近来坛子里闹Full Frame CCD讨论的热烈，那么咱们也来聊聊这个问题。由于本人的专业也不是电子方面的，下面的内容也都是这两天在网上看到的，所以难免出错，万望大家包涵，同时欢迎行业人士和有兴趣的泡菜一同讨论，三人行，必有我师，抱着谦虚谨慎的态度，我想大家都会从中得益。
言归正题，先来看看Kodak关于CCD技术的一些简介
http://www_kodak_com/global/en/service/professional/tib/tib4131.jhtml?id=0.1.14.34.5.10&lc=en
上世纪60年代贝尔实验室发明CCD(charge-coupled device)以来，经过几十年的发展已日渐成熟，并在当今数字影响领域占据着主导地位，市面上八成以上的数码相机均采用CCD作为感光元件，可谓风光无限。
CCD的种类主要有以下几种：
1 Area Arrays （怎么翻译？面阵？）
这种CCD可以在一次曝光中以任意快门速度捕捉动体，创建二维的影像，主要应用在高阶数码相机、保安监视器和摄录像机等。
2 Linear Arrays （哈哈，这个知道，线性CCD）
排成一排的像素构成，以扫描方式获取图像，为了分别得到红绿蓝三种颜色的信息，需要扫描三次，每次对应一种颜色。用途当然很明显了，扫描仪复印机之类的对付静态图像的场合，是它的用武之地。
3 Tri-Linear Sensor （高级了，三线了）
看名字就知道了，这是三线CCD了，想想也能明白了，就是排成三排的像素，每一排对应一种颜色（红绿蓝），不用扫描三次了哈。不过这种高级玩意还可以用在高端的数码相机上，以扫描方式工作的数码相机？对啊，影棚里那些商业静物广告的片子上，以这种大型相机加扫描式数码后背还是很合适的。这种高级sensor能得到很高的分辨率和色域。
4 Interline Transfer （终于到了我们常用的了）
按名字翻译过来应该叫隔行传输式，市面上大部分消费级别数码相机都采用这种CCD，其构造如图：每行感光元件之间还设计了一行移位寄存器（shift register），感光元件感光后将产生的电子转移到移位寄存器中，然后再逐次逐行的读出，然后再将电荷转换成电压信号，再经过放大，数模转换，才成为数字信息。这种感光元件的好处在于曝光和数据的读出可以同时进行，因而反应速度较快，连拍能力强（可以达到15fps的动画连拍能力），同时这种结构可以方便的采用软件控制的电子快门方式工作，不需要机械快门。但是由于有不能感光的移位寄存器的存在，也就减少了整个感光元件的有效感光面积（大概每个像素实际的感光面积只有这个像素总面积的30%左右），因而导致了此类感光元件动态范围的减小。
5 Full Frame （全帧）
这种CCD元件感光范围内没有移位寄存器，因而单位像素上的感光二极管也就可以做得更大，因而也就得到更好的动态范围，噪声表现和分辨率。全帧CCD感光元件本身就相当于一个并行的移位寄存器，同时还有一个串行的移位寄存器用于将CCD上的信号读出，再经过荷压传换，放大，数模转换，最后得到数字信息。正所谓针无两头利，由于没有用于暂时存储感光信息的寄存器，所有信息必须保留在感光元件本身，所以采用这种CCD的数码相机需要借助机械快门，控制曝光量，因而连拍速度也必然降低（想想E-1的3fps和E-300的2.5fps）。
全帧CCD的优点决定了它主要应用于顶级数码机背上。
6 Full Transfer （全传）
这种CCD综合了Full Frame和Interline Transfer的特点，直接在器件上划出了两个区域，一个区域用于感光，采用了Full Frame的结构，而另一个区域则成为寄存器，一旦感光结束，数据可以迅速的转移到寄存器中，而感光元件本身则可以继续拍照。这样既保证了感光元件上单位像素的感光面积，也保证了拍摄速度。FT CCD主要由Philips公司开发，后转让给Sanyo发展成为VPMIX技术，Sanyo对此技术的改造非常成功，使其兼备了静态画面和动画连拍能力，连拍能力可达30fps，可说有很大应用前景。

[geforcemx 编辑于 2005-05-26 10:22]

up

谢谢链接, 不过他的有些结论比较"特别"..
他竟然推算出S60的“possible dynamic range”有10.7 stops，
如果这样，胶片真的不用玩乐。以前看到的一些提法说不同的胶片
一般有9-10stops的动态范围。关于“full well eletrons”的算法
也值得探讨一下。

不知道他为什莫没有给出20D的数值，估计应该有12.1+。觉得这些
可能和实际值可能有不小的区别。dpreview认为20D 大约有8.0+ EV的
动态范围。

有一个好消息是dpreview 开始测试一些DSLR的dynamic range了，
刚在S3Pro的测试中看到：
http://www_dpreview_com/reviews/fujifilms3pro/page18.asp



