早已過時停產的CCD相機在銷聲匿跡多年以后再度火熱，在二手市場價格飆升，甚至成了記錄生活、旅行和約拍的出片神器。

復古的氛圍感、自帶磨皮效果與柔光濾鏡、閃光燈下的冷白皮質感——出于這些特點，人們開始對CCD倍加青睞。

那么，究竟什么是CCD？它和手機、單反、微單等產品的區別是什么？它究竟是名不副實的過時產品，還是被時間埋沒的攝影利器？

01

CCD的工作原理

嚴格來講，CCD只是一種相機光傳感器，并不是一種相機的名字。它的全稱為“電荷耦合器件（Charge-coupled Device）”，是圖像傳感器的一種類別。由于早期數碼相機普遍使用CCD圖像傳感器，所以大家便簡略地稱呼這種相機為“CCD”了。

在數碼相機出現之前，相機的感光原件是膠片。數碼相機使用圖像傳感器替代了膠片，因而能夠將鏡頭捕獲到的光學信號轉化為電子信號，并最終處理成圖像文件儲存在SD卡中。

最早出現的圖像傳感器就是CCD。它的感光單元是由半導體材料所組成的二維電容陣列，基于半導體的光電效應原理，CCD的每一顆像素都能將投射到其表面的光線轉化為不同幅度值的信號電荷。

圖源：《航天光學遙感器CCD/CMOS光電成像技術》，北京理工大學出版社。

隨后，通過二維陣列的掃描讀取，電荷會沿著依次轉移，一行中每一顆像素上的電荷按照掃描時序傳遞到傳感器邊緣的放大器中，這就將電荷轉化為了電信號，完成了從光信號到電信號的轉換與輸出。

圖源：《CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用》，科學出版社。

02

CCD相比于手機和相機，有什么優點和缺點？

與CCD不同，我們今天使用的手機、相機普遍使用的則是CMOS圖像傳感器。CMOS的全稱是“互補性氧化金屬半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）”，其感光的基本原理同樣是半導體的光電效應，但在對電荷的處理和讀取上與CCD略有不同。

CMOS是集成技術提高的產物，它的每個光電二極管都有相對應的放大電路，已經將每個像素的信號電荷直接轉化為電信號，因此無需逐個像素進行電荷讀取，而獲得更加穩定清晰的電信號。

圖源：2005年8月《PHOTONICS SPECTRA》雜志，Laurin 出版公司。

CMOS的優勢

1.更高的集成度和更低的制造成本。CMOS能集成放大器、降噪電路、數字信號處理器等組件，減少了生產步驟和產品的復雜度，這能夠降低生產成本。

2.良品率高，不易損壞。由于CCD需要沿著一行中的每一個像素讀取信號電荷，因此一個像素點的電荷錯誤將導致整行像素點失真而造成圖像失真。而CMOS則不會出現這一問題。

3.功耗更低，更省電。CCD需要通過施加較高的電壓來完成電荷積累、電荷暫存和掃描讀取的過程，這個過程很容易受到干擾而造成像素失真。而CMOS每個像素均已形成像素電信號，省略了這一過程。此外，CMOS的高集成度也有助于節能。——今天的相機相比于老式數碼相機續航更久，也與這一原因有關。

4.讀取速度更快。CMOS工作方式簡單、集成度高、可以實現像素并行輸出信號，這使得它的速度更快，在拍攝高幀率視頻和連拍時比CCD更具優勢。

5.沒有“縱向涂片”效應。當CCD的某個像素接收到過強的光線時，溢出的電荷會干擾到一整行像素的成像，并在最終的照片里出現一整條縱向的白線。CMOS的像素因其獨立性能很好地抑制這一效應。

圖源：《數碼相機中的圖像傳感器和信號處理》，清華大學出版社。

CCD的優勢

雖然CMOS因其種種優點而受到了廠商的青睞，但CCD也有許多獨特的優點。

1.感光面積更大。CCD無需在每個像素周圍集成放大器和數模轉換電路，因此開口率更高，相對而言感光面積更大。

2.成像一致性和均勻度更好。CCD對一行像素進行整體放大和輸出，因此均勻度更好，噪聲更低。

3.避免果凍效應。CCD能更輕松地實現全局快門，而CMOS則普遍通過逐行掃描來成像，后者在拍攝高速運動的物體時容易產生果凍效應。

圖源：《數碼相機中的圖像傳感器和信號處理》，清華大學出版社。

既然各有優劣，為何CCD相機紛紛停產？

除了CMOS的成本優勢導致廠商對它更為青睞之外，技術的發展也在不斷解決CMOS的缺陷。

如背照式CMOS技術能夠將電路置于光電二極管的背面，大幅提高了開口率，提升了整體感光面積，讓CMOS的暗光成像質量顯著增強。近期出現的雙層晶體管技術也能提升動態范圍，抑制暗光下的圖像噪點。

堆棧式CMOS技術能分離像素部分和電路部分，讓圖像傳感器在維持高性能的同時進一步縮小體積，從而提升手機、小型數碼相機的成像質量。

那么，隨著CMOS技術的進步和迭代，隨著手機和小型數碼相機拍攝性能的提升，CCD相機的確已經被淘汰、成為過時產品了嗎？

03

“智商稅”，還是出片神器？

的確，隨著技術的發展，老式CCD數碼相機在分辨率、動態范圍、暗光拍攝和視頻錄制等方面均已落后于今天的相機甚至是智能手機。那么CCD就是“智商稅”了嗎？

其實，人們對CCD的鐘情并不來自于技術層面的因素。在今天，我們并不缺少清晰銳利的拍攝設備，也不缺少美顏算法與各種風格化濾鏡。但是，攝影不僅是一門技術，也是記錄和表達，我們需要的不僅僅是“清晰”而已。

CCD相機正為我們提供了一個別樣的選擇。它像素不高，所以自帶“磨皮”和“柔光”效果；它成像不夠銳利，所以總透露著朦朧的質感。但它又與美顏相機和修圖軟件的人為修飾截然不同，它的風格恰恰源自技術和時代局限。它隨拍隨得，是真實的，并且是一種“不完美的真實感”。

或許正因如此，CCD相機這種樸素、真實卻又朦朧的氛圍感，才被人懷念。

審核專家：周洪直

北京工業大學物理與光電工程學院高級實驗師，碩士生導師

來源：數字北京科學中心

編輯：涼漸

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