“怀旧复古”的CCD，还在带我们仰望星空

本文来自微信公众号：智造前研（ID：zhizao-qianyan），作者：杨帆，原文标题：《从观望星际到自拍神器，CCD在时代浪潮下的沉浮》，题图来自：视觉中国（“天问一号”着陆器，作者：中国国家航天局）

如今，随着技术的发展，人们已经可以轻松使用手机就摇身成为摄影达人。然而有些人却认为智能计算化的拍摄，一键化的滤镜，失去了照片本身的美感，也享受不到照片成片后的惊喜感。由此相机刮起了一阵复古风潮，而带着复古标签的 CCD 相机也正是由于这阵风潮又重回大众视线。

诺贝尔奖委员会主席在为 CCD 的发明者颁布诺贝尔物理学奖时说：“当今社会的记录影像的方式完全基于 CCD 的研究。这项研究的实际意义是巨大的……它改变了我们的生活，不仅在科学领域，而且在整个社会领域。”那么，CCD 的时代真的过去了吗？

复古氛围感，来自于旧时光的褪色

从去年一直火到今年，CCD 相机作为被时代淘汰的“电子垃圾”为何在多年之后又再次受到年轻人的青睐？或许在小红书上多达几十万篇关于如何用 CCD 相机拍出氛围感照片的分享能给我们答案。

首先要说明，所谓 CCD 相机名字的由来，其实是指含有 CCD（电荷耦合元件，Charge Coupled Device）图像传感器的相机，正确的叫法应该是“便携式数码相机”或称“卡片机”。CCD 作为一种感光元件，其原理是能够把光学影像转化为数字信号，当受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有感光单位所产生的的信号加在一起，构成了一幅完整的图像。

也就是说，CCD 其实是一种传感器，并不指代某种相机。百元的卡片机可以装载 CCD，价值高昂的徕卡相机和哈苏相机也能装载 CCD，甚至是太空上也有 CCD 的身影。

同时，这些复古弄潮儿所追捧的氛围感，其实来自于被淘汰的传感器老化带来的偏色结果。在数码圈有着“底大一级压死人”的说法，本质是相机的图像传感器面积越大画质也就越好。而作为复古潮品而重新流行的“CCD 相机”，大部分是小底 CCD，因此会出现色散的情况，另外偏色严重，高感较差，再加上闪光灯所带来的过度曝光，反而营造出一种不同于手机智能计算拍摄后的色调。

加之老相机的像素较差，比起如今动辄 1080p 和 4k 下的数百万像素，“CCD 相机”画质的模糊恰好造就了一种复古的朦胧感，拍出来有种磨皮的效果，噪点和泛黄也成了独有的风格，让照片仿佛都透着旧光阴的斑驳。

对于追捧“CCD 相机”的 Z 时代来说，被时代所淘汰的理由却阴差阳错成为他们口中所谓的“氛围感”，从而满足了他们所追求的“原片直出”、“胶片质感”。但其实号称“不用洗的胶片” 的 CCD 卡片机与胶片感也并无直接联系。

CCD虽然作为逐渐被淘汰的感光元件，确实依然有一些优点，但并不是体现在卡片机上，那些花费心思在二手市场淘换来的老旧 CCD 卡片机性能大多已经十分不理想。虽然小红书上爆火的百元 CCD 卡片机并不能代表 CCD 相机的最高实力，但 CCD 在时代的发展下黯然失色，并且在大众数码市场中一步步消失了踪影已是事实。

留住历史，定格瞬间，CCD历经沉浮

尽管 CCD 可能已经被大众数码市场所抛弃，转而成为小众圈子爱好者的狂欢，但我们依然不能否定 CCD 在影像历史上颠覆性的意义。

1969 年，大名鼎鼎的美国贝尔实验室诞生了第一块 CCD 图像传感器，早期的 CCD 性能表现并不出色，它只感应亮度信息，而不感应色彩信息，因此只能记录黑白影像，且受限于当时的芯片制程工艺，其分辨率甚至不到 1 万像素。尽管如此，人们依然认为这块小小的传感器身上蕴藏着巨大的商业前景，并开始迅速让 CCD 商业化。

1972年 CCD所记录的“S”