他的测试方法看上去很不错，希望以后每个DSLR都测试一下。。

[Raymond 编辑于 2005-05-27 00:58]

先转一段别的地方看到的文章。

CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。D30有专门的回路控制暗电流，在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作，可以从很大程度上降低噪点的产生。

CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

我们通过INTERNET查看了大量由CANON EOS D30所拍摄的照片，发现CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信CMOS是未来数码相机的发展方向。

谈谈我自己的看法：

现在sony已经实现cmos量产， 而且据传闻英特尔，摩托罗拉，朗讯等也有意进入cmos市场。事实上,cmos基本就是芯片。只是多了感光特性而已。

ccd与cmos不同之处在于：ccd是整行数据挨个读取，同时放大。 cmos是所有数据同时放大再同时读取。所以电子数量我想很可能是放大后的结果。不足为奇。
问题在于很多人质疑佳能低噪声的实现。事实上我感觉cmos的技术特点决定了，需要解决电流频繁变化发热产生的噪声， 而反过来， 这一噪声因素的降低又可以使信号的电平更低，从而实现更低的能耗。我们都知道电脑芯片的发展， 一方面集成度提高， 一方面强调能耗更低， 比如很多mobile产品， 而且cmos就是一种主板内存芯片（别砸我，不信你看看你的主板，都有cmos的，原理基本相同的，材料都差不多，只不过数码相机的cmos的半导体元件具有对不同波长光的感应特性而已），所以做到降低能耗的技术并不难。 当能耗降低后， 电流的热作用减少，干扰电信号也变弱，这又反过来促进了更低的信号读取安全值， 从而进一步降低热副作用。 所以，cmos完全有可能做到低噪声输出的，而不是一定要造成比ccd更大的信号损失。
其实佳能可以算得上走了很讨巧的一步。由于其技术的高相似，佳能完全可以直接借鉴电脑芯片技术的发展。 花的代价要远远小于其他ccd制造厂商，而效果惊人。

但是cmos不是没有缺点的。 cmos的单个感光元件比同面积同像素的ccd要来得小，更不用说比同面积低像素的ccd了。 但是aps的尺寸相对于4/3的尺寸， 感光元件尺寸也就是大家彼此彼此了。我猜测这也是佳能、尼康等厂商为什么对奥林巴斯的4/3系统态度模棱两可的原因。 他们不会放弃目前的尺寸的， 但是否定4/3， 也就是否定自己，更不用说各家都还有自己的小尺寸数码dc了。
虽然尼康目前没有800万像素的cmos产品， 但是相信既然sony已经开始启动cmos，尼康终究会在入门级与中级采用的。只是时间和像素大小的问题。时间不会太久。所以如果明年，尼康入门单反相机的像素和噪声性能超过佳能， 我丝毫也不会感到意外。但是奥林巴斯的4/3系统， 请原谅， 我绝对不看好其前景，即便有松下的加盟。原因就是继续提高像素对4/3系统在目前的工艺水平下，已经难以保证其成像质量（尤其是高ISO表现，不要把别人都当作笨蛋， 那些小编，老编也不是被下了迷糊药才如此关注高ISO表现的)

ccd产品中值得注意的是富士的super ccd和采用了foveon x3技术的适马（我不敢确定， 呵呵， 对这个没有什么研究），这两家的产品由于独特的表现和足够大的单元尺寸， 应该还是有一定的发展空间。 而采用了cmos技术的柯达也将成为唯一对我们有意义的非日系产品。 ccd不会马上消失， 但是随着主流厂商的推进， ccd将会日益难以为继，主要还是技术开发与生产的成本都过于高昂。

另外一点就是， ccd产品一坏坏一排， 在长期使用后， 某感光元件出现故障是很正常的， 如果是cmos，只要封闭这个像素，不至于给图像造成很大伤害。 而ccd, 恐怕就难以如此轻松了。

随便说了说我的一点不专业的看法， 欢迎大家指正。

[louiswu 编辑于 2005-05-27 00:28]

[2005-05-27 00:40 补充如下]

天文爱好者当然关心。 一是捕捉微弱光线， 一是别有太多的“繁星”，一是分辨力。 正因为关注这两点，在我经济条件的许可之下，我才选择了350D。  而且恰恰是因为天文的需要，ccd才发展到了今天的地步啊！  很可笑么？

一点也不。

[2005-05-27 05:24 补充如下]

