很是可貴的 CMOS sensor 工做原理的深刻技術科普

關於大像素和高像素（高像素密度）的爭論從D70和350D時代就開始了，到了D700和5D2的時代不只沒有爭論出正確的結論，反而得出了一個似是而非的結果：高像素好。包括一些號稱專業的網站在D3s發佈後認爲D3s沒有大的改進，其理由就是像素沒有提升。

特別是某些佳能的FANS更是堅信高像素比大像素好，由於佳能單反相機的像素數量在D3X出現以前一直領先於尼康的單反相機。起先是350D的800萬像素對D70的600萬像素，如今是5D2的2100萬像素對D700的1200萬像素，所以，佳能的技術要領先尼康，高像素傳感器要比大像素傳感器的性能好。

他們卻沒有想到，若是傳感器的尺寸相同或相近，像素的數量越多，表示像素的密度越高。所以，350D的像素密度高於D70，5D2的像素密度也高於D700。覺得5D2的像素比D700多就說明5D2比D700性能優異、技術先進實際上就等因而認爲像素的密度越高、傳感器的性能就越好，技術也就越先進。

然而，他們忽視的一個事實是，若是傳感器的像素密度高就表明性能先進、技術領先的話，那麼早在D2X時代尼康的技術就領先佳能了，由於D2X的像素密度不只遠超過同代的1DsMKII和5D，並且超過如今的D3X，更不用說1DsMKIII和5D2了。他們也沒法解釋的另外一個事實是，目前像素密度最高的是一些小DC，那麼是否能夠據此認爲這些小DC的傳感器就表明了目前的最高技術水平？因此，僅看像素密度這一項指標是沒法評價傳感器性能的，更沒法證實廠家的技術水平高低。

若是說在D3出現以前，廠家發佈的數據只有像素的數量纔是衡量相同畫幅數碼相機性能的惟一指標的話，那麼，D3的出現完全改變了這一點。不只像素的數量和密度是衡量性能的指標，可以設置到多高ISO也成了衡量數碼相機的重要指標。D3在市場上的成功使得佳能也開始在提升ISO上下功夫，從而使得技術的競爭不可是像素數量的提升，還必須包括ISO的提升。而ISO的提升與像素數量的提升在同一時期、一樣技術水平、一樣畫幅尺寸的狀況下從原理上來說是不可兼得的。要提升ISO，必需要加大像素面積，而在一樣畫幅下增長像素面積勢必下降像素的數量，反之亦然。廠家必需要根據本身對市場的判斷來決定推向市場的產品是大像素高ISO呢，仍是高像素低ISO？

對消費者來講，廠家推出側重點不一樣的產品是好事，能夠根據本身的狀況和須要來做出選擇。好比主要以燈光攝影爲主的影室或攝影棚的用戶，D3X和1DsMKIII是不二之選，其分辨率很高且在低ISO時的寬容度也很好。而記者或相似的用戶能夠考慮D3s或1DMKIV，能夠在高ISO下得到滿意的圖像。選擇D700仍是5D2也相似，能夠或喜歡在光線比較好、有要出高分辨率圖像的用戶，好比人像攝影和光線好才拍片的用戶能夠選擇5D2，而紀實攝影（包括生活照）和喜歡暗光攝影的用戶選D700，並非一味的要追求高像素。一樣畫幅的高像素傳感器和大像素傳感器實際上是各有優劣，取決於拍攝者的用途而已。

開貼的目的是想從原理上來探討這一點。由於原理是通用的。對任何廠家都適用，就像牛頓定律同樣，不管是豐田生產的汽車仍是本田生產的汽車都不可能違背。而科學原理是客觀的，不像評價照片的好壞那樣要經過評選來決定。因此，本貼只限於從原理上來探討大像素與高像素的優劣，不討論其它問題。既然是從科學原理上來討論，那麼就不是搞調查，更不是搞評選，不以人多爲勝，而是以是否符合科學原理和邏輯，能不能經得起事實和實踐的驗證爲依據。因此，但願發表觀點的同窗本着上述原則來展開討論。


爲了不門戶之爭，以尼康自家的D3和D3x爲例來講明這個問題。

咱們知道，D3的有效像素爲1210萬，而D3X是2450萬，後者的像素爲前者的兩倍多。D3的最大分辨率爲4,256x2,832，D3X爲6,048x4,032，取水平方向計算爲(6048-4256)/4256X100 = 42%，從分辨率這項指標看D3x比D3要高出42%。因此，高像素傳感器的優點是分辨率獲得提高，但像素增長爲原來的4倍才能使分辨率提高一倍。

D3的像素數量雖然比D3X少了不止一倍，但單個像素的面積卻大了不止一倍。特別是CMOS器件可感光的面積增長的數量更大，由於構成每一個像素的CMOS器件都會有一些面積被放大器和轉換電路佔據（這是CMOS與CCD器件的區別之一），像素越多，電路部分佔用的面積就越多。在一樣面積下，像素少的傳感器其每一個像素的感光面積要比像素多的大。因此，D3每一個像素的感光面積要比D3X大一倍以上。每一個像素的感光面積大意味着其可以接收更多的光線，就像一扇面積大的窗戶比面積小的窗戶可以讓咱們的屋子更亮堂同樣。因爲只有接收到的信號強度達到某一個閾值時纔有可能驅動模數轉換電路工做，對每一個像素來講，若是接收到的光子數量低於某個值就如同沒有接收到同樣，根本就不會產生輸出信號。顯然，因爲感光面積大的像素比感光面積小的像素可以捕獲到更多的光子，所以，在一樣照度下，感光面積大的像素比感光面積小的像素更容易使得模數轉換電路產生輸出或者說更靈敏。

仍是以D3和D3X爲例。假定須要兩個光子才能使模數轉換電路產生一個最小的輸出，即便得一位二進制數從0變爲1。在剛好可在一個D3像素或兩個D3x像素的感光面積上產生兩個光子的照度下，因爲D3的每一個像素都接收到兩個光子，在模數轉換電路上能夠產生一個數字信號1。而D3X的每一個像素只接收到一個光子，達不到模數轉換電路產生輸出的閾值沒有輸出，在模數轉換電路上的數字信號爲0。而對數值爲0的信號不管是放大仍是降噪都是沒有意義的，0乘以或除以任何數仍是0，換句話說，若是一開始就沒能獲取信息，不管如何變換都不可能將信息生造出來。所以，在這種狀況下，D3的大像素比D3X的高像素有利，由於連信息都不能得到再高的分辨率又有什麼用呢？因此，官方給出的可用ISO爲D3是ISO 200-6400，而D3X的僅爲ISO 100-1600。體現傳感器靈敏度的高ISO數值D3比D3X高了兩檔（6400：1600），體現寬容度的ISO範圍D3比D3X多了一檔（200-6400：100-1600）。可以用較高的ISO拍攝的好處是不少的，除了能拍攝暗光場景外，還可經過提高快門速度來叫減小手震的影響，從而提升成功率。

因此，高像素和大像素傳感器各有各的用途，不存在誰優誰劣的問題，關鍵在於每一個人的選擇。

在一樣面積、採用一樣器件（CMOS）的狀況下，象素的多少與像素面積的大小成反比，而像素面積的大小與傳感器的靈敏度和寬容度正相關，這是一個基本的物理規律。

1DsMKIII的有效像素爲2110萬，分辨率5616×3744，官方給出的ISO範圍爲ISO 100–3200，比D3x高一檔，低於D3一檔，仍是比較靠譜的。5D2的像素數量以及分辨率與1DsMKII同樣（聽說用的也是同一塊傳感器），ISO卻標定爲ISO 100–6400就不那麼靠譜了。從實際拍攝的表現看，5D2在高ISO暗光狀況下明顯不如D3和D700，因此只能認爲其ISO標定的水份較大。

經過軟件採用合併像素的方式來提高高像素相機的寬容度在嚴格意義上來講是不可能的，由於對使用高像素傳感器的相機來講，在得到高分率信息的同時實際上損失了暗部信息，即上面說過的，那些大像素可以記錄的信息小像素沒法記錄。既然沒有記錄，就不可能生造出來，不管怎麼變，仍是原來那些信息。反之，也沒法從大像素中記錄的信息來得到小像素的分辨率，由於缺乏如何將一個象素記錄的數值按照拍攝時的狀況分解到相鄰的N個象素上的信息。但有可能經過運算在某種程度上經過軟件來合併像素，就如同經過插值運算來提升分辨率同樣，而合併或插值的結果只是對真實狀況的某種近似，畢竟原始信息已經丟失。
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在討論中發現對數碼相機涉及到的一些基本概念和原理存在着很大的分歧，其中有一些是須要探討後才能搞清楚的，另一些是有定論的，還有一些是有定論但常常容易混淆的。而搞清楚這些概念和原理不但對本主題的討論有幫助，並且對如何更好的使用數碼相機拍片也是有意義的。因此，將涉及到的概念和原理分紅兩個部分，一部分是有定論的，一部分是待探討的。固然，這裏說的有定論的是指業界廣泛承認的，可在任何一本有關專業書中找到，我引用的定義不是個人杜撰而是來自於這些權威文獻中，就不一一註明出處。只會對一些有定論但通常人涉及較少或容易引發混淆的概念和原理註明出處。而討論清楚的概念和原理會從正在討論的原理和概念中移到有定論的概念和原理中，做爲繼續討論的出發點。

在待探討的概念和原理中，有一些是我認爲有問題或存在歧義的觀點，還有一些是我根據有定論的概念和原理推理出來的。所以，存在着我對有定論的原理和概念理解有誤或者邏輯推理有問題的可能，歡迎參與討論的專家和同窗指出。若是確實是我錯了，我會欣然接受並向指出錯誤的專家和同窗表示由衷的感謝。

若是個人觀點沒有被推翻，那麼只能認爲在被推翻以前都是正確的。若是有同窗或其餘人士贊成個人觀點並加以引用，請註明出處，說清楚是個人觀點而不是你的觀點。這一點我先聲明一下，以避免我認爲你在剽竊個人觀點。謝謝！

有定論的概念和原理
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ISO、曝光指數（exposure index）和感光度（sensitivity）

ISO是國際標準化組織的縮寫。在膠片相機上表示膠片的感光速度（Film speed),在數碼相機上表示ISO感光速度（ISO speed)，ISO的設置也被稱爲曝光指數（EI）。

實際上ISO感光速度並非由ISO所制定的標準單位。ISO規定，感光速度以美國標準ASA單位及德國標準Din單位二者爲主，簡稱「ISO : ASA / Din 」。但大部份廠商都只寫數字，沒寫前面數字是以ASA爲單位，後面也沒寫是以DIN爲單位，就成了「ISO 100/21(度)」。經常使用的感光速度是ASA 100度/ Din 21度，但人們經常習慣只說前面的數字，因此日後誤稱爲ISO 100。所以，如今常見的ISO xxxx 實際上是指 ASA xxxx。

按照ISO 12232：2006的規定，曝光指數（EI）的標定取決於傳感器的感光度，傳感器噪聲以及由此產生的圖象。

數碼相機的ISO標定是由數碼相機的生產廠家按國際標準ISO 12232:2006中提供的5種（由廠家選擇）技術來對數碼相機在不一樣感光度（sensitivity）下的曝光指數進行測定。這5種技術中的三種來自於ISO 12232:1998。2006版新增長的兩種測定方法主要是對JPEG輸出文件。標準指定測量的是整個數碼相機而不是傳感器的感光度。

ISO12232：1998指定了基於飽和的ISO速度Ssat和基於噪聲的ISO速度Snoise10和Snoise40。

基於飽和的ISO速度定義爲Ssat = 78/Hsat，其中Hsat是數碼相機的輸出在被截斷或出現光暈前的最大可能曝光量。

基於噪聲的ISO速度定義爲在單獨的像素中產生給定信噪比的曝光量。使用兩種比值，即40:1（「極好圖像質量」）和10:1（「可接受圖像質量」）比值。

除了上述ISO速度外，標準還定義了標準輸出感光度（SOS）。在輸出圖像的曝光量與數字象素值相關。其被定義爲：Ssos = 10/Hsos。其中Hsos是在8位像素中產生數值118（這個數值是圖像按sRGB或 gamma = 2.2時，飽和值的18%）對應的曝光量。

標準指定了應該怎樣報告數碼相機的速度。若是基於噪聲的速度（40:1）比基於飽和的速度高，應該將基於噪聲的速度舍入降至標準值（例如 200、250、320或400）來報告。理由是基於飽和的速度對應的曝光量較低，將會致使圖像欠曝。此外，可規定曝光寬容度，範圍從基於飽和的速度到10:1基於噪聲的速度，即Ssat到S10:1之間的範圍。若是基於噪聲的速度（40:1）比基於飽和的速度低或由於高噪聲而不能定義，指定基於飽和的速度並舍入降至標準值，由於使用基於噪聲的速度將致使圖像過曝。

