从"芯"而论 浅谈数码相机传感器进化史
2017-08-23 05:36:00 [ 中关村在线 原创 ] 作者：龚老师 | 责编：陈亮
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第1页：从全画幅起家 再重新回归全画幅
第2页：“APS-C决胜论” 尼康带大家走弯路
第3页：其他厂商在做啥 索尼成就刷机狂魔
第4页：从CCD到CMOS 成本决定一切
第5页：未来尽是变数 但全画幅仍是主流
1从全画幅起家 再重新回归全画幅
“芯”，指的是物体的中心部分，也可以指物体的核心，比如“芯片”；对于数码相机来说，最核心的部分自然是相机的传感器。相机行业发展已有百余年，但数码相机出现不过三四十年，而真正进入民用领域仅有二十余年。但是这二十年，凭借着微电子技术的快速发展，不管是相机传感器还是相机处理器都经历了飞速的发展，特别是相机传感器部分。从湿板到正片再到负片，每一次进步都需要几十年甚至更长时间，但是从CCD到CMOS不过二十余年时间。究竟数码相机是如何进化的，画幅真的是从小到大吗，今天我们就来简单聊一聊数码相机的“芯”历史。
·从全画幅起家 再重新回归全画幅
数码相机发展时间虽然短，但是对于大部分消费者来说，接触数码单反或者数码无反其实也不会有太多年头，真要说2000年左右的事情，如果您还历历在目那么您一定是暴露了年龄了。很多朋友都有一个错误的认知，数码相机的画幅是从小到大发展的，从这10年看的确不错，大家从APS-C开始到全画幅，从1/2.3英寸卡片机再到1英寸。但是从整个发展尺度来看，数码相机的画幅，是由小到大，再到小，现阶段再次变大的过程。
传感器画幅大小，经历了从小到大，再到小，然后再到大的过程
最初的数码相机，可以追溯到上世纪七八十年代，第一台数码相机产自柯达，仅仅可以拍摄8万像素的黑白图象，仅仅是一个试验品，第一台真正意义的数码相机诞生于1981年，说出来可能不信，这台数码相机是索尼生产的，型号为Mavica。
世界上第一台数码相机是柯达的试验品，像素只有8万像素
之后的近20年，出现了诸多数码相机的试验品，也包括了苹果的Quick Take 100。富士，尼康，柯达，卡西欧，索尼，理光，佳能等等都在这段时间推出了尝试性的产品，这一阶段，大家的产品长的千奇百怪，存储介质也是五花八门，从CF卡到硬盘到卡带，或者是3.5英寸软盘，无奇不有。
之后二十余年涉及数码相机的厂商非常多，产品更是五花八门，图为苹果QuickTake 100
不过在这20年内，民用数码相机都是以家用机的形式出现，虽然长的千奇百怪，但是用现在的话说，无非就是卡片机。直到1991年柯达推出了首款数码单反相机，型号为DSC-100，搭载一枚14.3×9mm（大概跟现在1英寸画幅差不多）的CCD传感器，像素为130万像素，这是现代数码相机的鼻祖。但是直到2000年前后，佳能和尼康才推出真正意义的自产数码单反。
第一台数码单反是柯达DSC-100是用尼康F3为基础设计的，传感器不过现在1英寸相机大小
第一台数码相机的画幅，在现在看也就是个卡片机，在当时来看由于高昂的售价和复杂的存储，也没有引起太大的轰动。在1999年佳能推出了第一款数码单反D2000，而尼康则是在2000年推出了D1，也都是采用APS-C或者更小画幅。但是2001年，康泰时推出了第一台全画幅数码单反相机 N DIGITAL，第一次把数码全画幅这个概念呈现在了人们眼前。可惜的是，由于CCD工艺复杂，制作全画幅几乎是天工之作，因此康泰时N DIGITAL不仅售价极高而且供货稀少跳票多月，最后也落得了不了了之的下场。
2001年康泰时推出了N DIGITAL这款全画幅，但是结局并不好
其实从康泰时N DIGITAL开始，数码相机实现了第一轮的循环，从小画幅到全画幅的过程。但是康泰时N DIGITAL的悲惨结局，并没有让所有厂商对于全画幅都充满信心。这也导致了第二个过程，就是很多尝试了全画幅原型机的厂商重新回归小底，包括柯达、尼康、富士等等。
2“APS-C决胜论” 尼康带大家走弯路
·“APS-C决胜论” 尼康带着大家走弯路
