從最初的膠卷式返回型航天相機(jī)發(fā)展到如今的 CCD 傳感器相機(jī)；甚至在軍事領(lǐng)域應(yīng)用于偵查、導(dǎo)航、自動(dòng)跟蹤等方面從而進(jìn)行炮彈偵察、炸彈控制、微光夜視等行動(dòng)，給機(jī)器配備了眼睛甚至是大腦來(lái)實(shí)現(xiàn)科技上的拼殺。由此可見(jiàn)，眾多高尖端領(lǐng)域的科技事件與突破中都有著科學(xué)級(jí) CCD 的身影，CCD 為它們提供了清晰、準(zhǔn)確的圖像資料，為它們的實(shí)現(xiàn)提供了極大的技術(shù)支持，同時(shí)也記錄著人類(lèi)每一次取得的偉大的科學(xué)成就。

結(jié)語(yǔ)

回顧影像歷史發(fā)展的洪流，站在如今這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，我們依然可以說(shuō) CMOS 和 CCD 二者各有優(yōu)勢(shì)，各有側(cè)重。盡管 CMOS 越來(lái)越多，越來(lái)越好，而 CCD 越來(lái)越少，這也是不爭(zhēng)的事實(shí)。讓我們回到最初的這個(gè)問(wèn)題：CCD的時(shí)代真的過(guò)去了嗎？雖然現(xiàn)在有很多言論表示：“最終，當(dāng) CMOS 解決圖像質(zhì)量的問(wèn)題后將會(huì)取代CCD”。但我們還是認(rèn)為，技術(shù)不會(huì)消失，只會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)大。CMOS 的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，但 CCD 的時(shí)代尚未結(jié)束。CCD 和 CMOS 都將會(huì)繼續(xù)扮演記錄者的角色，見(jiàn)證我們的發(fā)展，銘記我們的進(jìn)步。

參考資料：

1. 承健,李暢.透視數(shù)碼相機(jī)的心臟——圖像傳感器CCD篇[J].個(gè)人電腦,2004(02):183-189.

2. 王旭東,葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢(shì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(11):178-181.DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2010.11.051.

3. 徐藝靈.用于空間碎片監(jiān)測(cè)的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)研制[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2018.

4. 張平陽(yáng). CCD相機(jī)為月球“畫(huà)像”[N]. 西安日?qǐng)?bào),2010-03-06(004).

5. 留住歷史，定格瞬間—— 從小孔成像到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）來(lái)源：EEPW 作者：ZongYu

6. 小紅書(shū)上爆火的那些“電子古董”到底是些啥？ 來(lái)源：果殼 作者：沈知涵，睿悅