例如，某型數碼相機的傳感器有下列特性：S40:1 = 107, S10:1 = 1688而且Ssat = 49。按照標準，此型數碼相機應該報告其感光度爲：
ISO 100（日光）
ISO 速度 寬容度 50-1600
ISO 100（SOS，日光）

用戶能夠控制SOS速度。對某種有較高噪聲的傳感器，其特性或許是S40:1=40，S10:1 = 800, Ssat = 200，在這種狀況下，此數碼相機應該報告爲ISO 200（日光）

儘管定義了標準的細節，通常的數碼相機並無清楚的指示用戶ISO設置是基於噪聲的速度、基於飽和的速度或是指定輸出感光度，有些甚至爲了市場目的虛標數值。
http://en.wikipedia.org/wiki/Film_speed

從嚴格意義上來講，ISO速度、曝光指數和感光度是三個不一樣的概念。曝光指數是指具體ISO速度的值或設置，好比ISO 100。感光度是感光元件（膠片或光電傳感器）在對應曝光指數時的感光能力。而ISO標定就是測定感光元件在不一樣感光度下所對應的曝光指數。在ISO標定後，曝光指數便可視爲感光度。因此，通常也稱數碼相機的ISO速度爲感光度。

但廠家標定ISO速度時通常是對某一個具體的型號而不是對此型號的每一臺相機。所以，具體到每臺相機其實際感光度與標定的曝光指數可能會有差距，用戶能夠本身校準曝光指數。

光通量和光強

因爲人眼對不一樣波長的電磁波具備不一樣的靈敏度，咱們不能直接用光源的輻射功率或輻射通量來衡量光能量，必須採用以人眼對光的感受量爲基準的單位----光通量來衡量。光通量的用符號Φ表示，單位爲流明（lm）。

表示光強的概念和單位有兩個，一個是發光強度（cd），另外一個是照度（lux）。

發光強度的單位爲坎德拉，符號爲cd，它表示光源在某球面度立體角(該物體表面對點光源造成的角）內發射出1lm的光通量。 1cd=1lm/1sr （sr爲立體角的球面度單位）。

照度是反映光照強度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位是每平方米的流明（lm）數，也叫作勒克斯（lux），即：1lux=1lm/m2。

三者之間的關係爲：1lux=1lm/平方米=1cd×sr/平方米

因爲攝影通常不是拍光源，因此攝影界通常用照度做爲光強單位。

通常狀況下：
夏日陽光下爲100000LUX；
陰天室外爲10000LUX；
室內日光燈爲100LUX；
距60W檯燈60cm桌面爲300LUX；
電視臺演播室爲1000LUX；
黃昏室內爲10LUX；
夜間路燈爲0.1LUX；
燭光（20cm遠處）10～15LUX。

曝光值（exposure value，EV)和曝光量（photometric exposure)

曝光值是一個以2爲底的對數刻度系統。



其中N是光圈（f值）；t是曝光時間（快門），單位秒。

曝光值0（EV0）對應於曝光時間爲1秒而光圈爲f/1.0的組合或其等效組合。若是曝光值已經肯定了下來,那麼就能夠依據它來選擇曝光時間和光圈的組合。

曝光值每增長1將改變一擋曝光，也就是將曝光量減半，好比將曝光時間或光圈面積減半。這一點可能會引發迷惑。之因此是減小而不是增長，是由於曝光值反映的是相機拍攝參數的設置，而非底片的照度（這一點將在下面提到）。曝光值的增長對應於更快的快門速度和更大的f值。所以，明亮的環境或是較高的感光度（IS0）應當對應於較大的曝光值。

「曝光值」實際上是一個被誤用的名詞，由於它反映的是拍攝參數的組合，而不是曝光量（photometric exposure）。曝光量的定義是：



其中H是曝光量，E是影像平面的照度，而t是曝光時間。

照度E由f值所控制，但也取決於環境亮度。爲了不混淆，一些做者使用機身曝光（camera exposure）來指代拍攝參數（camera settings）。1964年的ASA照相機自動曝光控制標準（ASA PH2.15-1964）採用了相同的途徑，並使用了更確切的術語「機身曝光參數」（camera exposure settings）。然而，攝影師一般既使用「曝光」來指代拍攝參數，又用其來指代曝光量。
http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%9B%9D%E5%85%89%E5%80%BC

CMOS、CCD光傳感器以及填充係數（fill factor）

CMOS傳感器與CCD傳感器的主要區別在於CMOS傳感器將放大器等晶體管以及相關的金屬佈線作到了像素裏面。所以，在勢阱中存儲的光生電荷造成的電壓能夠在像素內經過放大器放大後通過金屬佈線輸出。而CCD勢阱中存儲的光生電荷是經過電荷通道輸出至 CCD 像素外的放大器進行放大後輸出。所以，CMOS傳感器的每一個像素至少有3個晶體管（1個放大管、兩個門管）以及相應的金屬佈線。而CCD像素中沒有這些東西。

下圖是SONY的Exmor R CMOS背面照明技術感光元件與傳統CMOS感光元件的區別：


如上圖所示，因爲傳統CMOS傳感器（左邊）的金屬佈線在光電二極管的上面，所以會遮擋住一部分入射的光線，減小光通量，同時還會反射一部分光線形成噪聲。所以，傳統的CMOS傳感器與CCD傳感器比較，光電二極管的受光面積會減小。CMOS像素光電二極管的實際受光面積與其自己受光面積的比值就叫作填充係數（fill factor）或者開口率。

因爲填充係數（fill factor）或開口率這個概念從邏輯上來講是一個包括若干個種概念的屬概念，籠統地講填充係數或開口率不但說明不了問題並且會製造混亂。所以，有必要對不一樣含義的填充係數進行準確的定義，儘管這些定義未必與某些文獻或資料上的一致，但因爲尚未一致公認的定義，我將在使用這些概念時進行定義並加以說明。因此，上述填充係數（fill factor）或開口率的概念或術語是特指CMOS填充係數（fill factor）或開口率，其內涵定義爲：CMOS像素光電二極管的實際受光面積與其自己受光面積的比值。如下說到CMOS填充係數時其含義就是指的這個定義。

而SONY的背照式技術將金屬佈線作到了光電二極管的背面，光線可不受阻礙的所有照射到光電二極管的受光面上。所以，Exmor R CMOS傳感器（右邊）的CMOS填充係數接近1或100%。

CMOS填充係數實際上與像素的大小有關。由於金屬佈線的寬度和晶體管的尺寸與製程有關，而與像素的面積無關。隨着技術的不斷進步，佈線寬度和晶體管尺寸能夠作得愈來愈小，但在同一時期、一樣的技術水平下大像素和小像素的佈線寬度和晶體管的尺寸是同樣的，所以，在小像素中CMOS填充係數是0.5，在大像素中CMOS填充係數就會大於0.5。例如一個8平方微米的小像素，其CMOS填充係數是0.5，也就是有一半的受光面積被金屬佈線遮擋，這部分的面積是4平方微米。而金屬佈線佔用的面積在一個16平方微米的大像素中仍是4平方微米，所以，對大像素來講其CMOS填充係數爲（16-4）/16 = 12/16 = 0.75，而不是0.5。

因爲單反的像素面積比小DC大很多，因此這項技術對單反的意義不是太大，但對小DC的性能和畫質則會有顯著的提高。這就是爲什麼SONY要將這項技術首先用於小DC的根本緣由。

CMOS填充係數對單反的影響與像素的面積正相關。假定D3的填充係數是0.8，D3的像素面積是71.38平方微米，其中金屬佈線和晶體管的面積佔了14.28平方微米。假定CMOS製程和工藝不變，D3X的像素面積爲35.14平方微米，CMOS填充係數 = （35.14-14.28）/ 35.14 = 0.59。一樣，佳能5D2的像素面積是41.1平方微米，金屬佈線和晶體管的面積佔了14.28平方微米，CMOS填充係數 = （41.1-14.28)/41.1 = 0.65。7D的像素面積爲18.55平方微米，其CMOS填充係數只有（18.55-14.28)/18.55 = 0.23。

可見，隨着像素密度的增長，CMOS填充係數對像素的影響愈來愈大,從D3的0.8降到7D的0.23。所以，對7D這種像素密度接近小DC的單反相機來講，SONY的這種背光技術仍是有意義的。

還有一種填充係數是微透鏡的覆蓋率，其定義爲微透鏡覆蓋象素的面積/象素的幾何面積，即透鏡是否能夠將整個像素的面積所有覆蓋。從富士的這張圖上能夠看出，因爲工藝上的問題，微透鏡之間不可能沒有縫隙，所以微透鏡不可能100%的覆蓋。而製造和安裝微透鏡的工藝與CMOS的製程同樣，在同一時期、一樣技術水平下是同樣的，所以微透鏡之間的縫隙大小與像素的面積無關，是一個定值。



微透鏡覆蓋率與CMOS填充係數同樣，與像素的面積正相關，象素面積越大，微透鏡的覆蓋率越大，象素面積越小，微透鏡覆蓋率越低。如D3的象素面積大，其微透鏡覆蓋率可能爲90%，其面積爲71.38平方微米，間隙面積爲7.1平方微米。對S5pro來講，其像素面積爲29.4平方微米，微透鏡覆蓋率爲(29.4-7.1)/29.4 = 0.758。對5D2來講，其象素面積爲41.09平方微米，微透鏡覆蓋率爲0.827。對7D來講其像素面積爲18.55平方微米，微透鏡覆蓋率爲（18.55 – 7.1）/18.55 = 0.61。



因爲CMOS傳感器不只受到CMOS填充係數的影響，同時還會受到微透鏡覆蓋率的影響，所以對使用CMOS傳感器的D三、5D2和7D來講，其綜合填充係數爲CMOS填充係數X透鏡覆蓋率。若是D3的CMOS填充係數爲0.8，透鏡覆蓋率爲0.9，則綜合填充係數D3爲0.8X0.9=0.72，5D2爲0.65X0.827 = 0.538，7D爲0.23X0.61 = 0.142。S5不受CMOS填充係數影響，其綜合填充係數即微透鏡覆蓋率爲0.758。受填充係數的影響，像素面積最大的D3損失了28%的光線，採用CCD的S5損失了24%的光線，5D2損失了46%的光線，7D損失了85%的光線。

技術的進步會使得填充係數變大，若是將D3的CMOS填充係數提高到0.85,透鏡覆蓋率提高到0.95，D3的綜合填充係數爲0.81，D3X的綜合填充係數爲0.63，5D2的爲0.68，7D的爲0.34。可見，技術的進步對高像素意義重大，大像素的D3的綜合填充係數僅增長了0.08，10%左右，而高像素的7D綜合填充係數增長了0.2，翻了一倍多。因此，CMOS製程和微透鏡工藝的進步是像素密度得以提升的基本要素。

CCD（電荷耦合元件，Charge-coupled Device）

北京時間2009年10月6日，2009年諾貝爾物理學獎揭曉，瑞典×××科學院諾貝爾獎委員會宣佈將該獎項授予一名中國香港科學家高錕(Charles K. Kao)和兩名科學家威拉德.博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治.史密斯（George E. Smith）。高錕由於「在光學通訊領域中光的傳輸的開創性成就」 而獲獎，科學家威拉德.博伊爾和喬治.史密斯因 「發明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像傳感器CCD」 獲此殊榮。

實際上，威拉德.博伊爾和喬治.史密斯1969年在美國貝爾實驗室發明的還不是做爲圖像傳感器的CCD，而是一種他們稱之爲電荷「氣泡」元件（Charge "Bubble" Devices）的裝置，這種裝置的特性就是它能沿着一片半導體的表面傳遞電荷。因爲當時貝爾實驗室正在發展半導體氣泡式內存，這種新裝置的用途首先嚐試做爲記憶裝置。其原理以下圖所示：



在柵極（G）上提供正電壓創建勢阱（×××）收集電荷包（電子，藍色），按正確的順序向柵極提供正電壓傳遞電荷包。

CCD的第一項工做是一個8bit的移位寄存器。當CCD做爲一種存儲裝置開始其生命的時候，只能經過輸入寄存器將電荷「注射」到這個裝置中。不過，很快就發現CCD可以藉助於光電效應積累電荷而且能夠創建電子圖像。到了1971年，貝爾實驗室的研究人員米切爾.F.湯普斯特（ Michael F. Tompsett ）等人已經可以用簡單的線性裝置捕獲圖像，CCD圖像裝置由此而誕生。

有數家公司，包括仙童半導體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）等接手這項發明並進行發展規劃。在前貝爾實驗室的研究人員阿米利歐（Gil Amelio）的領導下，仙童公司經過努力在1974年有了一個500單元的線陣裝置和一個2維100X100像素的裝置。

