消费级 相机 里 CCD 为什么 会 被 淘汰 ?
我 最近 发现 工业级 相机 和 科学 级 相机 里 ccd 的 应用 十分 广泛 ， 而 消费 级 说 难听 点 现在 （ 2022 ） 推荐 别人 买 ccd 相机 大概 率 在 坑人 。 想 知道 这 是 为什么 ， 我 看 了 不少 ccd 和 cmos 的 对比 ， 但 同样 的 问题 科学级 和 工业级 也 会 遇到
现在 CCD 的 优势 应该 仅 限于 少 光子 探测 的 EMCCD 。 还是 半导体 制造 工艺 的 提升 淘汰 了 CCD 。 CCD 和 CMOS 最 根本 的 差别 是 光 积分 之后 光电子 的 处理 。 大部分 CCD 只有 一 个 ADC ， 也 就 是 所有 像素 点 的 光电子 都 要 通过 电子 转移 ， 到 同 一 个 ADC ， 把 电荷 量 转化 为 数字 信号 。 CCD 电荷 转移 的 过程 会 消耗 大量 时间 ， 一 个 个 像素 的 电荷 排队 到 ADC ， 因此 帧 率 难以 提高 。 而 CMOS 的 每 一 个 像素 单元 都 可以 有 自己 的 ADC ， 也 有 一些 是 一 行 一 个 ， 因此 CMOS 片 上 传输 的 是 数字 信号 。 由于 不 需要 慢慢 转移 大量 光电子 ， CMOS 帧率 高 很多 。 CCD 高感差 也 和 光电子 转移 有关 ， 桶 装 的 越 满 ， 就 越 容易 撒 出来 。 早期 的 相机 都 是 CCD ， 因为 CCD 结构 更 简单 ， 半导体 工艺 更 容易 实现 ， ADC 通常 不 在 片 上 ， 可以 用 独立 芯片 。 EMCCD 就 是 这样 诞生 的 ， 光电子 经过 电子 倍增 ， 再 到 ADC ， ADC 的 噪声 相对于 倍增 后 的 电子 微乎其微 ， 成为 单 光子 探测 的 理想 方案 ， 现在 也 保持 着 对 sCMOS 的 优势 。 之后 CMOS 出现 了 ， 由于 每 个 像素 都 是 独立 的 ADC ， 而 受到 当时 工艺 限制 ， ADC 的 测量 误差 不 一致 ， 成像 质量 也 就 不 好 ， 没有 CCD 均匀 。 此外 由于 ADC 需要 占用 一 部分 芯片 面积 ， CMOS 用来 进行 光 积分 的 区域 比例 也 低于 CCD ， 进一步 影响 了 性能 。 随着 半导体 技术 的 发展 ， 出现 了 背 照 式 ， 也 就 是 感光 元件 几乎 所有 受 光 面积 都 用于 光 积分 ， 其他 电子 器件 藏 在 后面 。 CCD 由于 结构 简单 ， 率先 实现 了 背照式 ， 这 是 CCD 吊 打 CMOS 的 时代 ， 柯达 进军 数码 ， 大法 还 没 崛起 。 在 科研 领域 ， 低温 可以 有效 控制 CCD 电荷 转移 的 噪声 ， 除了 少数 高速 应用 ， 都 是 CCD 的 天下 。 半导体 技术 继续 发展 ， CMOS 也 背照 了 ， 但 由于 结构 复杂 ， 此时 的 背照 CMOS 画质 甚至 更 垃圾 了 ... 但 CMOS 速度 快 的 优势 一直 存在 ， 开始 被 应用 到 摄像机 。 另外 ， CMOS 为了 避免 所有 ADC 一起 工作 带来 的 噪声 ， 基本 都 进行 行 曝光 。 也 就 是 每 一行 依次 曝光 ， 依次 进行 ADC ， 保证 每 个 像素 积分 时间 相同 ， 但 前后 有 时间 差 ， 这 也 就 导致 了 摄像 时 可能 有 果冻 效应 。 最后 在 大法 的 努力 下 ， CMOS 终于 实现 了 全面 超越 ， 就 是 制造 工艺 的 提升 使得 ADC 的 差异 可以 忽略 。 原理 上 又 决定 了 CMOS 速度 吊 打 CCD ， 再 加上 CMOS 片 上 不 传递 大量 光电子 的 优势 ， 民用 领域 CCD 基本 是 黄 了 。 科研 领域 也 只 剩 EMCCD 还 有 优势 ， sCMOS 和 现在 新 出 的 qCMOS 都 在 往 少 光子 邻 域 发展 ， 挤压 EMCCD 的 市场 。 CCD 还 有 一些 奇技 淫巧 ， 比如 可以 把 一半 的 像素 用来 曝光 ， 光电子 先 转移 到 另 一半 暂 存 ， 慢慢 做 ADC 读取 。 只要 读取 花 的 时间 小于 曝光 时间 ， 就 相对于 没 浪费 时间 在 读取 。 对 分辨率 要求 不 高 的 时候 ， 可以 把 几 个 像素 的 光电子 转移 到 一起 做 ADC ， ADC 次数 少 了 误差 也 就 小 了 。