从康泰时N Digital开始，其实很多数码厂商都认为，APS-C画幅才是数码相机的最佳画幅，最典型的代表就是当时的尼康派系，也就是以现在的尼康为主导的一系列厂商，包括了尼康、当时的老大哥柯达，以及富士等等。尼康在2000-2004年，疯狂的推出了多款D1系列，D2系列，曾经一年推出多款单反，主打高像素、高连拍等诸多领域，但是画幅方面依然是APS-C画幅。
尼康在D1和D2时代，不断推出APS-C机型，把那个时代的APS-C画幅发挥到了极致，2003年的D2H就搭载了Wi-Fi，也算是超前了时代
在画幅竞赛中，真正的赢家是佳能。面对尼康派系（那个年代美能达将死不活，索尼还没有插足高端数码相机的竞争，奥林巴斯专注于43系统，而宾得，宾得是什么？）的疯狂进攻，佳能虽然在在2000年推出了D30企图用CMOS应对尼康诸多单反，但是那个年代CMOS还不成熟，画质远不及CCD，因此也就作罢。但是2002年佳能另辟蹊径，推出了第一款真正可以用于民用的数码全画幅单反1DS，数码单反的全画幅时代就此拉开帷幕。
佳能1DS，第一台真正可以用于民用的全画幅，当然，这是价格上
虽然佳能已经推出多款数码全画幅单反，但是尼康却不为所动，一心认为“APS-C画幅才是最佳的数码画幅”。这个理念也影响很多厂商很多年，至今仍然可以看到很多厂商仍然没有进军或者刚刚进军全画幅领域。不过佳能相机越卖越好，特别是5D与1DS双系列夹击，尼康在F6之后彻底转行进入数码行业，在比佳能晚了6年之后，推出了第一款全画幅单反D3。虽然晚了6年，但是不得不说D3在2007年打了一次漂亮的翻身仗，只可惜这一次的胜利没持续多久，5D2就再一次击败D700，让佳能奠定了数码相机的领先地位。
尼康在靠着第一台全画幅D3打了翻身仗，但这时候已经是2007年，第二年佳能5D2问世，结果如何相信大家都非常清楚
可以说从2000年左右数码相机走上民用市场，到2007年尼康第一台全画幅单反问世。佳能的成功其实有着一定的巧合，也有这尼康、富士、柯达、美能达等等的不争气。究竟这几年，剩下的厂商在干什么，下一页我们继续聊。
3其他厂商在做啥 索尼成就刷机狂魔
·其他厂商在做啥 索尼成就刷机狂魔
说了这么多，其实数码相机厂商还有很多，其他厂商都在做什么？柯达和康泰时作为曾经的巨头，基本上死在了数码相机民用化的第一股浪潮上，但是奥林巴斯却一直在不断努力，在数码相机初期有着非常不错的表现。奥林巴斯在曾经推出E系列，主打43画幅，同样是单反系统，但是更加轻巧。不过在画幅竞争中，43画幅逐渐败给了APS-C和全画幅，因此奥林巴斯的43系统一度销声匿迹。近些年才和松下一起，在M43画幅的无反领域重新杀出了一席之地。
奥林巴斯早在2004年就推出了43画幅单反E-1，但是可惜受到当时APS-C顶峰论影响，奥林巴斯没有选择更大画幅
另外如今的大厂，索尼。其实索尼在数码相机早期，虽然卡片机做的有姿有色，但是高端相机领域一直没有踏足。索尼并没有高端单反相机的制作基础，因此索尼最大的目标是收购美能达，毕竟这时候的美能达虽然仍有雄厚的技术实力，但是公司财务上已经是风雨飘摇。在经历了数年的收购历程后，2006年索尼终于如愿以偿，也开始了索尼大法的刷机狂魔之旅。
刷机狂魔索尼在2006-2010年推出了23数码单反，这个记录实在是难以超越，图为索尼第一款全画幅数码单反，A900
索尼从2006年开始，疯狂推出α系列单反相机，从最初的a100，一直到2010年最后一款数码单反a580，索尼在四年多时间内发布了23款数码单反相机，而且包括a900、a700、a850等全画幅产品，现在看依然是最强悍的刷机狂魔。从2010年开始，索尼不再生产数码单反，改为两线尝试。A33和A55开启了单电的尝试，而NEX 3和NEX5则开启了微单时代。事实证明，索尼的这一步豪赌，微单系列取得了巨大的胜利。
无反相机不是索尼首创，第一台是松下G1，但是索尼的确把无反相机发扬光大了
当然，事后的事情大家就比较清楚了，2013年索尼第一次推出A7系列，从推出就备受好评，全画幅的高画质加上微单的轻巧便携，也注定了索尼在无反领域的行业老大地位。
4从CCD到CMOS 成本决定一切
·从CCD到CMOS 成本决定一切
其实我们说了很多关于相机画幅发展的历史，相机传感器发展的另外一方面，则是从CCD到CMOS的进步。说到CCD，如果您身边有五六十岁，从2000年左右开始使用数码相机的朋友，一定会接触到一个概念：“CCD的画质，特别是色彩，远比CMOS好”。这是，这一点没错。