在巖間和夫（Kazuo Iwama）的領導下，索尼公司對CCD的研發投入了大量的資金（十年投入200億日元），在全公司的支援下，開發團隊克服重重困難，終於在1978年3月製造出了被人認爲「不可能的」、在一片電路板上裝有11萬個元件的集成塊。之後，又花了2年的歲月去提升圖像質量，終於造出了世界上第一個CCD彩色攝像機。在這個基礎上再改進，首次實現了CCD攝像機的商品化。當時，CCD的成品率很是低，每100個裏面纔有一個合格的，生產線全開工運轉一週也只能生產一塊。有人開玩笑說：這哪裏是合格率，這簡直就是發生率！索尼接到全日空13臺CCD攝像機的訂單，其中用的CCD集成塊的生產足足花了一年。

1980年1月，升任社長的巖間又給了開發團隊新的目標：「開發使用CCD技術的錄像錄音一體化的攝像機」。又是苦鬥，通過了公佈樣品、統一規格、CCD攝像機開發團隊和普通攝像機開發團隊的攜手大奮戰，1985年終於誕生了第一部8毫米攝像機「CCD-V8」。從開始着手CCD的研究，直到生產出第一臺8毫米CCD攝像機，已經經歷了15年的歲月了。巖間和夫因×××於1982年8月去世，一片CCD芯片擺放在他的墓碑上以表彰他對CCD所作出的貢獻。

CCD分爲兩種，一種是全幀轉移CCD（FULL FRAME TRANSFER CCD），另一種是行間轉移CCD（INTERLINE TRANSFER CCD）。

典型的消費級的數碼相機，用的通常都是行間轉移CCD。它的結構以下圖。在一塊半導體上集成製造出感光器件：光電二極管和一些電路。每一個單元呈整齊的矩陣式排列，多少行多少列。行數乘以列數就是這個CCD的象素數量。每一個象素單元中（左下角的小圖），有大約30％的面積用來製造光電二極管（紅色部分）。在剩餘的可用面積中，會放置一個轉移寄存器（紫色部分，SHIFT REGISTER）。在接受一個指令後，光電二極管感覺到的光強會被放置在這個轉移寄存器中並保持住。這是一個模似量。



下一步，就是把這每個象素中的光強值變成數字量，再由相機中的處理器組合成一幅數字圖像。首先,並行時鐘啓動第一行；串行時鐘依次啓動第一、二、3……列。這樣第一行中的每一個像素都被按順序送出CCD，進入ADC（模擬／數字轉換器，這種器件專門用來把模擬量轉換成數字量）。而後並行時鐘啓動第二行；串行時鐘依次啓動第一、二、3……列。這樣第一行中的每一個像素都被按順序送出CCD進入ADC。這樣依次下去，每一行每一列的像素都被有序的轉換成數字信號。相機的處理器再把這些數字化的象素組合成一幅數字圖像。  

每個像素單元中的移位積存器整齊的排成一列一列的，把真正起感光做用的光電二極管夾在中間。因此，這種器件被叫做行間轉移CCD。因爲每一個象素單元中真正用於感光的面積只佔30%左右，感光效率比較低。所以真正的成品會在每一個象素單元的上面再作一個微透鏡（圖的左下方就是微透鏡的示意圖），微透鏡在光電二極管的正上方，面積造得比較大，這樣就能把更多的入射光集中到光電二極管上，使等效的感光面積達到象素面積的70%左右。  

可見，除了微透鏡覆蓋率以外，CCD還有一個填充係數，即CCD的光電二極管感光面積/像素的幾何面積。光電二極管感光面積以外的面積是用於存儲和轉移電荷用的勢阱面積。實際上，每一個CCD像素之間還留有必定的非激活面積（即Clark所說的dead space），這部分面積是用來防止在感光時電荷溢出或像素之間相互隔離用的，是一個定值。在Clark給出的理論模型中，2008年12月之前，對APS-C以上面積的傳感器是1微米，此後爲0.5微米。也就是說，實際的激活面積要從像素的邊長中先減去0.5微米再來計算。

雖然上面說得是CCD，但對CMOS傳感器也存在一樣的問題，即CMOS傳感器的每一個像素面積一樣分爲三部分：光電二極管的受光面積、存儲電荷的勢阱面積以及用於防止溢出和隔離用的隔離區。具體的圖例會在討論CMOS像素的時候再給出。

上面給出的CCD的工做原理圖中有一個問題，就是沒有標出放大器的位置，沒法與CMOS傳感器做比較。從DALSA公司的Dave Litwiller寫的《CCD vs. CMOS》一文中找了一張圖來講明這個問題。以下圖所示，CCD陣列的全部像素經過前面所述的電荷轉移模式將每一個像素的電荷輸出到傳感器外面，分別進行電子—電壓轉換、放大後再作模數轉換。而CMOS-APS傳感器是在每個像素內進行電子-電壓轉換以及放大。換句話說就是CCD通常只有一個電子-電壓轉換和放大電路，而CMOS-APS則是每個像素都有一個電子-電壓轉換以及放大器電路，這一點是CCD與CMOS-APS傳感器最大的區別。



CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體）

CMOS本意是指構建集成電路的一種技術或製程。CMOS技術被用於微處理器、微控制器、靜態RAM以及其它數字邏輯電路。CMOS技術也普遍應用於模擬電路，如圖像傳感器、數據轉換器以及用於通訊領域的多種高度集成的收發器等。弗蘭克.威納爾斯（Frank Wanlass）在1967年成功的得到CMOS的專利（美國專利 US Patent 3,356,858）。
http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

對數碼相機而言，咱們說的CMOS是特指CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器的研究起始於20世紀60年代末，因爲當時受工藝技術的限制，直到90年代初才發展起來，至今已研製出三大類CMOS圖像傳感器,即CMOS無源像素傳感器(CMOS Passive Pixel Sensor簡稱CMOS-PPS)、CMOS有源像素傳感器(CMOS Active Pixel Sensor簡稱CMOS-APS)和CMOS數字像素傳感器(CMOS Digital Pixel Sensor簡稱CMOS-DPS)。

在此基礎上又問世了CMOS視覺傳感器(CMOS Visual Sensor)、CMOS應力傳感器(CMOS Stress Sensor)、對數極性CMOS傳感器(Log-Polar CMOS Sensor)、CMOS視網膜傳感器(CMOS Retinal Sensor)、CMOS凹型傳感器(CMOS Foveated Sensor)、對數變換CMOS圖像傳感器(Logarithmic-Converting CMOS Image Sensor)、軌對軌CMOS有源像素傳感器(Rail-to-Rail CMOS Active Pixel Sensor)、單斜率模式CMOS圖像傳感器(Single Slopemode CMOS Image Sensor)和CMOS指紋圖像傳感器(CMOS Fingerffing Sensor)、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器等。

CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模／數(A／D)轉換是在像素外進行，而是將模／數(A／D)轉換集成在每個像素單元裏，每一像素單元輸出的是數字信號，該器件的優勢是高速數字讀出，無列讀出噪聲或固定圖形噪聲，工做速度更快，功耗更低。
http://zhidao.baidu.com/question/58206426.html

數碼相機通常採用有源像素傳感器，即CMOS-APS。

有源像素傳感器（Active pixel sensor）

有源像素傳感器（APS），是一種集成電路包含了像素傳感器陣列的圖像傳感器，每一個像素包含了一個光電二極管和一個有源放大器。包括用於手機、web攝像頭以及一些DSLR的CMOS-APS在內的有源像素傳感器有多種類型。這類圖像傳感器經過CMOS製程來生產（所以也被稱爲CMOS傳感器），而且已經成爲電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器的替代品。

歷史

術語有源像素傳感器（Active pixel sensor）是奧林巴斯公司從事電荷調製裝置有源像素傳感器方面工做的中村勉（Tsutomu Nakamura）創造的，更明確的定義是由埃瑞克.佛休姆（Eric Fossum）在其1993年的論文中給出。

圖像傳感器單元有在像素中的放大器是諾博爾(Peter J. W. Noble)在1968年，維邁爾等人（P. K. Weimer, W. S. Pike, G. Sadasiv, F. V. Shallcross, and L. Meray-Horvath ）在1969年描述的。維邁爾等人其時正在調查被動式像素傳感器（passive-pixel sensors）——即傳感器像素沒有本身的放大器——是否可成爲真空管圖像裝置的替代品。MOS被動式像素傳感器只是在像素中使用了一個簡單的開關讀出光電二極管積累的電荷。像素按照二維結構組成陣列，每行像素共享存取使能線，每列共享輸出線。每列的末端是一個放大器。被動式像素傳感器存在許多限制，如高噪聲、讀取慢而且缺少可擴展性。經過在每一個像素中增長一個放大器來解決這些問題，致使了有源像素傳感器的創新。諾博爾（Noble）在1968年，張伯倫（Chamberlain）在1969年建立了每一個像素均含有源MOS讀出放大器的傳感器陣列。1970年貝爾實驗室發明CCD。因爲MOS製程很難控制而且MOS晶體管的特性隨時間而改變（電壓隨時間變化），而CCD的電荷域操做更容易製造， MOS被動式和有源像素傳感器很快就黯然失色。一個低分辨率且「主要爲數字」、有內部像素放大器、應用於光學鼠標的nMOS成像器在1981年被演示。

另外一種類型的有源像素傳感器是用於紅外線譜的混合紅外焦平面陣列（IRFPA)，設計成在低溫下操做。這種裝置有兩片像三明治同樣放在一塊兒的芯片：一片芯片包含了用銦鎵砷或碲鎘汞製造的檢測器單元，另外一片芯片是用硅製造用於讀出的光電探測器。這類裝置源頭的準確日期是保密的，但在1980年代中期獲得普遍的應用。

80年代後期至90年代早期，CMOS製程與穩定性控制過程共同創建起來而且成爲幾乎全部邏輯和微處理器的基準製程。用於低端圖像應用的被動式像素傳感器和用於低分辨率高性能應用例如視網膜仿真的有源像素傳感器開始復甦。但CCD仍然具備很低的瞬時噪聲和固定模式噪聲優點而且是消費類應用例如攝像機以及廣播級攝影機採用的主要技術，從而全面取代了視頻攝像管。

埃瑞克.佛休姆（Eric Fossum）等人發明了使用內部像素電荷轉移器以及在像素內的放大器和真正的相關雙採樣（CDS）電路，有較低的瞬時噪聲操做和在片上的電路用於減小模式噪聲，並且發表了第一篇影響深遠的文章，預言APS成像器將成爲CCD在商業上的接替者。在1993年到1995年期間，噴氣推動實驗室（Jet Propulsion Laboratory）開發了一系列原型裝置，驗證了技術上的關鍵性能。雖然原始，但這些裝置示範了在高讀出速度及低功耗的狀況下可得到好的圖像性能。

1995年，來自於JPL（噴氣推動實驗室）的人員成立了Photobit公司，繼續開發和商業化APS技術用於不一樣的應用，如web攝像頭、高速和運動捕獲攝像機、數字放射攝影、內窺（丸）攝像機、DSLR、固然還有照相手機等等。許多其它小圖像傳感器公司也開始發展起來，使得CMOS製程被普遍接受而且迅速推進了有源像素傳感器的應用。

與CCD的比較

APS像素解決了被動式像素傳感器的速度和擴展性問題。其功耗遠遠少於CCD，圖像延遲更少，可以在更便宜也更通用的生產線上生產。與CCD不一樣，APS傳感器可以組合圖像傳感器功能和圖像處理器功能在同一個集成電路中。

APS傳感器已經成爲許多消費類應用選擇的技術，最顯著的是迅速成長的移動電話攝影機市場。不管如何，APS圖像傳感器已經在攝影和成像領域得到了長足的進展。包括數字放射照相、軍用超高速圖像採集、高分辨‘智能’安全攝像機、光學鼠標以及許多其它消費應用。

至關數量的半導體廠商提供各類類型的APS傳感器。包括Aptina Imaging （從 Micron Technology剝離的半獨立公司，其在2001年收購了Photobit公司）、三星、STMicroelectronics、Toshiba、OmniVision Technologies、Sony和 Foveon以及其它的公司。

像素(pixel)

今天標準的CMOS APS像素由一個光電二極管以及轉移門管、復位門管、選通門管和源跟隨器讀出管等4個晶體管組成，所以被稱爲4T（4晶體管）單元。

JFET光電二極管或pinned光電二極管最初用在行間轉移CCD上是由於其暗電流較低而且對藍色響應較好。當鏈接到轉移門管時，容許消除從光電探測器徹底轉移電荷時的滯後。像素內部使用電荷轉移門管以及採用相關雙採樣技術可以得到較低的噪聲。

諾博爾（Noble）3T像素因爲其製造容易仍然常用。一個晶體管Mrst如同一個開關復位這個裝置。當這個晶體管導通，光電二極管有效的鏈接到電源Vrst，清除所有積累的電荷。因爲此復位晶體管是N型，像素的工做方式是軟復位。

第二個晶體管Msf如同一個緩衝器（確切地說，是源跟隨器），放大器容許在不移出積累電荷的狀況下測量像素的電壓。其電源VDD一般是與復位晶體管連在一塊兒的。

第三個晶體管Msel是行選擇晶體管。是一個容許像素陣列的行選通訊號在讀出像素電子時接通的開關。



其它像素的創新如5T和6T像素也存在。經過增長額外的晶體管，諸如總體快門，而不是常見的捲簾快門，也是可能的。
http://en.wikipedia.org/wiki/Active-pixel_sensor