1973 年，第一块商业化的 CCD 由仙童半导体推出，CCD 从实验室走向市场。这块 CCD 仅有 100×100 像素，但是从这些模糊不清的图像中，人们却看到了清晰无比的未来。CCD 的发展引起了巨大的关注，也逐渐驶入了快车道。

世界上第一台数码相机获取的第一张数码照片

1975 年在柯达实验室中，基于 CCD 诞生了世界上第一台数码相机并获取了第一张数码照片。三年后，柯达实验室的拜耳博士研究出一个至关重要的成果——拜尔阵列，自此 CCD 开始能输出彩色的影像。影像行业的发展就此改变，开启了数字时代。

进入 21 世纪后，得益于 CCD 技术的进步和成本的降低，平价而又高性能的数码相机逐渐进入大众生活。随后夏普发布了内置 CCD 传感器和镜头的手机，这也是全球第一台带有拍照功能的手机，手机影像新时代的大幕也就此拉开。CCD 的市场前景一时风光无两。

全球第一台带有拍照功能的手机——夏普J-SH04

但是，科学技术发展的步伐一刻也不曾停止。就在 CCD 影像市场繁荣的背后，CMOS 图像传感器悄悄崛起。谁也没想到厚积薄发的 CMOS 能在短时间快速取代 CCD，成为图像传感器领域的霸主。其实 CMOS 图像传感器与 CCD 图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS 的缺点太多因而没有得到重视和发展， CCD 得以一直主宰着图像传感器市场。

而随着时间推移，科学技术进一步发展，集成电路设计技术和工艺水平提高，CMOS 图像传感器过去存在的不足，已经逐步进行改善，不仅水平已然能够比肩 CCD，而且其固有优点却是 CCD 所无法实现的，因而 CMOS 图像传感器再次被寄予厚望。

CMOS 和 CCD 虽同为图像传感器，二者的光电信息转换功能也基本相似，但区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同，这导致在应用、效能方面，CCD 传感器与 CMOS 传感器存在不少的差异。

相较之下，虽然 CCD 有着更高的分辨率和信噪比，成像质量高。但因为 CMOS 具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、低功耗（仅为 CCD 的 1/10 左右）、体积小重量轻、集成度高、高性价比（价格比 CCD 便宜将近1/3）等特点而重新被业界广泛关注。各大厂商也都开始逐渐把更适合于成本敏感型的消费电子的 CMOS 应用在不同的数码相机产品上，市场份额逐年攀升。从此，CMOS 图像传感器迅速发展，逐渐确定成为图像传感器的主流技术。

虽然这几年可能还存在着CCD和CMOS哪个更好的争论，但是随着技术的发展，基本上CMOS已经占据了优势。由此看来，尽管 CCD 技术起步早也更为成熟，优点也很多，但是缺陷改善成本过高。反观 CMOS 虽然有其缺点，但是通过技术的改良逐渐一一克服，故而赢得了市场。

可以说 CCD 没有输在技术，输在了市场对于成本的要求。市场的发展决定了竞争是不可避免的，CMOS 逐渐取代了 CCD 在成像品质和市场覆盖两方面的优势，二者只能在不同规格与领域应用之间开始了共存。CCD 仅保留在一些特殊应用场合，民用设备中也就基本没有了 CCD 的踪影。

去探索未知，去观望遥远的星际

从数码时代以来，图像传感器领域一直被 CCD 所主导。尽管随着科技进步，CMOS 技术的突飞猛进使得其成为了数码摄影市场的霸主，CCD 退出了主流舞台。然而在某些特定的领域，CCD 依然有其不可替代的地位。自 1969 年在贝尔实验室被发明后，CCD 经历了几十年的发展历程，其应用范围遍布工业检测、医疗设备、商业扫描、尤其是各高尖端科研领域如天文、生物等，不同应用场合对 CCD 也有不同的性能和价格需求。

CCD 图像传感器按照像素排列方式的不同上可以分为线型和面型两种传感器。线阵 CCD 处理信息的速度快，后续处理电路简单，易实现实时控制，因此线阵 CCD 主要用于产品表面质量评定、自动化及机器人视觉中的精确定位等。面阵 CCD 获取的信息量大，能处理复杂的图形，主要用于图象的记录、储存等方面。

