文|智造前沿
導(dǎo)語
如今，隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以輕松使用手機就搖身成為攝影達人。然而有些人卻認為智能計算化的拍攝，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。由此相機刮起了一陣復(fù)古風(fēng)潮，而帶著復(fù)古標簽的 CCD 相機也正是由于這陣風(fēng)潮又重回大眾視線。
諾貝爾獎委員會主席在為 CCD 的發(fā)明者頒布諾貝爾物理學(xué)獎時說：“當(dāng)今社會的記錄影像的方式完全基于 CCD 的研究。這項研究的實際意義是巨大的.....它改變了我們的生活，不僅在科學(xué)領(lǐng)域，而且在整個社會領(lǐng)域?！蹦敲?，CCD 的時代真的過去了嗎？
01 復(fù)古氛圍感，來自于舊時光的褪色
從去年一直火到今年，CCD 相機作為被時代淘汰的“電子垃圾”為何在多年之后又再次受到年輕人的青睞？或許在小紅書上多達幾十萬篇關(guān)于如何用 CCD 相機拍出氛圍感照片的分享能給我們答案。
圖源：小紅書搜索
首先要說明，所謂 CCD 相機名字的由來，其實是指含有 CCD（電荷耦合元件，Charge Coupled Device）圖像傳感器的相機，正確的叫法應(yīng)該是“便攜式數(shù)碼相機”或稱“卡片機”。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，當(dāng)受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有感光單位所產(chǎn)生的的信號加在一起，構(gòu)成了一幅完整的圖像。也就是說，CCD 其實是一種傳感器，并不指代某種相機。百元的卡片機可以裝載 CCD ，價值高昂的徠卡相機和哈蘇相機也能裝載 CCD ，甚至是太空上也有 CCD 的身影。
同時，這些復(fù)古弄潮兒所追捧的氛圍感，其實來自于被淘汰的傳感器老化帶來的偏色結(jié)果。在數(shù)碼圈有著“底大一級壓死人”的說法，本質(zhì)是相機的圖像傳感器面積越大畫質(zhì)也就越好。而作為復(fù)古潮品而重新流行的“CCD 相機”，大部分是小底 CCD，因此會出現(xiàn)色散的情況，另外偏色嚴重，高感較差，再加上閃光燈所帶來的過度曝光，反而營造出一種不同于手機智能計算拍攝后的色調(diào)。加之老相機的像素較差，比起如今動輒 1080p 和 4k 下的數(shù)百萬像素，“CCD 相機”畫質(zhì)的模糊恰好造就了一種復(fù)古的朦朧感，拍出來有種磨皮的效果，噪點和泛黃也成了獨有的風(fēng)格，讓照片仿佛都透著舊光陰的斑駁。
圖源：小紅書@小古憨憨
對于追捧“CCD 相機”的 Z 時代來說，被時代所淘汰的理由卻陰差陽錯成為他們口中所謂的“氛圍感”，從而滿足了他們所追求的“原片直出”、“膠片質(zhì)感”。但其實號稱“不用洗的膠片” 的 CCD 卡片機與膠片感也并無直接聯(lián)系。
CCD雖然作為逐漸被淘汰的感光元件，確實依然有一些優(yōu)點，但并不是體現(xiàn)在卡片機上，那些花費心思在二手市場淘換來的老舊 CCD 卡片機性能大多已經(jīng)十分不理想。雖然小紅書上爆火的百元 CCD 卡片機并不能代表 CCD 相機的最高實力，但 CCD 在時代的發(fā)展下黯然失色，并且在大眾數(shù)碼市場中一步步消失了蹤影已是事實。
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)碼市場所拋棄，轉(zhuǎn)而成為小眾圈子愛好者的狂歡，但我們依然不能否定 CCD 在影像歷史上顛覆性的意義。
1969 年，大名鼎鼎的美國貝爾實驗室誕生了第一塊 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)時的芯片制程工藝，其分辨率甚至不到 1 萬像素。盡管如此，人們依然認為這塊小小的傳感器身上蘊藏著巨大的商業(yè)前景，并開始迅速讓 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 從實驗室走向市場。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比的未來。CCD 的發(fā)展引起了巨大的關(guān)注，也逐漸駛?cè)肓丝燔嚨馈?/p>
1975 年在柯達實驗室中，基于 CCD 誕生了世界上第一臺數(shù)碼相機并獲取了第一張數(shù)碼照片。三年后，柯達實驗室的拜耳博士研究出一個至關(guān)重要的成果——拜爾陣列，自此 CCD 開始能輸出彩色的影像。影像行業(yè)的發(fā)展就此改變，開啟了數(shù)字時代。進入 21 世紀后，得益于 CCD 技術(shù)的進步和成本的降低，平價而又高性能的數(shù)碼相機逐漸進入大眾生活。隨后夏普發(fā)布了內(nèi)置 CCD 傳感器和鏡頭的手機，這也是全球第一臺帶有拍照功能的手機，手機影像新時代的大幕也就此拉開。CCD 的市場前景一時風(fēng)光無兩。
但是，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐一刻也不曾停止。就在 CCD 影像市場繁榮的背后，CMOS 圖像傳感器悄悄崛起。誰也沒想到厚積薄發(fā)的 CMOS 能在短時間快速取代 CCD，成為圖像傳感器領(lǐng)域的霸主。其實 CMOS 圖像傳感器與 CCD 圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，但由于受當(dāng)時工藝水平的限制，CMOS 的缺點太多因而沒有得到重視和發(fā)展， CCD 得以一直主宰著圖像傳感器市場。而隨著時間推移，科學(xué)技術(shù)進一步發(fā)展，集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平提高，CMOS 圖像傳感器過去存在的不足，已經(jīng)逐步進行改善，不僅水平已然能夠比肩 CCD，而且其固有優(yōu)點卻是 CCD 所無法實現(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。但因為 CMOS 具有讀取信息的方式簡單、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、高性價比（價格比 CCD 便宜將近1/3）等特點而重新被業(yè)界廣泛關(guān)注。各大廠商也都開始逐漸把更適合于成本敏感型的消費電子的 CMOS 應(yīng)用在不同的數(shù)碼相機產(chǎn)品上，市場份額逐年攀升。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哪個更好的爭論，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。由此看來，盡管 CCD 技術(shù)起步早也更為成熟，優(yōu)點也很多，但是缺陷改善成本過高。反觀 CMOS 雖然有其缺點，但是通過技術(shù)的改良逐漸一一克服，故而贏得了市場。