爲了增長對CMOS-APS像素的感性認識，貼一張美國Fairchild Imaging 公司劉新喬等（Xinqiao (Chiao) Liu, Boyd Fowler, Hung Do, Steve Mims, Dan Laxson, and Brett Frymire）在論文《High Performance CMOS Image Sensor for Low Light Imaging》中給出的CMOS像素的設計圖。此像素的尺寸爲10.8 X 10.8微米（D3的像素僅爲8.46 X 8.46微米），CMOS填充係數爲81%。像素爲5T（5個晶體管）電路。沒有色彩濾鏡和微透鏡。

下圖左邊爲像素的橫截面，右邊爲像素佈局。中文標註爲譯者所加。


上圖右邊象素佈局圖中的「死空間（dead space）」一詞應譯爲「隔離區」，特此說明並向hit100兄致謝。

圖像噪聲（Image  Noise）和噪聲源（Noise Sources）

圖像噪聲是數碼相機或掃描儀的電路以及傳感器在圖像生成過程當中亮度或色彩信息的隨機變化。圖像噪聲也源於膠片的顆粒和一個理想光子探測器不可避免的散粒噪聲。



圖像噪聲一般被認爲是在圖像捕獲時不受歡迎的副產品。雖然這些不須要的波動被稱之爲「噪聲」是將其類比於不須要的聲音，但其實這種「噪聲」是聽不見的，而且在某些應用中實際上還會帶來好處，例如抖動（dithering）。

類型

放大器噪聲（高斯噪聲，Gaussian noise）
放大器噪聲的標準模型是加性高斯噪聲（Additive Gaussian Noise），獨立於每一個像素而且與信號強度無關，主要是由約翰遜—尼奎斯特噪聲（Johnson–Nyquist noise，熱噪聲）引發的，包括來自電容的復位噪聲（kTC噪聲）。彩色數碼相機用於藍色通道的放大率比綠色或紅色通道要多，所以在藍色通道中的噪聲也更多。

放大器噪聲是圖像傳感器「讀出噪聲」的主要部分，也就是說，是圖像暗部固有的噪聲電平。

鹽和胡椒噪聲（Salt-and-pepper noise）
胖尾分佈（Fat-tail distributed）或「衝擊」（impulsive）噪聲在有些時候被稱爲鹽和胡椒噪聲或尖峯（spike）噪聲。



一幅包含鹽和胡椒噪聲的圖像將在亮部有暗像素而且亮像素在暗部。這種類型的噪聲通常是由像素壞點、模數轉換器錯誤以及在傳輸過程當中的比特錯誤等引發的。

這能夠使用暗幀減法以及在暗/亮像素周圍插值的方式來解決。

散粒噪聲（Shot noise）
在來自於圖象傳感器的圖像中較亮部分的主要噪聲通常是由量子漲落統計引發的，也就是說，在一個給定的曝光水平上所感應到的光子數量的變化，這種噪聲被認爲是光子散粒噪聲。散粒噪聲均方根與圖像強度的方根成正比，不一樣像素的噪聲是彼此獨立的。散粒噪聲服從泊松分佈（Poisson distribution），一般與高斯噪聲沒有很大的不一樣。

除了光子散粒噪聲外，還存在着圖像傳感器暗漏電電流引發的散粒噪聲，這種噪聲有時也被稱爲「暗散粒噪聲」（dark shot noise）或「暗電流散粒噪聲」（dark-current shot noise）。圖像傳感器中的「熱像素」（hot pixels）暗電流最大；正常的可變暗電荷以及熱像素可以被減掉（使用「暗幀減法」），留下的僅是漏電電流的散粒噪聲或隨機份量。若是不能作暗幀減法或若是曝光時間過長使得熱像素電荷超過線性電荷容量，這種噪聲將不只僅是散粒噪聲，熱像素將表現爲鹽和胡椒噪聲。

量化噪聲（Quantization noise，uniform noise）
量化感知圖像的像素到離散數字量時產生的噪聲被稱爲量化噪聲；其大體爲一致性分佈，可取決於信號，雖然若是其它噪聲源大到引發抖動或者若是明確適用於抖動其將與信號無關。

非各向同性噪聲（Non-isotropic noise）
有些噪聲源會在圖像中表現出明顯的方向性。例如，圖象傳感器有時候會出現行噪聲或列噪聲。在膠片中，劃痕是非各向同性噪聲的一個例子。

數碼相機的噪聲問題
在暗光下，正確的曝光要求較長的快門速度或較高的增益（感光度）或者兩者同時使用。在大多數相機中，較長的快門速度將致使因爲光電二極管漏電電流引發的鹽和胡椒噪聲的增長。在付出讀噪聲方差加倍（讀噪聲標準差增長41%）的成本後，大部分鹽和胡椒噪聲可以被暗幀減法消除。

因爲較少的光子被計數（散粒噪聲）而且須要對信號放大更多，讀噪聲以及散粒噪聲增長的相關效應是減小曝光，增長對應的ISO感光度。

圖象傳感器的尺寸或每一個像素傳感器光線收集區域的效果是信號電平、信噪比以及由此決定的可見噪聲電平的最主要決定因素。一個給定圖象傳感器在相同噪聲電平下的感光度大體與傳感器的面積成比例。例如，一個4/3傳感器在ISO 800時產生的噪聲電平大體至關於一個全幅傳感器（面積大體爲4倍）在ISO 3200的噪聲電平或一個1/2.5」的小DC傳感器（大體爲1/8的面積）在ISO 100時的噪聲電平。這種在高感光度下得到可接受圖象的能力是驅動用戶選擇DSLR相機，使用比緊湊型傳感器更大的傳感器的主要因素。因爲傳感器在一樣面積下有更多的象素按照天然規律就必須採用更小的象素，所以傳感器像素的數量極大的影響着每一個象素的噪聲電平。不過，當在屏幕上縮放到一樣尺寸或打印出一樣尺寸的照片時，按像素計數的可見噪聲電平只有很小的差異。
http://en.wikipedia.org/wiki/Image_noise

維基百科上述對圖像噪聲的分類和定義以及關於數碼相機噪聲問題的分析比較歸納，還能夠作更深刻的分析和探討。如下觀點有些源自於其它資料，有些是我根據包括維基百科以及其它資料作出的推論，引用的觀點我會註明出處，沒有註明的是個人推論，歡迎批評指正。

實際上，數碼相機的圖像噪聲還能夠按照噪聲來源分爲兩類，即數碼相機自己的噪聲以及來源於數碼相機外部，在拍攝時產生的噪聲。

數碼相機自己的噪聲通常是指數碼相機的本底噪聲，對應的英文單詞有：Noise floor，Noise level，Noise background等。按照維基百科上述有關圖像噪聲的定義，放大器噪聲（包括電容噪聲）、由像素壞點、模數轉換器錯誤以及在傳輸過程當中的比特錯誤產生的鹽和胡椒噪聲、散粒噪聲中的暗散粒噪聲或暗電流散粒噪聲、量化噪聲等都屬於數碼相機的本底噪聲。

按照Clark的說法，讀出噪聲可視爲數碼相機的本底噪聲（Read noise is expressed in electrons, and represents a noise floor for low signal detection）。Clark認爲：本底噪聲是傳感器噪聲、模數轉換限制以及放大器噪聲的組合。這三個參數在評估數碼相機的時候不能分開而且一般被稱爲讀出噪聲（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）。顯然，Clark所說的放大器噪聲不是指傳感器像素中的放大器產生的噪聲（這部分噪聲被他納入了傳感器噪聲），而是指傳感器以外包括ISO放大器在內的其它放大器帶來的噪聲。也許Clark認爲ADC的量化噪聲可忽略不計，因此只說了模數轉換器的限制（12位或14位），沒有提到量化噪聲的問題。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

源於數碼相機外部，在拍攝時產生的噪聲也有兩類：一類與鏡頭、微透鏡以及各種濾鏡有關，包括鏡頭的分辨率、像差、色差、衍射、反射等帶來的噪聲。通常狀況下，傳感器的分辨率越高（像素密度越高），鏡頭質量越差，這類噪聲出現的機率也越大。但爲了簡化問題，在下面的討論中咱們假定數碼相機使用的是一個具備無限分辨率、沒有像差、色差、衍射、反射等問題的理想鏡頭。像素的微透鏡和各種濾鏡也具備一樣性質。所以，能夠認爲由此產生的噪聲在討論中不存在。

另外一類數碼相機外部產生的噪聲通常是指維基百科在圖像噪聲中定義的光子散粒噪聲（photon shot noise），簡稱光子噪聲（photon noise）。這類噪聲是因爲光子到達傳感器的數量在時間和空間上具備隨機性而產生的。通常認爲，光子噪聲是光子數量的平方根（見下圖）。


Clark在其網頁中也認爲：因爲光子到達的時間是隨機的，因此在光子的物理計數上，信號中的噪聲是光子數量的平方根，服從泊松分佈（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還認爲，數碼相機的噪聲模型是：



式中N是以電子爲單位的總的噪聲，P是光子的數量，r是以電子爲單位的讀出噪聲，t是以電子爲單位的熱噪聲。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

我認同以上觀點。能夠看出，數碼相機的噪聲主要由兩部分構成：一、相機的本底噪聲；二、光子噪聲。而光子噪聲是光子數量的函數（平方根），傳感器接收的光子越多，光子噪聲也越多，沒有接受到光子（如全黑狀態），光子噪聲爲零，只有本底噪聲存在。但光子噪聲的增加速度沒有光子數量（信號）增加得快。因此，光子噪聲不會下降信噪比，反而會增長信噪比，由於信號（光子數量）是光子噪聲的平方。這也是通常承認的觀點，以下圖所示。



圖中的座標是對數單位，橫軸是傳感器接收的光子數量即輸入，縱軸是傳感器輸出的電子數量。紅色的部分是噪聲，由兩部分組成：左邊的是暗電流以及讀出噪聲，右邊的是光子噪聲。藍色的是信號，綠線表示最大阱容。能夠看出，當電子數（以及對應的光子數）達到最大阱容時，信號就再也不增長（噪聲也再也不增長），噪聲比信號增加的慢。

從這張圖上咱們能夠看到，傳感器在光子數達到一個閾值後纔開始有信號的（圖上是在10與100個光子之間），也就是說若是傳感器接受的光子數少於某個閾值，就不會有信號輸出。這個閾值通常認爲是讀出噪聲。

那麼，讀出噪聲是由什麼決定的呢？按照維基百科和有關資料的說法，讀出噪聲就是傳感器的放大噪聲（約翰遜—尼奎斯特噪聲，Johnson–Nyquist noise）和電容噪聲（kTC noise）。

咱們先來看一下放大器噪聲。對CMOS-APS傳感器來講，因爲每個像素都有一個放大器，而這些放大器不可能作的徹底一致，所以對信號的放大也會不一致，噪聲由此產生。並且像素也多，放大器也越多，產生放大器噪聲的機率也就越多。

而CCD在通常狀況下只有一個放大器，全部像素的信號都是經過這個放大器來放大，沒有CMOS-APS傳感器每一個象素都有一個放大器所帶來的不一致性問題。所以，通常也認爲CCD傳感器的噪聲要小於CMOS傳感器。

不過，CCD與CMOS-APS都存在一個共同的問題，就是電容噪聲（kTC noise）。不管是CCD仍是CMOS-APS都須要將光電二極管產生的光生電荷存儲在勢阱中。兩者的差異只是CCD須要經過電荷通道將每一個象素勢阱中存儲的光生電荷傳遞到傳感器外面轉換爲電壓信號後再放大。CMOS-APS象素勢阱中的光生電荷直接在勢阱中轉換爲加在放大器管柵極上的電壓信號。而勢阱的電容也會有不一致的問題，不可能將上千萬個像素的勢阱電容都作成同樣的。更況且還有暗電流的問題。所以，不管是CCD仍是CMOS傳感器首先要解決勢阱電容的不一致性帶來的噪聲。

此外，在快門開啓前須要對勢阱復位，使得上次拍攝時在勢阱中積累的電荷釋放，爲本次拍攝做準備。因爲暗電流的存在，使得復位很難作到讓勢阱中的電荷所有釋放，必須解決電荷沒法所有釋帶來的噪聲問題。

放大器和電容噪聲（包括復位噪聲）可分爲兩類，一類爲模式噪聲（pattern noise），這類噪聲是按空間分佈的，通常是製造時產生的不一致性所引發的。另外一類是隨機噪聲，具備不肯定性，有時出如今這個位置，有時候又出現的另外一個位置。

