看dxo上有这么一段话，没太看懂他说的例外。

"Dynamic range should decrease with ISO Sensitivity."

Overall, this statement is correct, but for some fairly complex reasons, there are some exceptions to the rule.

Dynamic range (DR) is the ratio between the highest and the lowest luminance that the sensor can handle, or equivalently, the highest and lowest gray levels. The lowest gray level considered is that for which SNR=0dB.

Why can DR be stationary with ISO at low values? For some sensors, the noise in dark shadows is dominated by conversion noise and is mostly independent from low ISO settings. Therefore, the lowest gray level such that SNR=0dB is also independent from ISO. That is why, for instance for Canon cameras, DR at ISO 100 and 200 are often pretty close. For higher ISO values, photonic noise takes the lead again, and predictably, DR loses 1bit.

Why can DR even increase from ISO 100 to ISO 200? If we examine the other end of the scale, highlights, we see that the upper bound is fixed by sensor saturation. There are two possible limiting factors:

1. The capacity of the pixel well (the number of electrons)

2. The digital A/D conversion (12- or 14-bit).

Usually saturation is attained via digital A/D conversion, and the saturation value on the sensor is 4095 or 16383 (or close). However, for a few sensors at very low ISO, the electron well saturates before the digital converter. Therefore, for low ISO, the highest gray level is lower than can be expected. If this effect cumulates with the noise in the shadows as described previously, then for these sensors, DR can actually be lower for lower ISOs!

※※※※上述对图像噪声的分类和定义以及关于数码相机噪声问题的分析比较概括，还可以做更深入的分析和探讨。以下观点有些源自于其它资料，有些是我根据包括※※※※以及其它资料做出的推论，引用的观点我会注明出处，没有注明的是我的推论，欢迎批评指正。

实际上，数码相机的图像噪声还可以按照噪声来源分为两类，即数码相机本身的噪声以及来源于数码相机外部，在拍摄时产生的噪声。

数码相机本身的噪声一般是指数码相机的本底噪声，对应的英文单词有：Noise floor，Noise level，Noise background等。按照※※※※上述有关图像噪声的定义，放大器噪声（包括电容噪声）、由像素坏点、模数转换器错误以及在传输过程中的比特错误产生的盐和胡椒噪声、散粒噪声中的暗散粒噪声或暗电流散粒噪声、量化噪声等都属于数码相机的本底噪声。

按照Clark的说法，读出噪声可视为数码相机的本底噪声（Read noise is expressed in electrons, and represents a noise floor for low signal detection）。Clark认为：本底噪声是传感器噪声、模数转换限制以及放大器噪声的组合。这三个参数在评估数码相机的时候不能分开并且通常被称为读出噪声（The noise floor is a combination of the sensor read noise, analog-to-digital conversion limitations, and amplifier noise. These three parameters can not be separated when evaluating digital cameras, and is generally called the read noise）。显然，Clark所说的放大器噪声不是指传感器像素中的放大器产生的噪声（这部分噪声被他归入了传感器噪声），而是指传感器之外包括ISO放大器在内的其它放大器带来的噪声。也许Clark认为ADC的量化噪声可忽略不计，所以只说了模数转换器的限制（12位或14位），没有提到量化噪声的问题。
http://www_clarkvision_com/imagedetail/digital.sensor.performance.summary/

源于数码相机外部，在拍摄时产生的噪声也有两类：一类与镜头、微透镜以及各类滤镜有关，包括镜头的分辨率、像差、色差、衍射、反射等带来的噪声。一般情况下，传感器的分辨率越高（像素密度越高），镜头质量越差，这类噪声出现的概率也越大。但为了简化问题，在下面的讨论中我们假定数码相机使用的是一个具有无限分辨率、没有像差、色差、衍射、反射等问题的理想镜头。像素的微透镜和各类滤镜也具有同样性质。因此，可以认为由此产生的噪声在讨论中不存在。