可以說 CCD 沒有輸在技術(shù)，輸在了市場對于成本的要求。市場的發(fā)展決定了競爭是不可避免的，CMOS 逐漸取代了 CCD 在成像品質(zhì)和市場覆蓋兩方面的優(yōu)勢，二者只能在不同規(guī)格與領(lǐng)域應(yīng)用之間開始了共存。CCD 僅保留在一些特殊應(yīng)用場合，民用設(shè)備中也就基本沒有了 CCD 的蹤影。
03 去探索未知，去觀望遙遠的星際
從數(shù)碼時代以來，圖像傳感器領(lǐng)域一直被 CCD 所主導(dǎo)。盡管隨著科技進步，CMOS 技術(shù)的突飛猛進使得其成為了數(shù)碼攝影市場的霸主，CCD 退出了主流舞臺。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 年在貝爾實驗室被發(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、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)用場合對 CCD 也有不同的性能和價格需求。
CCD 圖像傳感器按照像素排列方式的不同上可以分為線型和面型兩種傳感器。線陣 CCD 處理信息的速度快，后續(xù)處理電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，因此線陣 CCD 主要用于產(chǎn)品表面質(zhì)量評定、自動化及機器人視覺中的精確定位等。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、儲存等方面。
按照功能分類，CCD 分為科學(xué)級 CCD 和商業(yè)級 CCD?？茖W(xué)級 CCD 相較普通商業(yè)級 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 CCD 也比商業(yè)級 CCD 設(shè)計更復(fù)雜，價格更高昂。中國科學(xué)院紫金山天文臺作為我國開展 CCD 相機研制的最早的單位之一，21 世紀初其研制及測試設(shè)備價值就多達數(shù)百萬元。同時，科學(xué)級致冷CCD 相機由于能夠檢測相對比較微弱的光信號，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CCD與商業(yè)級CCD的重要指標對比
自從上個世紀 70 年代第一塊商化業(yè) CCD 被使用在天文望遠鏡上并獲得了第一張?zhí)煳恼掌螅珻CD 成為了為人類探索宇宙，開拓視界的重要起點，并且至今仍然在專業(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)，才拉開了其在科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的序幕。2007 年我國第一枚探月衛(wèi)星嫦娥一號搭載科學(xué)級 CCD 相機成功發(fā)射，并誕生了中國首幅全月球影像圖。僅僅三年后，搭載更高品質(zhì)科學(xué)級 CCD 相機的嫦娥二號衛(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 年神舟十號載人飛船與天宮一號交會對接與嫦娥三號探月任務(wù)也都取得圓滿成功。最近成功登陸火星的天問一號在“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 CCD 的杰作。
可以說從中國航天載人、探月計劃相繼成功實現(xiàn)到最近的天問一號， 這其中科學(xué)級 CCD 相機都擔(dān)任著實現(xiàn)“視覺”的重要角色。尤其是科學(xué)級 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 射線檢測、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發(fā)展到如今的 CCD 傳感器相機；甚至在軍事領(lǐng)域應(yīng)用于偵查、導(dǎo)航、自動跟蹤等方面從而進行炮彈偵察、炸彈控制、微光夜視等行動，給機器配備了眼睛甚至是大腦來實現(xiàn)科技上的拼殺。由此可見，眾多高尖端領(lǐng)域的科技事件與突破中都有著科學(xué)級 CCD 的身影，CCD 為它們提供了清晰、準確的圖像資料，為它們的實現(xiàn)提供了極大的技術(shù)支持，同時也記錄著人類每一次取得的偉大的科學(xué)成就。
結(jié)語
回顧影像歷史發(fā)展的洪流，站在如今這個時間點上，我們依然可以說 CMOS 和 CCD 二者各有優(yōu)勢，各有側(cè)重。盡管 CMOS 越來越多，越來越好，而 CCD 越來越少，這也是不爭的事實。讓我們回到最初的這個問題：CCD的時代真的過去了嗎？雖然現(xiàn)在有很多言論表示：“最終，當(dāng) CMOS 解決圖像質(zhì)量的問題后將會取代CCD”。但我們還是認為，技術(shù)不會消失，只會變得越來越強大。CMOS 的時代已經(jīng)到來，但 CCD 的時代尚未結(jié)束。CCD 和 CMOS 都將會繼續(xù)扮演記錄者的角色，見證我們的發(fā)展，銘記我們的進步。
參考資料：
1. 承健,李暢.透視數(shù)碼相機的心臟——圖像傳感器CCD篇[J].個人電腦,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[J].電子設(shè)計工程,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)測的科學(xué)級CCD相機研制[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2018.
4. 張平陽. CCD相機為月球“畫像”[N]. 西安日報,2010-03-06(004).
5. 留住歷史，定格瞬間—— 從小孔成像到互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）來源：EEPW 作者：ZongYu
6. 小紅書上爆火的那些“電子古董”到底是些啥？ 來源：果殼 作者：沈知涵，睿悅