對模式噪聲通常採用相關雙採樣（CDS）技術來消除。下面是佳能全幅CMOS白皮書中關於片上降噪技術的介紹：

CMOS傳感器一般會比CCD傳感器有更多的噪聲，所以會帶來較差的圖像質量。將成百上千萬個光電二極管和放大器集成到傳感器將必然會在性能上帶來不可避免的不一致性，像素在性能上的微小變化將會在輸出圖像中產生噪聲。爲了克服這些問題，佳能開發了片上技術來記錄每一個象素在曝光前的噪聲而且在圖像建立後自動的從圖象中減去這些噪聲。下降混合噪聲使得可讀取無噪聲信號。這種片上電路僅可用於CMOS傳感器，沒法用在CCD上，由於兩者採用不一樣的生產製造方式。

佳能也改變了傳統的3T（晶體管）CMOS像素結構（一個光電二極管、一個MOSFET放大器和一個初始化光生電荷的復位開關），3T COMS像素結構對像素電容復位時引發的復位噪聲（即kTC噪聲，其中k = 波爾茨曼常數，T = 工做溫度，C = 表如今放大管柵極上的總電容）會帶來不利的影響。 爲了消除這種噪聲，佳能增長了第4個晶體管做爲轉移門。柯達公司在其專有的配置中有4T（晶體管）CMOS像素設計，但尼康的LBCAST傳感器是3T像素。



佳能在其白皮書中還有大量篇幅來論證其片上降噪技術的優越性，而且給外界形成了相關雙採樣（CDS）技術以及採用4T像素的全電荷轉移技術等CMOS-APS的核心技術是佳能的專利技術的印象。對此，包括Clark在內的衆多佳能粉絲都信覺得真，並以此做爲佳能公司在COMS傳感器技術上領先的依據。

惋惜的是這不是真的，只不過是佳能公司發起的廣告攻勢而已。

在上面所引的佳能公司全幅CMOS傳感器白皮書中，關於3T像素的定義就是錯的。按照CMOS-APS像素的定義，諾博爾（Noble）3T像素的3個晶體管是指復位管Mrst，放大管Msf和行選擇管Msel，沒有光電二極管什麼事。佳能公司的技術人員竟然在技術白皮書裏將3T像素說成是光電二極管+復位管+放大管，徹底忘記了行選擇管。

若是上面說的這個問題是不當心形成的表述錯誤，不是什麼大問題的話。那麼，將CDS技術和4T像素說成是佳能公司的專利就比較嚴重了。

CDS（相關雙取樣）技術是一種公知技術，不只用於圖像傳感器也用於其它領域。在谷歌上搜索相關雙採樣有34萬條紀錄，相關雙取樣有101萬條。CCD傳感器必需要採用CDS技術來消除放大器噪聲，不然沒法工做。任何一種CMOS-APS像素，包括3T像素在內，也都要用到CDS技術，不然沒法工做，維基百科中說到的暗幀減法就是指CDS。所以，CDS不多是佳能的專利技術。

正如我前面所引用的維基百科關於APS像素的資料所指出，今天標準的CMOS APS像素由一個光電二極管以及轉移門管、復位門管、選通門管和源跟隨器讀出管等4個晶體管組成，所以被稱爲4T（4晶體管）單元。也就是說，有轉移門管的4T像素如今是CMOS傳感器的標準配置，佳能在白皮書中說尼康的LBCAST傳感器是3T像素已是過期的黃曆，D3以及其後的傳感器不可能仍是3T像素，佳能在CMOS片上降噪技術方面與索尼和尼康相比並無什麼優點。

事實是包括4T像素在內，全部的核心專利都在美國人手中。從2003年起，美國人就開始在CMOS傳感器方面發力，目前最大的CMOS傳感器公司都是美國公司，包括索尼在內的日本公司在CMOS傳感器方面都落後於美國公司。美國人但願經過在CMOS傳感器市場上報讓CCD傳感器市場落入日本人手中的一箭之仇。所以，決不會讓日本公司在CMOS傳感器市場上再獨佔鰲頭。

美國人不只經過市場競爭，更是經過專利訴訟利用法律來打擊日本公司。2008年10月，擁有JPL（噴氣推動試驗室）專利的加利福尼亞理工大學以專利侵害爲由起訴了奧林巴斯、佳能、三星、索尼，松下、尼康，這就是爲什麼佳能的網站一晚上之間將全部做爲佳能專利技術向外界介紹，也是佳粉們引以自豪的片上降噪技術的網頁所有撤下來的緣由。若是官司敗訴，以CMOS-APS爲核心技術的佳能公司將受到致命的打擊。

日系廠商中是索尼而不是佳能一直在CMOS-APS傳感器方面得到專利來擺脫美國人的控制，好比CMOS傳感器的背光技術。採用背光技術的產品美國OmnVision公司發佈的更早。但索尼在OmniVision以後依然發佈了採用背光技術的EXMOR傳感器，顯然是掌握了繞開OmniVision專利的技術，可見在信息社會企圖經過專利來阻止對手是很不容易的。

背光技術是CMOS傳感器下一步可以提升像素密度的關鍵技術，由於CMOS填充係數形成的問題對高像素來講比大像素嚴重的多，只有採用這一技術纔有可能使得CMOS傳感器與CCD傳感器並駕齊驅。索尼如將這一技術用於DSLR，將有可能大幅提升傳感器的像素密度。

索尼公司的EXMOR傳感器還包括了集成CDS電路的列並行轉換電路，如下是索尼網站的有關介紹：

列並行模數轉換來增長速度

提速的關鍵是並行信號處理。CMOS傳感器有將模擬信號轉換爲數字信號的模數（A/D）轉換電路（圖2）。在水平陣列組織數以千計的模數轉換電路並容許其同時操做能夠增長速度。用於SONY CMOS傳感器的模數轉換電路有一些重要特性，包括減小產生噪聲的模擬電路尺寸以及自動的噪聲消減。這種電路設計可在減低噪聲的同時提升速度。



圖2：列並行模數轉換電路

從像素中的晶體管讀出像素信號。但在數百萬個像素中，每一個像素中的晶體管存在着不一樣的閾值電壓，這些不一樣可經過讀取原始的像素信號（VSIG）來消減，這是經過讀出每一個晶體管的初始值（復位電平，VRST）和對應入射光的信號電平（VSIG+VRST）兩者之間的差別即相關雙採樣（CDS）來實現的。Sony的CMOS傳感器執行CDS（相關雙採樣）操做是指數字信號處理。


圖3：A/D轉換技術時序圖

1 在計數器下計數期間檢測復位電平（VRST）（初次數字採樣）。

2 復位電平檢測後，在上計數期間從計數器值被存儲的狀態檢測信號電平（VSIG+VRST）（第二次數字採樣）

3 經過從最終計數值（VSIG+VRST）減去復位電平（VRST）檢測淨信號值（VSIG）。這種數字減法也能用於抵消每列比較器的規格差別，而且以這種方式來轉移用於比較的斜波。這容許以最小的噪聲進行快速的模數轉換。
http://www.sony.net/SonyInfo/tec ... /theme/cmos_02.html

實際上這是索尼公司繞開美國人專利的一種作法，而不是若有些人覺得的那樣是爲了繞開佳能的專利。理由很簡單，關於介紹這個技術的網頁目前仍然在SONY的網站上，而佳能網站上介紹其片上降噪技術的網頁已經所有刪除了。這說明索尼的技術沒有侵權，而佳能的技術有侵權的嫌疑。

事實上CDS是一種在電子測量中廣泛使用的公知技術，不只用於CMOS 4T像素，包括3T 像素和CCD傳感器都必需要使用，不然沒法消除因爲電容以及放大器（對CMOS-APS像素而言）的不一致性帶來的固定模式噪聲。更通常的，非圖像傳感器的電子測量也大量使用CDS技術。因此，CDS不多是佳能在2004年發明併成爲業界的標準。這不過是某些不懂裝懂的人杜撰出來的一個神話。

在無忌中有關佳能的另外一個神話是佳能是CMOS圖象傳感器的老大，實際上佳能在全球CMOS圖象傳感器中的市場佔有率基本上能夠忽略不計(見下圖）。其生產的CMOS傳感器只能給本身使用，在技術迅猛發展而且專業分工愈來愈細的狀況下，將來的局面將會更加被動。



上述兩個神話應該是中國特點，國外沒有這種說法。好比Clark雖然也認爲佳能的降噪技術要更好一些（儘管這也是一個神話），但並無認爲尼康的CMOS傳感器就沒有CDS電路。實際上，佳能公司全幅CMOS傳感器白皮書中明確說的是佳能本身開發而且是其獨一無二技術的是指全電荷轉移的CDS，沒有說過CDS技術是佳能的發明。而這種說法（全電荷轉移CDS技術是佳能的發明）在遭到美國加州理工大學起訴後也從佳能網站的中文和英文網頁中消失了。

按照nickwolf的說法，目前佳能日文網頁還保留着「這種降噪技術統稱爲‘On-Chip 降噪電路’。這種On-Chip降噪電路是基於得到2004年日本全國發明大獎的降噪技術，此項技術如今絕不誇張地說、已成爲業界的標準」的說法。而維基百科中明確指出：

Eric Fossum等人發明了使用內部像素電荷轉移器以及在像素內的放大器和真正的相關雙採樣（CDS）電路，有較低的瞬時噪聲操做和在片上的電路用於減小模式噪聲，並且發表了第一篇影響深遠的文章，預言APS成像器將成爲CCD在商業上的接替者。在1993年到1995年期間，噴氣推動實驗室（Jet Propulsion Laboratory）開發了一系列原型裝置，驗證了技術上的關鍵性能。

所以，佳能不多是4T像素以及與此相關的電荷轉移CDS的發明者。佳能在2004年實現並得到日本專利的技術也不可能成爲業界的標準（按維基百科的說法，業界標準是Eric Fossum等人在1993-1995年期間發明的4T像素以及真正的相關雙採樣（CDS）電路），至於佳能公司的這個日本專利是否侵權有待於法院的調查和判決。但至少能夠說明佳能在CMOS圖象傳感器方面並無什麼領先索尼和尼康的技術。相反，在諸如背光技術等方面，索尼在CMOS圖象傳感器方面已經超越了佳能。

因爲4T像素以及電荷轉移CDS並不是佳能的專利，尼康也能夠使用。有理由認爲，尼康的全幅傳感器使用的是4T像素（此前D2X的像素密度過高同時受2004年時的CMOS製程制約，可能採用的是3T像素）以及具備電荷轉移的CDS電路。所以，從D3開始，尼康與佳能使用的CDS電路不會有很大的不一樣，應該是一樣的技術水平。Clark的下述說法是不能成立的：

目前佳能在讀出噪聲性能方面的技術是領先的，較低的讀出噪聲值 = 較好的性能。尼康目前是將讀出噪聲的平均值修剪爲0，會丟失一些數據。佳能包括了一個偏移量，所以在處理一些原始轉換時能保留低端的噪聲，這對於用平均多幀來檢測低亮度的對象（例如天文攝影）是很重要的。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

測試結果也代表，D3的讀出噪聲比5D好的多，與5D2至關。

模擬信號（Analog Signal）、數字信號（digital Signal）以及模數轉換電路（Analog to Digital Converter，ADC）

模擬信號通常是指時間連續、幅值也連續的信號，而數字信號是指在時間和幅值上均爲離散的信號，模數轉換（A/D）是指用數字信號來表示模擬信號。

以下圖所示，上面的爲在時間t上連續的模擬電壓信號，下面爲對模擬電壓信號在時間t採樣並轉換爲離散電壓信號。



所以，通常的A/D轉換過程是經過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。典型的ADC電路構成以下圖所示：



數碼相機像素輸出的電壓信號在時間上是不連續的，每按下一次快門像素才輸出一個這次曝光所記錄的電壓信號。所以，像素輸出的信號與通常所認爲的模擬信號有所不一樣，即在時間上是非連續的。

此外，每一個像素的座標位置如同計算機的內存單元同樣，是經過行、列的選通電路來獲取的，直接就是數字信號，不須要A/D轉換。因此，只有像素輸出的信號電壓在幅值上是連續的，須要經過A/D轉換來得到數字信號。

也許就是這個緣由，使得包括Sony公司的平山先生在內的衆多專業人士認爲CMOS-APS像素有A/D轉換電路，由於像素輸出的電壓信號在時間上是一個離散量，對這種信號進行A/D轉換的電路也比典型的ADC要簡單，沒有前面的取樣保持電路，只須要後面的量化編碼電路。

但既然還須要對像素的輸出信號電壓進行量化編碼，所以只能認爲像素輸出的是模擬信號，而不能認爲是數字信號。因此，我在發貼前以及包括百度百科在內的衆多中文資料中認爲CMOS像素中包括A/D轉換電路是不正確的。

因爲數字信號不只在時間上是離散的，並且在數值上的變化也不是連續的。這就是說，任何一個數字量的大小，都是以某個最小數量單位的整倍數來表示的。所以，在用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數量單位的整倍數，這個轉化過程就叫作量化。所規定的最小數量單位叫作量化單位，用Δ表示。顯然，數字信號最低有效位中的1表示的數量大小，就等於Δ。把量化的數值用二進制代碼表示，稱爲編碼。這個二進制代碼就是A/D轉換的輸出信號。