另一类数码相机外部产生的噪声一般是指※※※※在图像噪声中定义的光子散粒噪声（photon shot noise），简称光子噪声（photon noise）。这类噪声是由于光子到达传感器的数量在时间和空间上具有随机性而产生的。一般认为，光子噪声是光子数量的平方根（见下图）。Clark在其网页中也认为：由于光子到达的时间是随机的，所以在光子的物理计数上，信号中的噪声是光子数量的平方根，服从泊松分布（In the physics of photon counting, the noise in the signal is equal to the square root of the number of photons counted because photon arrival times are random. The reason for this dependence is Poisson Statistics）。

Clark还认为，数码相机的噪声模型是：

N = (P + r2 + t2)1/2

式中N是以电子为单位的总的噪声，P是光子的数量，r是以电子为单位的读出噪声，t是以电子为单位的热噪声。
http://www_clarkvision_com/imagedetail/digital.sensor.performance.summary/

我认同以上观点。可以看出，数码相机的噪声主要由两部分构成：1、相机的本底噪声；2、光子噪声。而光子噪声是光子数量的函数（平方根），传感器接收的光子越多，光子噪声也越多，没有接受到光子（如全黑状态），光子噪声为零，只有本底噪声存在。但光子噪声的增长速度没有光子数量（信号）增长得快。所以，光子噪声不会降低信噪比，反而会增加信噪比，因为信号（光子数量）是光子噪声的平方。这也是一般认可的观点，如下图所示：

[法无定法 编辑于 2010-02-07 16:24]

老大，人家说得非常清楚，是“同等条件下.......”，本身就涵盖了技术进步条件的

这个说法有点片面,也是用静止的眼光看待高速发展的电子科技,未来的制约,未必在于后端感应,而在于前段镜头.

中国摄影二月刊已经对关于高像素和大像素给出了明确的答案。 著名数字图像专家：钱元凯先生同意如下观点：
同等条件下，高像素的相机除了可以进行更大尺寸的输出外，没有其他任何好处；相反，像素越高带来的负面影响越大。

像素高低要因需索求，切莫贪大求多。

[老城巷子 编辑于 2010-02-05 18:39]

有源像素传感器（Active pixel sensor）

有源像素传感器（APS），是一种集成电路包含了像素传感器阵列的图像传感器，每个像素包含了一个光电二极管和一个有源放大器。包括用于手机、web摄像头以及一些DSLR的CMOS-APS在内的有源像素传感器有多种类型。这类图像传感器通过CMOS制程来生产（因此也被称为CMOS传感器），并且已经成为电荷耦合器件（CCD）图像传感器的替代品。

※※

术语有源像素传感器是在奥林巴斯公司从事电荷调制装置有源像素传感器方面工作的中村勉（Tsutomu Nakamura）创造的，更明确的定义是由埃瑞克.佛休姆（Eric Fossum）在其1993年的论文中给出。

图像传感器单元有在像素中的放大器是诺博尔(Peter J. W. Noble)在1968年，维迈尔等人（P. K. Weimer, W. S. Pike, G. Sadasiv, F. V. Shallcross, and L. Meray-Horvath ）在1969年描述的。维迈尔等人其时正在调查被动式像素传感器（passive-pixel sensors）——即像素传感器没有其自己的放大器——是否可成为真空管图像装置的替代品。MOS被动式像素传感器只是在像素中使用了一个简单的开关读出光电二极管集成的电荷。像素按照二维结构组成阵列，每行像素共享存取使能线，每列共享输出线。每列的末端是一个放大器。被动式像素传感器存在许多限制，例如高噪声、读取慢并且缺乏可扩展性。通过在每个像素中增加一个放大器来解决这些问题，导致了有源像素传感器的创新。诺博尔（Noble）在1968年，张伯伦（Chamberlain）在1969年创建了每个像素均含有源MOS读出放大器的传感器阵列。1970年贝尔实验室发明CCD。由于MOS制程很难控制并且MOS晶体管的特性随时间而改变（电压随时间变化），而CCD的电荷域操作更容易制造， MOS被动式和有源像素传感器很快就黯然失色。一个低分辨率且“主要为数字”、有内部像素放大器、应用于光学鼠标的nMOS成像器在1981年被演示。