CCD画质有多好，可以看到近两年专业中画幅后背才换用CMOS，而且不是全部更换（图中三款相机，索尼A900为CMOS，适马SD1为X3，而IQ180为CCD）
CCD和CMOS，本质上是传感器工艺的不同。简单来说，CCD的感光元件，每行的像素点都只使用一个“放大器”来进行处理，而CMOS则是每个像素都有一个单独的放大器。因此CCD上，从像素点来看，用于感光的区域要远大于CMOS，毕竟CMOS上还要集成许多复杂的电路，所以CCD的画质，的确比CMOS好。
如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD电路输出示意图，右图为CMOS示意图
但是CCD有两个天生的缺陷，一个是速度慢，毕竟一个处理器要处理上个个像素点的信息，运算量和发热量是不言而喻的，而且发热量巨大的，导致CCD的热噪普遍很高。另外一个是生产成本高，其实这源自于品控问题，一旦CCD有问题，就是成片的像素出问题，除了作废没有别的办法（很多老相机会有坏掉一条线，就是CCD出问题后整行像素报废），而CMOS出现坏点，之后要不是太多，算法屏蔽就是了。
因为CCD成本高，良品率低，而且速度慢高感差，不能适应高速拍摄需要。所以，随着CMOS工艺的进步，CMOS取代CCD是历史的必然。2001年，佳能推出了D30，是第一台采用CMOS的单反相机。但是当时CMOS的画质还不足与抗衡CCD，所以并没有巨大反响。但是到了2002年，佳能推出1DS，虽然之前已经有几款全画幅数码单反，但是用CCD制造一块全画幅，成本极高，因此并没有得到用户认可。而佳能1DS使用了CMOS之后，售价真正进入了民用能接受的范围，因此CMOS的天下，从此开始。虽然CCD依然有着画质优势，但是到了2007年左右，CCD的保有量已经很少，2010年之后，几乎在没有CCD的135产品。
佳能D30是第一台CMOS画幅的单反，而第一台可以用于市场销售的全画幅1DS，同样是CMOS，从而让价格快速下降
其实可以看到，从CCD成熟应用，再到CMOS全面崛起，不超过十年时间。为何CCD到CMOS的迭代进行的如此快速，以至于即便是CMOS的画质不如CCD，CCD仍然被快速淘汰。根本原因在于“成本与价值”。CMOS价格便宜，足以让数码相机普及，而另一方面，CMOS具有高速性能，在那个时代，体育摄影决定了厂商的使用取向，因此从这一点来说，具备高速拍摄性能的CMOS，无疑从属性上就碾压了CCD。
5未来尽是变数 但全画幅仍是主流
·未来尽是变数 但全画幅仍是主流
我们聊了这么久，说的都是专业相机，从单反到如今无反，大部分机型都是高端机型，即便是入门款，售价也在数千元。我们无法预测长久的未来，相机会以何种形态出现，但是在暂时的三年五年的范围内，我们还是可以对数码相机领域做出较为精准的判断。
现在来看，中画幅这两年发展迅速，但是要是进入大众市场，还为时太早
在未来，从画幅领域来说，更大画幅依然是更吃香。但是中画幅的普及必然是缓慢的，不会像当年全画幅代替APS-C一样来的这么快。因为全画幅替代APS-C，相机的体积和重量在本质上没有变化，但是中画幅由于画幅尺寸、法兰距等等诸多因素，即便是富士GFX、哈苏X1D等等，体积和售价依然昂贵，而且更新周期长，不会再五年十年内替代全画幅产品。因此现阶段，相机画幅依然朝着全画幅方向发展，这是必然的。
全画幅在未来很长时间，依然是主流
另一方面，虽然相机在朝着全画幅发展，但是如今画质的需求已经并不过于强烈。2400万像素的APS-C画幅对于家用来说不仅够用而且绰绰有余。因此相机发展正朝着另一个方向发展，那就是视频化。从2008年佳能5D2推出全高清视频到如今，相机视频发展飞速，4K已经基本普及，未来的视频发展，将会想着更高帧率更高码流发展，从这个维度来说，M43这些小底相机，有着逆势追上的潜质。
对于家用来说，如今的新机器基本都够用
从根本来说，如今的相机竞争已经陷入白热化。厂商的竞争早已过了靠技术吸引消费者的时代，大家拼的是相机的综合配套服务，从相机到镜头，从拍照到视频，从产品到销售。从这个层面来说，或许在未来，真正高速发展的，或许是无反相机，是APS-C/M43画幅或者一英寸。而全画幅则更像一种终极目标，面向越来越专业的人群，而家用用户，则会想着轻量化和便携化的角度不断倾斜。