既然模擬電壓是連續的，那麼它就不必定能被Δ整除，於是不可避免的會引入偏差，咱們把這種偏差稱爲量化偏差。在把模擬信號劃分爲不一樣的量化等級時，用不一樣的劃分方法能夠獲得不一樣的量化偏差。可見，A/D轉換時不只不能消除噪聲，並且還會引入噪聲——量化偏差（量化噪聲）。

ADC的主要技術指標包括轉換精度和轉換時間：

轉換精度的指標有兩項：

一、分辨率——它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。
A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數表示。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分2的n次方個不一樣等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值爲滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓必定時，輸出位數愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出爲8位二進制數，輸入信號最大值爲5V，那麼這個轉換器應能區分輸入信號的最小電壓爲19.53mV。

二、轉換偏差——表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差異。經常使用最低有效位的倍數表示。例如給出相對偏差≤±LSB/2，這就代表實際輸出的數字量和理論上應獲得的輸出數字量之間的偏差小於最低位的半個字。

轉換時間——指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端獲得穩定的數字信號所通過的時間。
不一樣類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中並行比較A/D轉換器轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達50ns之內。逐次比較型A/D轉換器次之，他們多數轉換時間在10～50μs之間，也有達幾百納秒的。間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中，應從系統數據總的位數 、精度要求、輸入模擬信號的範圍及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的選用。

從前面給出的Sony列並行ADC電路的時序圖來看，其採用的是雙積分A/D轉換器。

最大阱容（Full Well Capacity）和讀出噪聲（Read Noise）

最大阱容是每一個像素可容納電子的能力，這些電子是光電二極管從光子轉換過來的。當像素容納的電子越多，其電荷密度也相應增長。當光電二極管轉換的電荷量達到或超過最大阱容時，就會出現電荷溢出到相鄰像素等負效應。所以，最大阱容也是勢阱存儲電荷容量的上限，最大阱容是像素面積的函數，像素面積越大，最大阱容也越大。

讀出噪聲（read noise）用電子數表達，表示弱信號時的本底噪聲（noise floor）。例如，讀出噪聲是10個電子，在一次曝光中若是一個像素中僅有一個光子轉換爲電子，信號將在噪聲中消失。

老一點的CCD讀出噪聲大約爲15-20個或更多。新的CCD在好一點的相機中大體是6-8個電子的範圍，有些能夠低到3-4個。當前最好的CMOS傳感器的讀出噪聲爲3-4個電子。下圖是一些數碼相機的讀出噪聲。其反映的趨勢是讀出噪聲與像素的間距（大小）無關。

曝光時間少於一分鐘，信噪比很低時，讀出噪聲佔據主導地位。對長時間曝光來講，熱噪聲一般是主要的因素。熱噪聲隨着溫度和曝光時間的增長而增長。熱噪聲來自於暗電流中的噪聲，噪聲值爲暗電流所產生電子數的平方根。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

Clark上述關於最大阱容和讀出噪聲的定義與業界公認的一致，沒有什麼問題。但5D2和D3的最大阱容竟然是同樣的，這點甚爲可疑。

因爲D3的像素面積是5D2的1.74倍，若是兩者均按1700個電子/平方微米的密度，D3的最大阱容應該是114,100，高於5D2的65,700,也高於5D和1DMKII的80,000,位居榜首。


正在討論的概念和原理
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動態範圍（Dynamic Range）和寬容度（Latitude）
動態範圍是在多個領域頻繁使用的一個術語，通常用來描述如光和聲這樣有很大變化範圍物理量的最大和最小值的比。

數碼相機的動態範圍有多種不一樣的定義，有直接按最暗和最亮光強之比的定義（如dpreview），也有最強信號與最弱信號（SNR>1)之比的定義（dxo)。最明確的是Clark的定義：

動態範圍是在每檔ISO的最大信號除以本底噪聲。而本底噪聲是傳感器的讀出噪聲、模數轉換限制和放大器噪聲的組合。在評估數碼相機時，這三個因素沒法區分，一般被稱爲數碼相機的讀出噪聲。因此，動態範圍是最大阱容（full-well capacity）/最小讀出噪聲。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

因爲其它定義存在二義性，討論以Clark的動態範圍定義展開。

寬容度是一個從膠片寬容度引伸到數碼相機的概念。下圖爲膠片的H&D曲線：


寬容度指的是H&D曲線上直線部分在橫座標上的投影範圍，即寬容度定義爲感光材料在攝影過程當中按正比關係記錄景物亮度反差的曝光量範圍。這段投影範圍沒有包括趾部和肩部部分。
http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1982

相似膠片寬容度的定義，數碼相機的寬容度是指傳感器可以感光的最大光強與最小光強之比。

通常認爲，數碼相機的動態範圍與寬容度是一致的。特別是國外的資料，只能找到膠片寬容度（Latitude of an emulsion）， 關於數碼相機的測評和有關資料中是找不到寬容度（Latitude）的，只有動態範圍（Dynamic Range）。而動態範圍的定義並不嚴格，好比維基百科關於動態範圍的條目中，電子學的解釋相似於Clark的定義，攝影的解釋又與咱們認爲的寬容度相似。對數碼相機這種用於攝影的電子產品，除非認爲這兩個概念是一致的，才能使用同一個概念。
http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_range

我認爲動態範圍若是按Clark定義，與寬容度並不徹底一致。動態範圍和寬容度在上限上是一致的，但動態範圍的下限要小於寬容度，即寬容度比動態範圍要大。

顯然，Clark也意識到了這一點，因此明確了其所指的動態範圍是 full-well capacity / best read noise（最大阱容/最小讀出噪聲）。下面這張關於不一樣數碼相機動態範圍的對比圖就是按照這個定義來比較的。



圖中的橫座標是像素間距（微米），縱座標是動態範圍（檔）。圖上的兩條曲線中綠色的讀出噪聲爲2個電子，棕色的爲4個電子。因爲綠色曲線的讀出噪聲較小，所以位於其附近的數碼相機的動態範圍要高。

上圖中5D2的動態範圍最大。按照Clark給出的數據，5D2的線形動態範圍是26300，換算成檔爲14.7檔。是所比較相機中最高的。

然而，Clark的數據中5D2的最大阱容是65700，而D3是65600。這顯然是有問題的。

下圖爲Clark給出的一些數碼相機和傳感器的最大阱容。



圖中的橫座標是像素間距，縱座標是像素的最大阱容。最大阱容是根據1700個電子/平方微米的電子密度計算（更高的電子密度將帶來反作用方面的更大問題，包括溢出）。

按照Clark給出的數據：

5D2傳感器的長邊有5616個像素，短邊爲3744個像素。長邊邊長爲36毫米，短邊邊長爲24毫米。像素的長邊爲36/5616 = 6.41微米，短邊爲24/3744 = 6.41微米，面積爲41.09平方微米。

D3傳感器的長邊有4256個像素，短邊有2832個像素。長邊邊長36毫米，短邊邊長23.9毫米。像素的長邊=36/4256 = 8.46微米，短邊 = 23.9/2832 = 8.44微米，面積爲71.38平方微米。D3的像素面積是5D2的1.74倍。

按照Clark給出的1700個電子/平方微米的密度來肯定最大阱容，5D2的最大阱容爲1700 X 41.09 = 69,855個電子，與給出的65,700接近。所以，D3的最大阱容爲65700 X 1.74 = 114,100個電子。

按照Clark給出的數據，D3的讀出噪聲爲4.9，線性動態範圍 = 最大阱容/讀出噪聲，D3的線性動態範圍 = 114100/4.9 = 23286。雖然仍然小於5D2的26300，但已經高於5D和1DMKII的20000以及1DMKIII的17500，折算爲檔約在14.5左右（位於5D的14.3和5D2的14.7之間）。

Clark在網頁中提到其D3數據的來源：

Nikon D3 info derived from references 16 and 21; Reference 21 derives a saturated full well capacity of 65,568 electrons. This is in contrast to the stated (December 2007) 340,000 electrons in reference 16 (which is several times the full well capacity on a per square micron basis that any other CMOS or CCD sensor). For example, 340,000 gives 4761 electrons per square micron much higher than any published value I have seen. I will use ~137,000 electrons as the full well, which gives 1918 electrons / sq. micron, still a value that is probably too high.
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

其中參考資料21(http://www.brisk.org.uk/photog/d35dcomp.html)給出了D3在ISO 200時的最大阱容爲65,568個電子，但做爲對比的5D在ISO 100時爲61,900個電子,比D3還要低，按照這兩個數值，D3的電子密度爲918個/每平方微米，5D的電子密度爲920個電子/每平方微米，均遠低於1700個電子的理論密度。Clark在上圖中5D的最大阱容是80,000個電子，比參考資料21給出的61,900高得多。按照上圖中給出的數據，5D2的電子密度則爲1600個電子/每平方微米。Clark給出1DMKII的最大阱容爲79,900個電子，對應的電子密度爲1,193個電子/平方微米，都比5D2的電子密度要小得多。若是D3按Clark上面所說137,000個電子的最大阱容計算，D3的線性動態範圍將達到27,959，超過5D2。若是D3的最大阱容按5D2最大阱容的1.74倍算出的114,100個電子，則電子密度爲1592個電子/平方微米，小於1700個電子/平方微米，與5D2同樣。因此，Clark在肯定D3的最大阱容以及動態範圍時使用的數據是有問題的。

Clark也給出了讀出噪聲的比較圖：


橫座標是像素間距，縱座標是讀出噪聲。

目前佳能在讀出噪聲性能方面的技術是領先的，較低的讀出噪聲值 = 較好的性能。尼康目前是將讀出噪聲的平均值修剪爲0，會丟失一些數據。佳能包括了一個偏移量，所以在處理一些原始轉換時能保留低端的噪聲，這對於用平均多幀來檢測低亮度的對象（例如天文攝影）是很重要的。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

然而，正如前面所指出，含轉移門管的4T像素以及全電荷轉移CDS電路並不是佳能的發明，索尼和尼康公司均能使用，佳能在讀出噪聲性能方面的技術並非領先的。假定佳能5D2的讀出噪聲比尼康D3的讀出噪聲要小是不能成立的。

實際上，spot在本貼提出過一種測量相機本底噪聲的方法而且測量了5D的本底噪聲：

原文由 spot 在2010-01-12 15:33發表
今天作了個簡單的試驗，以爲很方便並且比較準確，不像拍白牆還有不少主觀因素，這樣能夠省去不少無謂的口水。

不知道你們購機時有沒有測試過CMOS的壞點和亮點。經常使用的一個小程序是DeadPixelTest，下載地址以下：http://www.newhua.com/soft/38746.htm。

這個程序的原理是很簡單的，就是全黑拍攝一張照片，讀入一個圖像，而後計算圖像中亮度超過一個指定闞值(Threshold)的象素數量。通常購機時指定的闞值都比較大，好比缺省亮點(hot)的闞值是60，壞點(dead)的闞值是250。咱們如今把這個闞值設置成1，那麼，這個小程序就轉變成統計出圖像中全部亮度大於1的象素總數。

全黑拍攝的方法是，蓋住鏡頭蓋，再用手或者遮光的東西擋住後面的取景器，把鏡頭打到MF（手動對焦），相機打到M檔（手動曝光），而後只改變ISO設置（切記不要改快門速度），按快門就能夠了。拍攝完成後，用原廠RAW轉換程序，把圖像轉換成每通道8位的TIFF文件（JPG文件自己是有損壓縮，會增長噪點，不夠精確，但最終結論是同樣的）。

這種拍攝條件下，毫無疑問，正確的象素應該全都是0，那麼，咱們認爲，凡是大於等於1的都算成噪點。若是噪點來源就是相機CMOS自己固有的噪點，那麼在與光線無關，以及相同的溫度、溼度、曝光時間等條件下，噪點水平將與ISO無關，基本固定在同一個範圍。

如下是我用5D測試的結果：

ISO100 第一次噪點數量170131 第二次噪點數量170249

ISO1600 第一次噪點數量2229339 第二次噪點數量 2194615

結果很明顯，這種全黑拍攝的測試結果，ISO1600下的噪點數量比ISO100下高出將近15倍。

你們均可以本身作一下。

這個試驗的結論說明，ISO放大的確會顯著增長噪點水平。

另， 補充說明，本測試只針對同一臺相機進行不一樣ISO的比較，你們不要橫向互相比較
[spot 編輯於 2010-01-12 15:42]

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SPOT提出的這個方法實際上是能夠用來比較不一樣相機得本底噪聲的，並且能夠不受鏡頭的影響，也比較客觀。只不過比較的結果代表尼康在下降相機本底噪聲技術上不比佳能差，若是不是更好的話。

將DeadPixelTest的亮點(hot)閾值和壞點(dead)的閾值均設爲1
用個人D3關閉機內降噪後，測試結果以下：
ISO     噪點數
100         0
200       362
400      8824
1600    531646
3200   2346234
6400   8332766