另一种类型的有源像素传感器是用于红外线谱的混合红外焦平面阵列（IRFPA)，设计成在低温下操作。这种装置有两片像三明治一样放在一起的芯片：一片芯片包含了用铟镓砷或碲镉汞制造的检测器单元，另一片芯片是用硅制造用于读出的光电探测器。这类装置源头的准确日期是保密的，但在1980年代中期得到广泛的应用。

80年代后期至90年代早期，CMOS制程与控制稳定性进程共同建立起来并且成为几乎所有逻辑和微处理器的基准制程。用于低端图像应用的被动式像素传感器和用于低分辨率高性能应用例如视网膜仿真的有源像素传感器开始复苏。但CCD继续有着很低的瞬时噪声和固定模式噪声并且是消费类应用例如摄像机以及广播级摄影机采用的主要技术，全面取代了视频摄像管。

埃瑞克.佛休姆（Eric Fossum）等人发明了使用内部像素电荷转移器以及在像素内的放大器和真正的相关双采样（CDS）电路，并且有较低的瞬时噪声操作和在片上的电路用于减少模式噪声。并且出版了第一篇影响深远的文章，预言APS成像器将成为CCD在商业上的接替者。在1993年到1995年期间，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）开发了一系列原型装置，验证了技术上的关键性能。虽然原始，但这些装置示范了在高读出速度及低功耗的情况下获得好的图像性能。

1995年，来自于JPL（喷气推进实验室）的人员成立了Photobit公司，继续开发和商业化APS技术用于不同的应用，如web摄像头、高速和运动捕获摄像机、数字放射摄影、内窥（丸）摄像机、DSLR、当然还有照相手机等等。许多小的图像传感器公司开始发展起来，使得CMOS制程被广泛接受并且迅速推动了有源像素传感器的应用。

与CCD的比较

APS像素解决了被动式像素传感器的速度和扩展性问题。其功耗远远少于CCD，图像延迟更少，能够在更便宜也更通用的生产线上组装。与CCD不同，APS传感器能够组合图像传感器功能和图像处理器功能在同一个集成电路中。

APS传感器已经成为许多消费类应用选择的技术，最显著的是迅速成长的移动电话摄影机市场。无论如何，APS图像传感器已经在摄影和成像领域获得了长足的进展。包括数字放射照相、军用超高速图像采集、高分辨‘智能’安全摄像机、光学鼠标以及许多其它消费应用。

相当数量的半导体厂商提供各种类型的APS传感器。包括Aptina Imaging （从 Micron Technology剥离的半独立公司，其在2001年收购了Photobit公司）、三星、STMicroelectronics、Toshiba、OmniVision Technologies、Sony和 Foveon以及其它的公司。

像素

今天标准的CMOS APS像素由一个光电二极管以及转移门管、复位门管、选通门管和源跟随器读出管等4个晶体管组成，因此被称为4T（4晶体管）单元。

JFET光电二极管或pinned光电二极管最初用在行间转移CCD上是因为其暗电流较低并且对蓝色响应较好。当连接到转移门管时，允许消除从光电探测器完全转移电荷时的滞后。像素内部使用电荷转移门管以及采用相关双采样技术能够获得较低的噪声。

诺博尔（Noble）3T像素由于其制造容易仍然经常使用。一个晶体管Mrst如同一个开关复位这个装置。当这个晶体管导通，光电二极管有效的连接到电源Vrst，清除全部积累的电荷。由于此复位晶体管是N型，像素的工作方式是软复位。

第二个晶体管Msf如同一个缓冲器（确切地说，是源跟随器），放大器允许在不移出积累电荷的情况下测量像素的电压。其电源VDD通常是与复位晶体管连在一起的。

第三个晶体管Msel是行选择晶体管。是一个允许像素阵列的行选通信号在读出像素电子时接通的开关。其它像素的创新如5T和6T像素也存在。通过增加额外的晶体管，诸如整体快门，而不是常见的卷帘快门，也是可能的。
http://en.※※※※※※※※※.org/wiki/Active-pixel_sensor

