再度火热的CCD相机，是“电子垃圾”，还是出片神器？

早已过时停产的CCD相机在销声匿迹多年以后再度火热，在二手市场价格飙升，甚至成了记录生活、旅行和约拍的出片神器。

复古的氛围感、自带磨皮效果与柔光滤镜、闪光灯下的冷白皮质感——出于这些特点，人们开始对CCD倍加青睐。

那么，究竟什么是CCD？它和手机、单反、微单等产品的区别是什么？它究竟是名不副实的过时产品，还是被时间埋没的摄影利器？

01

CCD的工作原理

严格来讲，CCD只是一种相机光传感器，并不是一种相机的名字。它的全称为“电荷耦合器件（Charge-coupled Device）”，是图像传感器的一种类别。由于早期数码相机普遍使用CCD图像传感器，所以大家便简略地称呼这种相机为“CCD”了。

在数码相机出现之前，相机的感光原件是胶片。数码相机使用图像传感器替代了胶片，因而能够将镜头捕获到的光学信号转化为电子信号，并最终处理成图像文件储存在SD卡中。

最早出现的图像传感器就是CCD。它的感光单元是由半导体材料所组成的二维电容阵列，基于半导体的光电效应原理，CCD的每一颗像素都能将投射到其表面的光线转化为不同幅度值的信号电荷。

图源：《航天光学遥感器CCD/CMOS光电成像技术》，北京理工大学出版社。

随后，通过二维阵列的扫描读取，电荷会沿着依次转移，一行中每一颗像素上的电荷按照扫描时序传递到传感器边缘的放大器中，这就将电荷转化为了电信号，完成了从光信号到电信号的转换与输出。

图源：《CCD/CMOS图像传感器基础与应用》，科学出版社。

02

CCD相比于手机和相机，有什么优点和缺点？

与CCD不同，我们今天使用的手机、相机普遍使用的则是CMOS图像传感器。CMOS的全称是“互补性氧化金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）”，其感光的基本原理同样是半导体的光电效应，但在对电荷的处理和读取上与CCD略有不同。

CMOS是集成技术提高的产物，它的每个光电二极管都有相对应的放大电路，已经将每个像素的信号电荷直接转化为电信号，因此无需逐个像素进行电荷读取，而获得更加稳定清晰的电信号。

图源：2005年8月《PHOTONICS SPECTRA》杂志，Laurin 出版公司。

CMOS的优势

1.更高的集成度和更低的制造成本。CMOS能集成放大器、降噪电路、数字信号处理器等组件，减少了生产步骤和产品的复杂度，这能够降低生产成本。

2.良品率高，不易损坏。由于CCD需要沿着一行中的每一个像素读取信号电荷，因此一个像素点的电荷错误将导致整行像素点失真而造成图像失真。而CMOS则不会出现这一问题。

3.功耗更低，更省电。CCD需要通过施加较高的电压来完成电荷积累、电荷暂存和扫描读取的过程，这个过程很容易受到干扰而造成像素失真。而CMOS每个像素均已形成像素电信号，省略了这一过程。此外，CMOS的高集成度也有助于节能。——今天的相机相比于老式数码相机续航更久，也与这一原因有关。

4.读取速度更快。CMOS工作方式简单、集成度高、可以实现像素并行输出信号，这使得它的速度更快，在拍摄高帧率视频和连拍时比CCD更具优势。

5.没有“纵向涂片”效应。当CCD的某个像素接收到过强的光线时，溢出的电荷会干扰到一整行像素的成像，并在最终的照片里出现一整条纵向的白线。CMOS的像素因其独立性能很好地抑制这一效应。

图源：《数码相机中的图像传感器和信号处理》，清华大学出版社。

CCD的优势

虽然CMOS因其种种优点而受到了厂商的青睐，但CCD也有许多独特的优点。

1.感光面积更大。CCD无需在每个像素周围集成放大器和数模转换电路，因此开口率更高，相对而言感光面积更大。

2.成像一致性和均匀度更好。CCD对一行像素进行整体放大和输出，因此均匀度更好，噪声更低。

3.避免果冻效应。CCD能更轻松地实现全局快门，而CMOS则普遍通过逐行扫描来成像，后者在拍摄高速运动的物体时容易产生果冻效应。

图源：《数码相机中的图像传感器和信号处理》，清华大学出版社。

既然各有优劣，为何CCD相机纷纷停产？

除了CMOS的成本优势导致厂商对它更为青睐之外，技术的发展也在不断解决CMOS的缺陷。

如背照式CMOS技术能够将电路置于光电二极管的背面，大幅提高了开口率，提升了整体感光面积，让CMOS的暗光成像质量显著增强。近期出现的双层晶体管技术也能提升动态范围，抑制暗光下的图像噪点。

堆栈式CMOS技术能分离像素部分和电路部分，让图像传感器在维持高性能的同时进一步缩小体积，从而提升手机、小型数码相机的成像质量。

那么，随着CMOS技术的进步和迭代，随着手机和小型数码相机拍摄性能的提升，CCD相机的确已经被淘汰、成为过时产品了吗？

03

“智商税”，还是出片神器？

的确，随着技术的发展，老式CCD数码相机在分辨率、动态范围、暗光拍摄和视频录制等方面均已落后于今天的相机甚至是智能手机。那么CCD就是“智商税”了吗？

其实，人们对CCD的钟情并不来自于技术层面的因素。在今天，我们并不缺少清晰锐利的拍摄设备，也不缺少美颜算法与各种风格化滤镜。但是，摄影不仅是一门技术，也是记录和表达，我们需要的不仅仅是“清晰”而已。

CCD相机正为我们提供了一个别样的选择。它像素不高，所以自带“磨皮”和“柔光”效果；它成像不够锐利，所以总透露着朦胧的质感。但它又与美颜相机和修图软件的人为修饰截然不同，它的风格恰恰源自技术和时代局限。它随拍随得，是真实的，并且是一种“不完美的真实感”。

或许正因如此，CCD相机这种朴素、真实却又朦胧的氛围感，才被人怀念。

审核专家：周洪直

北京工业大学物理与光电工程学院高级实验师，硕士生导师

来源：数字北京科学中心

编辑：凉渐

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