原创关于单反摄影系统CCD和CMOS成像芯片.doc

★原创★关于单反摄影系统CCD和CMOS成像芯片 像素面积、像素中的有效感光面积，也就是像素的感光面积填充率感光芯片的像素除了看其像素密度外，还得看单个像素颗粒的大小。CCD芯片像素由于模拟性质，单个像素的感光区域对单个像素所占芯片面积的填充度大，而CMOS芯片的单个像素除了感光部分，周边还有电子部分，占去了一部分像素所在区域的面积。所以虽然D700CMOS单个像素所占的芯片区域面积是645的单个像素所占的芯片区域的1.6倍，但是由于CCD像素感光面积几乎占有所有该像素所占的芯片面积而CMOS像素的感光面积也许只占其所在的芯片面积的1/2，所以高像素密度的CCD单像素的感光面积也许未必比低像素密度的CMOS的小。像素大不大不是关键，看大像素中有效感光面积有多大才是关键！！！此外还要看像素对电荷的容纳能力（这个影响动态范围），不过就目前的技术而言，提高像素对电荷的容纳度，除了增大像素感光面积以外（这一点CMOS做不过CCD，对CMOS而言这样做还有损失分辨率的问题），只有延长曝光时间一途，所以无法达成弱光高速的效果关于CCD芯片高感质量不佳原因的一些猜想：假定当前CCD和CMOS使用相同的光电转换器件，在一定的条件下一定的光量转换成一定的电量的能力相当，则可能在暗光环境下，CCD像素所采集的电荷浓度不够高（由于CCD芯片内没有较多的处理电路，因此像素采集的信号可能无法进行现场放大），而且没有在像素层次上立刻转换成电压，在电荷的长途输运过程中（电荷逐列运送到芯片边缘再转换成电压），发生损耗（考虑运输造成的损耗为一定量，则电荷数越高，运输损耗越可以被忽略不计，电荷数越低，则运输损耗越明显），导致其弱光表现不佳。而CMOS由于电量在像素层次就已经转换成电压，没有长程电荷输运过程，则这种损耗就几乎可以忽略，所以CMOS在弱光信号的处理上有着显著的优势！！！此外CMOS由于没有这种电荷的长程输运过程，也具有连拍速度上的优势。CMOS光量采集能力比CCD小，但是高感却比CCD好的原因这就是为什么CMOS单个像素的采光量比CCD少得多，而弱光效果却比CCD好得多的原因（但是层次感并不因此提高，有层次，但是和长时曝光效果比，不细腻！），实际上其中并无矛盾。（因此在大光比环境，CCD的暗部细节会有一种武大郎开店效应，暗部由于这种电荷输运损耗而被均化，所以CCD应该在光比均匀，即适当延长曝光时间不至于导致高光溢出的情形下（确保暗部收集到足够能克服电荷输运损耗影响的电荷），才能确保画面的品质均匀，暗部可分辨，而CCD的种种特点，又是不利于弱光的，因此一定程度上看，目前CCD在高速弱光性能（也就是高感）上，基本上可以说是被判了无期徒刑，“黯无天日”，“黯然销魂”，只能等新发明来特赦这个坐了高感（就弱光高速而言）大牢的诺贝尔奖的成果了）对CCD动态范围比CMOS的大的理解是CCD的感光像素，由于感光面积比CMOS大许多，电荷容纳体积比CMOS大（如果像素厚度一样的话，其实CMOS的应该要比CCD的小）等一系列原因，因此对电荷的容纳量也大许多。换言之，CCD的大动态范围的优势，只有在充分感光的前提下才能形成——这个也是对弱光高速，也就是“高感”的一个不利消息！所以尼康别扭地被大象素CMOS挡在这里迟迟无法前进，可能是有不得已的苦衷的，而就CMOS而言，像素颗粒一旦变小，如果像素厚度不变的话，电荷容纳区间变小（因此动态范围变小），感光时间要求延长（如果还要确保足够动态范围的话，如果像素变厚的话，也就是损失弱光高速能力），要达成这方面的突破，应该是需要一些特殊技术的，可能尼康在这方面尚未能突破。关于CCD出片的细节比CMOS出片细节好许多的新的理解此前本人关于这个有一种理解，即认为其采样拟合过程的差别导致这种现象，但是，这只是一种可能的因素，而且，随者阅历的增长，发现虽然有这种可能性，但是实际上很少有厂家在机身层次实现这种过程。现在给出一种新的理解：首先前提是光线充足，也就是CCD采光充分，同时现场光比小，电荷输运损失不显著。考虑电荷输运过程中电荷损失量一定，则输出结果将很好保持被摄场景大光线强弱层次。而等尺寸的CMOS像素，和等尺寸的CCD像素比（CMOS的感光面积对整个像素面积的填充率比CCD小很多），由于对电荷的容纳能力低，所以除了因此导致此时动态范围不够以外，而且对光线强弱层次的区分能力也要比CCD差很多（例如你用5个数字区刻画层次区别和10个数字刻画的当然分辨层次的能力要少一倍，这个和分辨率是一个道理，分辨率再高，层次刻画能力低，实际上一定情形下也于事无补，也不利于刻画细节！这就是为什么可区分的动态范围和像素密度一样重要（有的系统虽然能记录最强光和最弱光，但是由于光容纳量-电荷容纳量不够，在这个范围内无法区分出细腻的层次——