前面给出的CCD的工作原理图中有一个问题，就是没有标出放大器的位置，无法与CMOS传感器作比较。从DALSA公司的Dave Litwiller写的CCD vs CMOS一文中找了一张图来说明这个问题。如下图所示，CCD阵列的所有像素通过前面所述的电荷转移模式将每个像素的电荷输出到传感器外面分别进行电子—电压转换、放大后再做模数转换。而CMOS-APS传感器是在每一个像素内进行电子-电压转换以及放大。换句话说就是CCD一般只有一个电子-电压转换电路和放大电路，而CMOS-APS则是每一个像素都有一个电子-电压转换以及放大器，这一点是CCD与CMOS最大的区别。

可见，除了微透镜覆盖率之外，CCD还有一个填充系数，即CCD的光电二极管感光面积/像素的几何面积。光电二极管感光面积之外的面积是用于存储和转移电荷用的势阱面积。实际上，每个CCD像素之间还留有一定的非激活面积（即Clark所说的死空间），这部分面积是用来防止在感光时电荷溢出或像素之间相互隔绝用的，是一个定值。在Clark给出的理论模型中，2008年12月以前，对APS-C以上面积的传感器是1微米，在此之后为0.5微米。也就是说，实际的激活面积要从像素的边长中先减去0.5微米。

虽然上面说得是CCD，但对CMOS传感器也存在同样的问题，即CMOS传感器的每个像素面积同样分为三部分：光电二极管的受光面积、存储电荷的势阱面积以及用于防止溢出和隔离用的死空间。具体的图例会在讨论CMOS像素的时候再给出。

[法无定法 编辑于 2010-02-04 17:06]

CCD分为两种，一种是全帧转移CCD（FULL FRAME TRANSFER CCD），另外一种是行间转移CCD（INTERLINE TRANSFER CCD）。

典型的消费级的数码相机，用的一般都是行间转移CCD。它的结构如下图。在一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，多少行多少列。行数乘以列数就是这个CCD的象素数量。每个象素单元中（左下角的小图），有大约30％的面积用来制造光电二极管（红色部分）。在剩余的可用面积中，会放置一个SHIFT REGISTER（紫色部分，转移寄存器）。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个SHIFT REGISTER中并保持住。这是一个模似量。

[法无定法 编辑于 2010-02-04 16:27]

CCD的第一项工作是一个8bit的移位寄存器。当CCD作为一种存储装置开始其生命的时候，只能通过输入寄存器将电荷“注射”到这个装置中。不过，很快就发现CCD能够借助于光电效应积累电荷并且可以建立电子图像。到了1971年，贝尔实验室的研究人员米切尔.F.汤普斯特（ Michael F. Tompsett ）等人已经能够用简单的线性装置捕获图像，CCD图像装置由此而诞生。

有数家公司，包括仙童半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）等接手这项发明并进行发展规划。在前贝尔实验室的研究人员阿米利欧（Gil Amelio）的领导下，仙童公司通过努力在1974年有了一个500单元的线阵装置和一个2维100X100像素的装置。

在岩间和夫（Kazuo Iwama）的领导下，索尼公司对CCD的研发投入了大量的资金（十年投入200亿日元），在全公司的支援下，开发团队克服重重困难，终于在1978年3月制造出了被人认为“不可能的”、在一片电路板上装有11万个元件的集成块。以后，又花了2年的岁月去提高图像质量，终于造出了世界上第一个CCD彩色摄像机。在这个基础上再改进，首次实现了CCD摄像机的商品化。当时，CCD的成品率非常低，每100个里面才有一个合格的，生产线全开工运转一周也只能生产一块。有人开玩笑说：这哪里是合格率，这简直就是发生率！索尼接到全日空13台CCD摄像机的订单，其中用的CCD集成块的生产足足花了一年。