未来充满变数，视频领域异军突起，但是全画幅仍然是当下的主流
今天说了这么多，其实是让大家对于数码相机的传感器发展有一个新的认知。或许今天的东西说的比较笼统，大家如果有兴趣，可以仔细上网搜索研究一下，也可以在文章下面留言提问，笔者也将第一时间解答大家的疑惑。
电荷耦合元件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）相比有哪些优点？
更有胶片的味道？更有层次感？
愿闻其详。
看了一圈答案, 没一个说出我认为的ccd优点
ccd目前大概有一个地方CMOS是比不上的, TDI型传感器, time delay integration
简单说下TDI用途, 相机和被摄物体有相对运动, 且相对运动速度是固定的, 比如卫星对地拍摄之类的
因为相对运动, 比如传感器第1行的第1列像素可以对目标物体(点)曝光, 过了之后, 第2行第1列像素继续对同一个目标物体曝光,依此类推, 最后把所有行同一列的像素点信号加起来, 就是最终图像某一行第1列的信号值
有兴趣可以查下资料TDI是什么, 可能我描述的不太严谨
不管怎么样, 就是用空间上的多次曝光来换取最终图像的信噪比, (我们摄影时一般用的是堆栈之类的类似概念, 只不过这种特殊场合你知道了相对运动的速度, 就可以在系统上利用空间不同位置的像素累加出一个点了, 而不是堆栈时相机和物体都静止不动)
为啥这种应用CCD就比CMOS好?
CCD可以在信号是电子时就进行累加, 这种累加是理论上不引入任何噪声的
而cmos,信号出了这个像素, 就被转化成电压信号了, 电压信号的累加, 怎么都会有热噪进来, 累加多少次信号, 就等于累加多少次热噪
回到TDI的应用, 它正是因为图像信噪比不够好, 才利用这种'空间累加'的方式来换取图像质量的, 所以在这种暗光条件下(或者说大光比下的暗部), 额外热噪的引入是很影响性能的
举个例子, 对于非业内人士来说, 最出名的TDI应用, 应该是嫦娥二号这种了吧, 可百度一下上面搭载的相机情况, 都是可以查到的
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不过现在有一种技术, 是在cmos工艺里集成ccd, 很大一部分应用就是想取代纯CCD-TDI (也可以用于CMOS global shutter等), 让最新的CMOS-CCD TDI同时兼顾ccd的电子累加无噪声, 以及cmos的各种优点. 不过毕竟电压所限, 目前对于TDI应用还不是很成熟. 这种cmos集成ccd的工艺, 又把电压从比如3.3V又提回比如六七V了, 可能有的还高(当然传统ccd更高)
CCD说白了, 它就是一种半导体器件结构, 传输电荷信号的, 当然可以集成在cmos工艺里, 只不过性能要兼顾MOS晶体管的制造
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最后, 至于其他人说的ccd优点, 但凡你能提到的, 业界都有办法解决让cmos同等水平或者更好
比如噪声, 这必然是cmos好, 芯片内集成adc了, 省去好大一个buffer的噪声
比如色彩, 它俩成像原理本质一样, 采集强度信息, 颜色靠RGB filter分
比如波段响应(还有QE), ccd能加厚epi, 通俗点就是加厚硅衬底以增强NIR, CMOS一样可以用这技术, 航天级CMOS这么用的挺多的
其实航天上, 如果不是TDI应用, CMOS理论上更好, 天然抗辐射性能高啊(栅氧层)
CCD用于拍摄IR比CMOS好：真，因为吸收红外线需要更厚的硅质。
CCD颜色比CMOS油润：假。CCD和CMOS都是单纯探测光线强度，还原的颜色效果取决于拜耳阵列的老化（变色）程度以及内部处理引擎的判断。
CMOS流行只是因为比CCD便宜：假。CCD先于CMOS流行原因大部分取决于CCD对光刻机的精密度要求不及CMOS。目前消费级产品中只有低端产品才会继续使用CCD。
CCD用于拍摄UV比CMOS好：假，除非是非全局快门CCD。UV穿透力弱于可见光，所以必须将不必要的硅质打磨掉才会有更好的效果。作为一体化的CMOS显然更有优势。