借了一臺5D2，測試結果以下：
ISO     噪點數
100    293888
200     45323
400       465
1600     47096
3200   1344938
6400  11325530

顯然，D3的降噪比5D要好得多。5D2的數據比較特別，多是我不會用，不知道如何關閉其機內降噪，因此其機內降噪從ISO 200就開始工做，使得ISO200、ISO 400、ISO 1600的噪點數比ISO 100的還少。同時，因爲5D2的像素比D3多了近一倍，其噪點數量多於D3很正常（像素越多，不一致性就越大，噪點也會越多）。所以能夠認爲兩者的降噪技術在同一水平。

因爲D3的讀出噪聲與5D2至關，但D3的像素面積是5D2像素面積的1.74倍，若是兩者的溢出電荷密度至關，則D3的動態範圍將是5D2的1.74倍，大了近一檔。而不是Clark所認爲的小了近一檔。

根據Clark計算的單位增益（Unity Gain），D3的高感比5D2至少大一檔。所以咱們有理由認爲：5D2的ISO比D3虛高了一檔。若是嚴格按照ISO 12232的國際標準，5D2的寬容度比D3小一檔。


單位增益（Unity Gain）

Clark認爲：
影響傳感器感光度的一個重要概念是量子效率。但相機性能的其它因素也起到了必定的做用，包括像素的尺寸以及覆蓋在像素上的濾鏡（馬賽克RGBG濾鏡，紅外濾鏡以及低通濾鏡）傳遞。大像素收集更多的光線，就像一個大桶在暴雨中收集更多的雨滴同樣。結合量子效率以及像素尺寸和濾鏡（馬賽克RGBG濾鏡，紅外濾鏡以及低通濾鏡）傳遞的參數被稱爲「單位增益ISO」。單位增益ISO是相機的模數轉換器數字化1個電子到數字圖像中的一個數值（DN）的ISO。進一步，假定一個12位的轉換器並按比例將全部相機統一到單位增益ISO。因爲1個電子（1個被轉換的光子）是可數字化的最小量子，上述單位增益ISO會小量增長ISO（量子效率使小增益得以實現，但ISO增長，動態範圍減小）。下圖爲幾種相機和傳感器的單位增益ISO。其清楚地顯示了ISO性能是像素尺寸的函數。



單位增益是像素間距的函數。圖中最低值是ISO 100，Canon S70 P&S相機，像素間距2.3微米。數碼相機的最高值爲ISO 1600，是Canon 5D，像素間距8.2微米。這代表在一樣的光圈/快門速度下，5D收集的光子是小像素相機S70的16倍。不過ISO取決於相機生產廠商選擇的放大器增益，單位增益ISO僅只是指導。例如5D和1DmkII有着一樣像素尺寸，收集一樣的光子數，卻有着不一樣的單位增益ISO。尼康D3有8.46的像素間距，已經超出了這張圖的頂部，見下圖。



單位增益是像素間距的函數。與上圖爲一樣的數據，只是比例被擴展。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

從Clark在其網頁的Table 3b表中給出的數據能夠看出，從ISO200起，D3在每一檔ISO上，單位增益ISO都比5D2高出一倍：

ISO200，5D2爲2.03，D3爲4.1，ISO400，5D2爲1.01，D3爲2.1，ISO800，5D2爲0.51，D3爲1.1，ISO1600，5D2爲0.25，D3爲0.5，ISO3200，5D2爲0.127，D3爲0.25。

顯然，大像素的D3在高ISO方面比5D2高出一檔，也就是如上圖所示。在一樣光圈/快門下，小像素的S70在ISO100時的感光度，只至關於5D2設在ISO1600，D3設在ISO3200時的感光度。這代表從ISO200開始，5D2的感光度只至關於D3的一半，也就是D3能夠比5D2感覺更弱的光。

若是Clark給出的數據是正確的，那至少說明兩個問題：

一、從ISO200開始，5D2標定的ISO與D3的不一致，與D3的標定相比，高標了一檔。

二、D3能夠比5D2感覺更弱的光線。但按Clark給出的數據，5D2的讀出噪聲比D3還低一倍（2.5:4.9)，而讀出噪聲是動態範圍的下限，若是動態範圍與寬容度是同樣的，這兩個數據明顯矛盾。只有將寬容度解釋爲與動態範圍不一致且寬容度的下限比動態範圍的下限還要低，才能解釋這個矛盾。因此我認爲，若是按照Clark動態範圍的定義，只能認爲寬容度與動態範圍是不同的，寬容度的下限低於動態範圍的下限。

根據A/D轉換電路的原理，Clark的下述定義是有問題的：

A parameter that combines the quantum efficiency and the total converted photons in a pixel, which factors in the size of the pixel and the transmission of the filters (the Bayer RGBG filter, blur filter, IR blocking filter), is called the "Unity Gain ISO." The Unity Gain ISO is the ISO of the camera where the A/D converter digitizes 1 electron to 1 data number (DN) in the digital p_w_picpath.

結合量子效率以及像素尺寸和濾鏡（馬賽克RGBG濾鏡，紅外濾鏡以及低通濾鏡）傳輸的參數被稱爲「單位增益ISO」。單位增益ISO是相機的模數轉換器數字化1個電子到數字圖像中的一個數值（DN）的ISO。
http://www.clarkvision.com/p_w_picpath ... erformance.summary/

首先，ADC沒法數字化一個電子（負電荷）到數字圖像中的一個數值（DN），由於CMOS像素輸出的信號是電壓而是否是電子。所以，輸入ADC的模擬信號是電壓而不是電子。

其次，使得ADC產生輸出的最小輸入信號取決於ADC的分辨率和像素輸出信號的最大值。例如，若是像素輸出信號電壓的最大值爲5V，則使一個14位ADC輸出的最低位從二進制的0轉換爲1，須要的輸入信號電壓是0.31毫伏。假定CMOS像素中的放大器Msf增益爲10倍，則加在Msf放大管柵極上的電壓爲0.031毫伏，這個電壓 = 電荷量/最大阱容，按照Clark給出的5D2的最大阱容65,700個電子計算，產生0.031毫伏電壓的電荷量 = 2個電子（負電荷）。

第三，ADC的最小輸出與ISO無關，反映的是傳感器的感光度，也就是使得傳感器可以產生輸出的最小曝光量。若是按Clark給出的45%的量子效率按上面的例子計算，就是像素在接收到2/0.45 = 5個光子時，在不考慮讀出噪聲的狀況下，才能使得14位的ADC產生一個最小輸出。

因此，Clark關於單位增益ISO的定義是錯誤的，有關的圖和數據也不該該按照單位增益ISO來解釋。



按照Clark的說法：「ISO取決於相機生產廠商選擇的放大器增益，單位增益ISO僅只是指導」，廠家要提升ISO彷佛只須要改變ISO放大器的增益。而根據ISO 12232：2006的對ISO速度報告的定義，廠家應該按照國際標準測定相機的感光度並據此標定ISO速度，而不是經過改變放大器的增益來肯定ISO速度。實際上，ISO 12232明確規定ISO的範圍就是寬容度範圍，只是某些廠家在某些型號的相機上沒有按照ISO12232的要求來標定ISO，形成了用戶的誤解和困惑。

低照度感光係數（Low-Light Sensitivity Factor）

Clark認爲：
單位增益ISO描述了在高ISO時圖像的高信號部分（高光），而讀出噪聲特性則對應照片的低信號端。但若是相機接受更多的光子給像素，讀出噪聲沒法單獨反映陰影的特性。「低照度感光係數」描述了在高ISO下的陰影的特性（下圖）。其也描述了在高ISO下曝光10秒以上陰影部分的低光特性。在天體攝影中，在熱噪聲尚未成爲主要因素以前曝光，高的低照度感光係數將能記錄更昏暗的星星。


低照度感光係數描述了在高ISO下顯示圖象陰影或暗部的相機特性。低照度感光係數 = 讀出噪聲單位除以單位增益ISO（電子）。較高的值表示在高ISO時具備紀錄陰影細節方面更好的性能。
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低照度感光係數（Low-Light Sensitivity Factor）彷佛也只是Clark的一家之言，從其定義看有較大的問題。讀出噪聲自己就是就是噪聲分佈的平均值，將其除以單位增益ISO意義不清楚，很難想象這個定義可以更好的表示傳感器或相機的暗光性能。Clark搞出這樣一個係數的目的很清楚，就是想說明佳能相機降噪好，讀出噪聲低，能夠在必定程度上抵消尼康相機像素面積大、收集光子多的優點。因此，在上圖中5D2的低照度感光係數與D3的相差無幾。

Clark先生是佳能的粉絲，但比國內的某些佳能粉絲要理性的多。在其文章的最後Clark先生指出：

It is this predictable signal and noise model that allows us to predict the performance of digital cameras. It also shows us that those waiting for the small pixel camera to improve and equal the performance of today's large pixel DSLR will have a long wait: it simply can not happen because of the laws of physics. So, if you need high ISO and/or low light performance, the only solution is a camera with large pixels.

能夠預料，信號和噪聲的模型容許咱們預測數碼相機的性能。這告訴咱們改進小像素相機使其等於今天的大像素DSLR的性能將要等待很長時間：因爲物理定律這不可能簡簡單單的發生。所以，若是咱們須要高ISO以及/或者暗光性能，僅有的解決方案是擁有大像素的相機。
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有人說過，在愛情面前女人的智商趨於零。我認爲在偏見面前男人的理性趨於零，偏見越深，理性越少。即便是Clark這樣有理性的人，雖然在DSLR與小DC的比較中他得出了正確的結論，但在DSLR範圍內，其結論就只對佳能的DSLR有效了，彷佛物理定律只做用於佳能的DSLR而對其它公司的DSLR無效。這一點從其給出的理論模型和數據能夠很容易地看出來。

傳感器性能模型（Sensor Performance Model）

Clark在圖（即前面引用的除讀出噪聲以外的圖）中給出的曲線是根據其提出的理論模型繪製的。Clark認爲:

圖中的傳感器模型雖然很簡單，但精確描述了許多傳感器。那些與模型有較大距離的數據點一般是一些老的傳感器。好比填充係數較低，低質量的微透鏡以及較低的量子效率等等，新的傳感器傾向於更接近模型。

模型假定目前的數碼相機量子效率類似（約45%），最大阱容 = 1,700個電子/每平方微米（激活面積的電子密度），讀噪聲 = 4個電子（除非另有其它讀出噪聲值）以及在像素之間有0.5微米的隔離區（在2008年12月之前在網頁中顯示的圖中，對APS-C和較大的傳感器使用過1微米的隔離區，但新的相機數據代表0.5微米的隔離區更合適）。例如，某傳感器的像素間距爲3.5微米，激活面積爲9平方微米，收集9 X 1700 = 15,300個電子。（後面部分涉及到的AIQ圖和衍射圖暫不涉及，故沒有翻譯）。
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不管是Clark先生的圖仍是給出的數據中，除了單位增益ISO以外，D3的數據都距理論曲線較遠，而佳能的相機，特別是5D2，基本上都是在理論曲線上或者附近。這代表要麼D3的性能不好，要麼Clark先生的理論模型或者D3的數據有問題。但正如Clark正確指出的那樣：是物理定律決定了大像素比高像素在高ISO或暗光方面（包括天文攝影在內）有更好的性能，所以只能認爲Clark先生的理論模型或使用的數據有問題了。



勢阱（Potential Well）和阱容（Well Capacity）

這部分是個人觀點，並不是定論。若是有同窗認爲不對，可發表見解提出不一樣意見來討論。很是但願有理有據的不一樣意見和見解來糾正個人錯誤。若是沒有有力的反駁和不一樣意見，我將堅持個人觀點。

從CMOS-APS像素的電路原理圖中能夠看出，光電二極管、Mrst管和Msf管之間造成了一個電容，快門開啓後，光電二極管接收到光子後產生電流，在快門打開期間，電荷量等於電流乘以快門開啓時間，這些電荷在這個電容內積累（對時間積分），在快門關閉後這個電容中的電荷就是像素在本次曝光中接受到的電荷量。



根據公式電容（C）等於電荷量（Q）除以電壓（V），而電容C是一個常量，能夠獲得電壓（V） = 電荷量（Q）/電容（C）。也就是加在Msf管柵極上的這個電壓與電荷數成正比，這個電壓被Msf管放大，在Msel管選通後作爲像素的輸出信號電壓。

這個電容是MOS電容，在不少資料中被稱爲勢阱（Potential Well）。阱容是每一個像素的勢阱容納電荷的能力，而最大阱容（Full Well Capacity）就是勢阱中的電荷溢出或飽和時的容量。