按照功能分类，CCD 分为科学级 CCD 和商业级 CCD。科学级 CCD 相较普通商业级 CCD 而言，具有更高的量子效率和分辨率，更低的读出噪声和暗电流。这些部分得益于 CCD 制冷技术。所以制冷型科学级 CCD 也比商业级 CCD 设计更复杂，价格更高昂。中国科学院紫金山天文台作为我国开展 CCD 相机研制的最早的单位之一，21 世纪初其研制及测试设备价值就多达数百万元。

同时，科学级 CCD 相机由于能够检测相对比较微弱的光信号，并且在微光条件下可以清晰成像。因此也一直被广泛的应用于天文学、光谱学、航天研究、生物和医学研究等众多领域。

科学级CCD与商业级CCD的重要指标对比

自从上个世纪 70 年代第一块商化业 CCD 被使用在天文望远镜上并获得了第一张天文照片后，CCD 成为了为人类探索宇宙，开拓视界的重要起点，并且至今仍然在专业天文领域继续发挥着关键的作用。

也正是 CCD 首次在天文应用中的出色表现，才拉开了其在科研领域广泛应用的序幕。2007 年我国第一枚探月卫星嫦娥一号搭载科学级 CCD 相机成功发射，并诞生了中国首幅全月球影像图。仅仅三年后，搭载更高品质科学级 CCD 相机的嫦娥二号卫星也顺利升空，为月球的研究提供了高品质的图像资料。2013 年神舟十号载人飞船与天宫一号交会对接与嫦娥三号探月任务也都取得圆满成功。

最近成功登陆火星的天问一号在“环火”上岗两年中，拍摄的那幅距离火星表面约 330～350 千米高度的 0.7 米分辨率全色图像，即是科学级 CCD 的杰作。

可以说从中国航天载人、探月计划相继成功实现到最近的天问一号， 这其中科学级 CCD 相机都担任着实现“视觉”的重要角色。尤其是科学级 CCD 作为高端成像设备，在众多其他科研领域中也依然有着近乎于普及的应用。

例如生物医学领域应用的，X 射线检测、光谱影像技术、活体分子荧光影像技术；航空遥感领域也从最初的胶卷式返回型航天相机发展到如今的 CCD 传感器相机；甚至在军事领域应用于侦查、导航、自动跟踪等方面从而进行炮弹侦察、炸弹控制、微光夜视等行动，给机器配备了眼睛甚至是大脑来实现科技上的拼杀。

由此可见，众多高尖端领域的科技事件与突破中都有着科学级 CCD 的身影，CCD 为它们提供了清晰、准确的图像资料，为它们的实现提供了极大的技术支持，同时也记录着人类每一次取得的伟大的科学成就。

结语

回顾影像历史发展的洪流，站在如今这个时间点上，我们依然可以说 CMOS 和 CCD 二者各有优势，各有侧重。尽管 CMOS 越来越多，越来越好，而 CCD 越来越少，这也是不争的事实。

让我们回到最初的这个问题：CCD的时代真的过去了吗？虽然现在有很多言论表示：“最终，当 CMOS 解决图像质量的问题后将会取代CCD”。但我们还是认为，技术不会消失，只会变得越来越强大。CMOS 的时代已经到来，但 CCD 的时代尚未结束。CCD 和 CMOS 都将会继续扮演记录者的角色，见证我们的发展，铭记我们的进步。

参考资料

1. 承健，李畅.透视数码相机的心脏——图像传感器CCD篇[J].个人电脑，2004(02):183-189.

2. 王旭东，叶玉堂.CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[J].电子设计工程，2010，18(11):178-181.DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2010.11.051.

3. 徐艺灵.用于空间碎片监测的科学级CCD相机研制[D].中国科学技术大学，2018.

4. 张平阳. CCD相机为月球“画像”[N]. 西安日报，2010-03-06(004).

5. 留住历史，定格瞬间—— 从小孔成像到互补金属氧化物半导体（CMOS）来源：EEPW 作者：ZongYu

6. 小红书上爆火的那些“电子古董”到底是些啥？ 来源：果壳 作者：沈知涵，睿悦

本文来自微信公众号：智造前研（ID：zhizao-qianyan），作者：杨帆