1980年1月，升任社长的岩间又给了开发团队新的目标：“开发使用CCD技术的录像录音一体化的摄像机”。又是苦斗，经过了公布样品、统一规格、CCD摄像机开发团队和普通摄像机开发团队的携手大奋战，1985年终于诞生了第一部8毫米摄像机“CCD-V8”。从开始着手CCD的研究，直到生产出第一台8毫米CCD摄像机，已经经历了15年的岁月了。而此时岩间已经去世三年了。岩间和夫因癌症于1982年8月去世，一片CCD芯片摆放在他的墓碑上以表彰他对CCD所做出的贡献。

你的推理有道理，无可辩驳。答案只有一个，这不是积分型的ADC， 更不是双积分型的。这是一种最简单的类型，叫作斜坡电压比较型（ramp-compare）ADC。
只是多了一点自动零点校正的过程。

[imareal 编辑于 2010-02-04 14:17]

1、a900的CMOS上用的是不是这个A/D？我只能说我不知道，我知道的是SONY资料中给出的时序图表明这个ADC是积分型的，SONY的资料里没有说这张时序图说明的ADC是用在什么相机上。因此，50微秒之类的问题你只能去问索尼公司了。

2、“双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间”这句话是我引用的教科书中说的，你可以在网上找得到，至于是否正确或者原来是正确的而现在已经过时我不知道，因为我不是搞ADC设计的。我在主贴中已经说明，如果是从教科书之类的文献中引用的观点或概念我不会特别注明，除非是有争议或是我自己的观点我才会特别注明并放在待讨论的观点部分。据我所知，对“双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间”这个观点似乎并没有人提出异议，即便有异议也不是本主题要讨论的问题。

3、SONY的资料和时序图中没有说这个ADC是多少位的，所以这类问题我也不可能回答你，你可以直接询问SONY公司。本主题并非讨论ADC，我更不是这方面的专家，所以在回答完你的这些问题后，我不会再回复任何有关SONY这个ADC的问题。

不知道鱼兄想要说明什么？是要告诉我CDS是做什么的吗？这话您最好还是对某位坚持是ADC而不是CDS是降噪电路的仁兄去说这些话吧。我会在讨论降噪问题的时候专门说CDS的问题，如果那时鱼兄还有关于CDS的高见要发表，也欢迎指教。

[法无定法 编辑于 2010-02-02 23:43]

再给楼主一点基本概念。
楼主努力的讨论像点对光的转换问题，但楼主即使在我前贴已经提醒的情况下，还不清楚的一点是，每个像点后面的处理部分并非理想，而是完全另外一种情况，一种对于每个设计高性能信号采集和处理系统的工程师来说，简直噩梦一样的工作环境，CMOS并不是只有一个像点，后面直接连接一个处理器，这些从像点里出来的信号，要和从无数个像点上连接出来的无数条数字控制信号和同样是交变着的若干模拟信号一同穿过整片芯片输出到外面去，这个信号要受到大量的其他信号的干扰，当传到外面之后，已经不再是楼主这里讨论的多少光子多少电子的情况了，这不是实验室，这是一个拥有无数微小传感器和大量的连接在这些传感器上的控制线和数据线的大系统，当这个系统工作的时候，上面将产生大量的干扰，如何把这些干扰抑制到最低，从而得到最高的信噪比，才是CMOS传感器设计的关键。

说一句,希望楼主谦虚一些才好。
一点，CMOS传感器，由于设计结构，和CCD相比，其自身是一个噪声非常大的系统，噪声主要来自传输在分布在整个传感器上面的布线上的模拟数据和数字控制信号，抑制和消除这部分噪声，是CMOS提高信噪比的核心工作。
我不知道楼主是什么技术背景，也没有耐心去看这一大楼的东西，但从楼主的开篇论，和楼主不知道CMOS的基本结构上，可以看出，楼主还是有很多基本的概念需要去学习，在不知道CMOS传感器的系统结构之前，奢谈CMOS的信噪比，谈论传感器的画质，有意义么？
楼主称别人是学生，自己有何尝不是个学生，怎么可以用这样的口气评论别的网友，不合适。