在曝光期間，光電二極管受到光的照射後產生電流I,在曝光時間t內光電二極管轉換的電荷量Q = I X t。這些電荷存儲在像素的勢阱中，勢阱能夠容納電荷的最大容量就是最大阱容。傳感器作好後，最大阱容就是一個肯定的值，所以能夠應用電容公式：V = Q/C來計算信號電壓。式中的C是最大阱容，Q是電荷量，V是電壓。這個電壓被像素中的放大器放大後做爲像素的信號電壓輸出。從式中能夠看出，像素的輸出信號電壓與電荷量Q成正比。

這裏有一個比較關鍵的問題，就是勢阱的容量如何肯定？與哪些因素相關？

通常的平板電容按照電容公式與平板的面積成正比，像素的阱容是否也與會與像素的面積成正比呢？按Clark的理論模型：

The model assumes a quantum efficiency similar to current digital camera sensors (~45%), a full well capacity = 1,700 electrons per active square micron (the electron density), read noise = 4 electrons (except where noted for other read noise values) and a 0.5-micron dead space between pixels.
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即最大阱容於像素面積成正比，最大阱容是像素可記錄的最大信號，當信號強度超過最大阱容時將會飽和或溢出。另外一方面，像素的感光面積決定了其可檢測的最小信號，而像素的感光面積也是與像素的面積成正比。其結構以下圖所示：



上圖是一個CCD像素的結構示意圖，我用在這裏是想要說明像素的感光面積與勢阱面積不是一回事。雖然CCD和CMOS像素是有區別的，但區別不在這裏。由於不管是CMOS像素仍是CCD像素都有一個光電二極管，這個光電二極管的受光面積纔是像素的感光面積，而不管是CMOS像素仍是CCD像素也都有一個勢阱來存儲光生電荷，而這個勢阱的面積與光電二極管的受光面積能夠作成同樣的，也能夠作成不同的。這一點在CCD像素中比較明顯，而CMOS像素中不是那麼明顯。使得不少人誤覺得像素的感光面積等於像素的勢阱面積，而要論證清楚個人觀點這一點是很是重要的。

CCD器件沒有CMOS器件特有的CMOS填充係數問題。如上圖所示，雖然光電二極管（藍色部分）也只是像素的一部分，但經過微透鏡能夠將整個像素面積上的全部光線都集中到光電二極管的受光面積上，由於勢阱與光電二極管在同一個平面上，因此不會阻擋光線。所以，CCD的CMOS填充係數能夠看做是1，或開口率爲100%。這就是爲什麼不少小DC用CCD器件的緣由，若是撇開CCD器件的其它問題（如大尺寸傳感器成品率低等），用CCD器件至關於使用了SONY的背照式技術CMOS。

那麼，勢阱面積（上圖中的紅色部分）也就是圖中標出的電荷存儲區起到了什麼做用呢？能夠用富士的Super CCD SR來講明這個問題。以下圖所示：



富士的CCD SR是指CCD傳感器的每一個座標位置由兩個像素構成，一個是R像素，受光面積小，主要用於接收高光信號。另外一個是S像素，受光面積大，主要接受弱光信號。因爲是兩個不一樣的像素，因此其光電二極管的受光面積和勢阱面積也是不同的，其原理可用下圖來講明：



顯然，大像素S的光電二極管受光面積大，接受的光子多，小像素R的光電二極管受光面積小，接受的光子少，這一眼就能看出來。但請仔細考慮一下，這是否就代表大像素S就必定會比小像素R先飽和？

上圖的橫座標是進光量，在照度不變的狀況下，進光量（曝光量）與曝光時間成正比，所以，小像素S達到飽和點的時間是大像素S的4倍（400%比100%），這一點富士是如何作到的？

在前面的討論中，有同窗舉了一個比喻來講明像素的受光面積與像素輸出電壓的關係：

在下雨天中放兩個面積不一樣的兩個盆，若是下的雨是均勻的，那麼這兩個盆的水位是同樣的。所以，像素的輸出信號電壓與像素的受光面積大小無關。

實際也是這麼回事，在雨天中，若是下的雨是均勻的（至關於照度不變），大小盆的水位確實是同樣高（至關於電壓或電荷密度同樣高）。也就是說，若是大盆的水位溢出盆外（至關於飽和），小盆的水也會溢出盆外。按照這個推理，當大像素S飽和時，小像素R也必然同時飽和。那麼，富士的Super CCD SR技術豈不是沒有意義了嗎？

幾天來不多有同窗正面回答這個問題，也許是問題不清晰。我再貼一張截自佳能CMOS傳感器白皮書的圖來講明這個問題：



如上圖所示，佳能指出，大像素的面積是小像素的5倍，收集到的光也是小像素的5倍，存儲電荷的容量也是小像素的5倍，但大像素和小像素存儲電荷的高度是相等的，所以溢出或飽和點是同樣的。

那麼，富士又是怎麼作到讓大像素S比小像素R先溢出的？

簡單說富士的Super CCD SR其實是讓S象素的感光面積大而電荷存儲面積小，而R像素的感光面積小而電荷存儲面積大。S像素的感光面積比R像素的感光面積大使得S像素在一樣照度下產生的光生電荷比R像素的多。同時，因爲S像素的電荷存儲面積比S像素的電荷存儲面積小使得在一樣時間中S像素的電荷密度（電壓）比R像素的電荷密度（電壓）高。所以，S像素就會比R像素先達到電荷飽和密度（飽和電壓）。

用接雨水的例子說明就是S像素的形狀像一個有底的漏斗，可以接雨水的面積大但存雨水的面積小。而R像素的形狀像一個口小肚大的罐子，可以接雨水的面積小而存雨水的面積大，在兩者高度相等、雨量均勻的狀況下，漏斗形狀的容器比罐子形狀的容器會先溢出。

實際上，只要設計好S像素和R像素的感光面積和電荷存儲面積，好比S像素的感光面積是R像素的2倍，但S像素的電荷存儲面積是R像素的1/2,就可讓R象素的溢出時間是S像素的4倍。這也代表，R像素在傳感器芯片上實際佔據的面積與S像素是同樣大的，只是其開口（感光面積）較小而已。

關於寬容度與ISO設置範圍

許多同窗認爲ISO可設置的範圍與傳感器的寬容度無關，對我認爲ISO可設置範圍大代表傳感器的寬容度也大的觀點提出質疑。我對此問題已經回答過不少次了，但考慮到新加入討論的同窗可能沒有看到個人理由。所以將其放到首貼裏：

一、不管是模擬仍是數字ISO放大器都只可能對輸入的信號進行放大，而輸入放大器的信號只多是感光傳感器的輸出信號。因此，ISO放大器的工做範圍必然要在感光傳感器的寬容度範圍內，其能放大的最小信號就是感光傳感器寬容度的下限，也就是感光傳感器可以輸出的最小信號，最大信號就是感光傳感器寬容度的上限，也就是感光傳感器可以輸出的最大信號。

二、在正常拍攝的狀況下須要用到高ISO的時候是光線較弱的時候，光線越暗，須要提高的ISO值也就越高。而光線暗代表感光傳感器接收到的信號弱。所以，可設置的最高ISO與感光傳感器寬容度的下限對應，即對弱信號有較高的放大能力，但不可能超過寬容度的下限，由於信號若是弱於感光傳感器的寬容度下限傳感器沒有輸出信號。另外一方面，光線越強，須要設置的ISO越低，起跳ISO對應的是感光傳感器寬容度的上限，此時感光傳感器接收的光信號也最強，但最低ISO不可能超過感光傳感器寬容度的上限，由於信號強度超過傳感器寬容度的上限將會使得其飽和。因此，ISO的設置範圍只能等於或小於感光傳感器的寬容度。

三、因爲ISO放大器的增益是要根據ISO的設置來調節的，不一樣於用於加強信號的固定增益放大器，可做爲單獨的電路來工做，所以應該儘可能避免引入放大噪聲，因此，不管其是模擬放大器仍是數字放大器都不會是噪聲的主要來源。

根據以上三點，認爲ISO設置範圍與感光傳感器的寬容度無關的觀點是不能成立的。因爲尚未人能推翻以上論點，我依然堅持ISO的設置範圍與傳感器的寬容度相關，ISO設置範圍大的傳感器其寬容度也較大，由於ISO的設置範圍不可能超過傳感器的寬容度。

關於ISO放大電路的原理和機制

1、此前我認爲ISO放大電路是數字電路的依據有兩點：
一、CMOS像素中有A/D轉換電路，而ISO放大器不多是像素中的放大器，由於ISO放大器的增益必須可調，而像素中的放大器其增益應該是固定的。因此，ISO放大器只可能在A/D以後。在柯納和DVCOM兄指出我將CMOS-APS當成了CMOS-DPS以後，這個依據天然沒法成立，所以我放棄了ISO放大器必定是數字電路的觀點。

二、ISO放大電路從原理上看，首先是ISO值能夠設置，而設置電路部分不只要輸入（即改變ISO值）數值並且還須要與相機的測光子系統以及除手動以外的P/A/S檔聯動，這些都須要經過相機的主控CPU才能實現，故ISO放大器的增益控制電路應該是數字電路。所以，即便第1點不成立，ISO放大器或放大電路也必然會包含數字電路部分。

因此，ISO放大電路即便不是數字電路也必定是數模混合電路，而不多是模擬電路。只是我認爲ISO放大電路是數字電路仍是模擬電路與本主題討論的問題關係不大，因此沒有查資料來證明這個見解。當spot從網上搜出ISO放大器是一種Programmable Gain Amplifier（可編程增益放大器）時證明了個人這個見解，由於任何可編程的器件要麼是數字電路，要麼是數模混合電路，惟獨不多是模擬電路。

2、任何信號放大器的目的都是放大信號，但放大器沒法識別出信號與噪聲，所以放大的時候確定是眉毛鬍子一把抓，將噪聲和信號一塊兒放大。若是是模擬放大器，放大器自己也是噪聲源。而ISO放大器的增益與光信號的強弱成反比，光線越弱，須要提高的ISO越高或者說放大器的增益越大。而傳感器輸出的信噪比與入射光線的強弱正相關，也就是光線越強，信噪比越高，光線越弱，信噪比越低。所以，若是ISO放大器自己的噪聲也很高的話，那麼這種放大將毫無心義，雖然信號被放大但噪聲也被放大並且還增長了，反而下降了信噪比。因此，ISO放大器必須是低噪聲的器件，也就是不多是主要的噪聲源。認爲照片或文件中的噪點主要來源於ISO放大器從邏輯上是不能成立的，拍片實驗的結果也證實了這一點。

3、既然ISO放大器不是主要的噪聲源，那就說明噪點在被ISO放大器放大前就已經存在而且會被ISO放大器放大。這說明若是面對同一場景（場景應有至關的反差，不能是一張白紙或一堵白牆）時在低ISO設置（好比ISO 200）下拍攝一張照片沒有發現噪點，在場景亮度不變的狀況下不改變光圈/快門，僅提升ISO（好比到ISO 3200）再拍攝一張照片可以在暗部發現噪點的緣由是這些噪點原來是看不見的，經過ISO放大器放大後才能看見。換句話說，在這種特定狀況下（對同一場景亮度不變，不改變光圈/快門只提高ISO），低ISO時拍攝的照片中沒有看見噪點不等於這些噪點不存在於照片或文件中，只是其沒有足夠的亮度而不能被看見。在高ISO時能看到這些噪點是由於ISO放大器放大了噪點的亮度使這些噪點變得可見。

因爲暗部的信噪比小，因此噪點通常出如今暗部而不是亮部。若是拍攝的場景是一張白紙或一堵白牆的話，因爲空白的紙或牆基本上沒有反差或反差極小（在直方圖上是一個亮度範圍很窄的垂直區域），只要在低ISO時曝光正確，不管是低ISO或高ISO（放大前以及放大後）拍的片子都不可能發現噪點，由於其信噪比已經足夠高而且是同樣的（只有在有反差的狀況下才會有不一樣的信噪比，亮部信噪比高而暗部信噪比低）。

4、數碼相機的ISO放大電路與測光系統是關聯的，測光前必須先要設定ISO，這一點對許多沒有用過測光表的同窗來講可能沒有意識到。帶自動測光系統的相機都預設了起始的ISO，在通常狀況下是相機的起跳ISO，好比ISO 100。所以，即便沒有設置ISO，在測光的時候ISO實際上也在發揮做用。好比在P檔半按快門測光後光圈爲5.6，快門速度爲1/15S，此時相機多是設置在ISO 100上而拍攝者徹底沒有意識到這一點。在一樣場景、一樣亮度下改變ISO必然會改變相機的快門或光圈。好比將ISO從100提高到200後半按快門測光，在光圈不變的狀況下，速度將變爲1/30s。因此，在正常拍攝的狀況下，改變ISO將會改變光圈快門或者通光量。

從ISO放大電路的原理看，不管其是在A/D轉換前仍是轉換後都對個人基本觀點沒有什麼影響，因此在搞清楚其原理和機制以後對這個問題的討論就到此結束。固然，若是有同窗認爲我關於ISO原理和機制的觀點有問題，也歡迎繼續發表意見，若是提出的意見有道理而且能在實踐中獲得驗證，我會欣然接受並修改本身的觀點。