更正如下：ccd过去的发展是由于天文的需要， 但是今天已经让位于影像了。 ：）

下面那些数据都是一些天文爱好者测量的，主要是从下面这个网站得到的，当然我不能保证数据的权威性和准确性
http://clarkvision_com/imagedetail/digital.signal.to.noise/
客居南山兄
怎么说呢，由于不知道如何测量，如何得到这些数据的，我也只能抱以探讨的态度。
但就你说的技术进步不能超越材料的物理特性，我不敢肯定是否一定是正确的，因为技术进步是否可能导致材料的物理特性的进步呢？

我认为：

1。影响感光芯片输出效果的因素是很多的，技术难点也很多，饱和信号是重要的一方面，但只是一方面；
2。单就CCD的技术难点，我觉得至少有：
　a。滤色片工艺。色纯吗？透光率好吗？
　b。微透镜工艺。有色散吗？透光率好吗？聚集后的光线能有效投在感光二极管上吗？
　c。象素间干扰。防溢出通道只是最基本的手段；象素间如何隔离？电荷会互相渗透吗？
　其实以上这些问题对画质的影响是决定性的，绿色有多绿？红色有多红？说实话应该不只是饱和信号能决定的
3。CCD每个象素实际上是一个电容器，它的电容有多大？能“充电”多少？这就是饱和信号所表达的意思吧。
4。电容大自然是好事，但我想可能还有一个关键因素：电容充电时间有多短？这直接影响器件的光敏感度。不知道不同的器件之间差别大不大。

[tigerleo 编辑于 2005-05-26 15:37]

Camera (electrons) (full well)
Canon 1DMII 52,300
Canon 10D 44,200
Canon 300D 45,500
Nikon D70 42,100
Canon 20D ~50,000
-------------------------------------------------------------
如果上面数字是电子数的话，以上数据肯定有问题。
感光面积小了30%，饱和输出的电子数还会提高10%，技术进步不能超越材料的物理特性，从画质上也没有表现出来。

[客居南山 编辑于 2005-05-26 15:05]

单位像素面积小的20D的饱和信号并没有像客居南山兄预测的那样要小，反而比面积大的10D和300D要大，这说明什么？技术工艺上的进步？
再提供几个数据（当然这都不是厂家公布的数据，而是第三方测量出来的）
Read Noise (electrons)
1DMII
ISO 100:   7.5        
ISO 200:   6.1      
ISO 400:   8.9    
ISO 800:  11.3    
ISO1600:  15.4

10D
ISO 100: 15.9
ISO 200: 11.0
ISO 400: 10.6
ISO 800:  9.0    
ISO1600:  9.0

20D
ISO 400:  8.0

300D
ISO 800:  10

D70
ISO 800: 13

对不起，没看见您的大作，马上给连接过来
https://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=259030&pagenumber=4
希望能再向您学习一些

实际上，Full Frame CCD虽然性能优越，但应该看到主要是相对于Interline CCD来说（主要是低端消费级别数码相机），事实上高端数码相机的感光元件都是比较有特点的，特别是CCD和CMOS由于原理不尽相同，实际上根本得不到所谓的E1/E300与APS幅面相比那个更佳的结论。（日本公司从来不像美国公司那样公布详细的产品技术细节，所以很多资料很难查到）
转载一个简单的数据，就可以看到实际上E系列在与众多市面上销售的DSLR相比，在Full well depth以及由此带来的动态范围上并不一定占优
Camera       (electrons)  (full well)  
Canon 1DMII    52,300       
Canon 10D      44,200       
Canon 300D     45,500            
Nikon D70      42,100      
Canon 20D     ~50,000

[geforcemx 编辑于 2005-05-26 11:43]

Saturation Signal实际上就是单位像素上能够容纳的最大电子数量（可以注意到它的单位是K e-，千电子）。
在CCD工作的时候，光子打击在光电二极管上，释放出电子（负）和空洞（正），经过外界电压作用，电子转移到寄存器，然后进入QV（Electron to voltage converter，实际上是一个电容器），将电量信息转变为电压信息，然后进入放大器放大，再经过A/D数模转换成为数字信号。
而感光二极管产生的电子数量，是与光强成正比的，但是他有一个最大值，当产生的电子数量超过最大值后，将发生溢出，电子开始扩散到周围的像素，这个值又被叫做Full well depth，这个值越大，实际上容纳的电子数量越多，在后期上将关系到动态范围和信噪比。
从下面几个CCD的指标上明显可以看出，动态范围是与Saturation signal相关的。而实际上Saturation signal与单位像素的面积（Pixel size）是直接相关的，所以归根到底，就是一句用在摄影上更古不变的道理，the bigger, the better.

[geforcemx 编辑于 2005-05-26 11:26]

又有东西学了，按照这个说法，E系列的CCD确实有优势，软件上如果加强应该挺有前途。

打个记号，学习中。。。。。。

然后是E-300的

下面来看看Kodak生产的几种Full Frame CCD的指标
第一个是某款数码后背，长宽比为1:1的