三张图看懂为什么CCD适合长曝，CMOS适合短曝（CMOS vs CCD）

首先，这只是个基础的原理说明贴，已经懂得这个原理的大佬可以忽略本贴！

著名的光谱和天文成像博客Christian Buil最近（2017年8月）更新了一篇文章，详细对比CMOS和CCD传感器的性能差别。

作者的结论是：现在的CMOS传感器和最好的工业CCD（除开E2V这种科学级背照CCD）在整体性能上已经比较趋近。

大家都知道CMOS适合大量拍摄短曝光照片，并不仅仅是因为CMOS的读出噪声低，而是CMOS芯片的整体特性决定的。

先来一张图说明CMOS的热噪声：

说明：相同温度下CMOS的热噪声大大高于CCD，反之，要达到和CCD相同的热噪声，CMOS需要深度制冷。

第二张图，对HD217813一小时曝光后的信噪比：

说明：CCD的单个像素信噪比大幅高于CMOS，整个目标的信噪比略高于CMOS。

最后一张图，噪声的相对比例：

说明：忽略入射光子噪声和天空背景的光子噪声，CCD读出噪声占比高，但是热噪声占比小。CMOS读出噪声占比低，但热噪声占比高。

因此，
CCD适合长曝光方式，因为一次曝光只带来一次读出噪声，且长时间曝光不会增加多少热噪声。
CMOS适合短曝光方式，因为短时间曝光不会带来很多热噪声，且多次曝光也不会累积太多读出噪声。


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以上只是这篇文章的一小部分。整篇文章太长无法完全翻译，读完之后个人的体会是在天文摄影这种主要拍摄暗弱目标的应用上，CMOS与CCD还是有一小段差距，这段差距主要体现在，与CCD达到相同的QE时（比如IMX290），CMOS的热噪声大大高于CCD，这个比例相对于CMOS带来的低读出噪声而言，要更多一些。放到实际应用中，IMX290拍摄大约4张带来的读出噪声就等于一张ICX694的读出噪声，但一张ICX694长曝下来的时间，如果仅仅用IMX290拍摄4张，其热噪声会高于ICX694。换句话说，CMOS的低读出噪声抵平CCD后，其热噪声还是要高出CCD一截。
（ASI1600mm用的那块松下传感器热噪声要低很多，但读出噪声更大，且因为它的QE比ICX694和IMX290的水平要低一截，所以就不方便对比了）

同时不巧的是CMOS的热噪声并不是整齐的，你不能像用ICX694这种CCD芯片一样，准备一个暗场校准库，然后在很长一段时间内都可以直接使用这些素材来校准。使用CMOS要得到好的结果需要每一次都单独拍摄暗场照片，且这些校准文件只能使用一次。

另一方面，CMOS还具有比CCD大得多的TNR噪声，TNR噪声和热噪声一样不是高斯分布的，因此可以通过校准暗场去掉。
而CCD上占主要的读出噪声是随机噪声，只能通过叠加去掉。

CMOS的大量短曝要求它必须大量叠加，但噪声特性却同时也需要拍摄大量暗场；
CCD的读出噪声要求它必须大量叠加，但单张长曝却同样花费时间；

从效率来讲，CMOS和CCD两种传感器目前来看都是两头不讨好的。都需要大量叠加，也需要大量时间来拍摄。

但目前我个人还是会选择CCD，因为在传感器整体性能和前期拍摄工作量都相差无几的前提下，使用CCD产生的图像在校准处理上更简单更容易，同时产生的文件要少一个数量级，相应的校准、对齐、叠加的整个工作量都要少一些。“更好处理” 这也是个人爱好者不得不考虑的因素。

以上只是我个人的体会随想，不是很有逻辑，不过CMOS和CCD大体上也就是这么回事儿了。原理上来讲，这两者的性能并没有明显高下之分，只能说各有所长吧，还有很多上面没有提到的问题，比如CCD有更好的线性度、CMOS的辉光问题和ADC的精度问题之类的，但随着CMOS技术和工艺的发展，这些问题相信不需要多久就能解决了。毫无疑问以后的天文领域也会是CMOS的天下，那篇文章的作者最后也提到，如果制造出更深度的制冷相机（-60C以上），那么CMOS也能拥有超低的热噪声，同样可以用来长曝拍摄，再加上低读出噪声，这时候CMOS的全能性才充分地体现出来。

CCD呢也并不会很快退出历史舞台，不要忘了E2V。在成本不敏感的领域，荧光成像、生命科学、光谱分析之类的科研应用上，背照CCD的强大威力是现在的消费级CMOS无法比拟的，相应的科学级CMOS的缺乏是个工业问题，只能靠时间慢慢解决了。

不知不觉写了这么多，如有错误之处，望及时指正，我一定虚心接受，保持良好讨论氛围。

学习了。

索尼的CCD要全停产啦，逼我们用CMOS去

SOBER2017 发表于 2017-10-2 16:30
索尼的CCD要全停产啦，逼我们用CMOS去

是啊，停产计划已经做出来了。sony不再生产新的CCD晶圆了。有OEM订购的，就从库存晶圆里拿出来切，库存用完了事。
剩下就是很贵的E2V，或者工艺老旧的kodak  

我的国能生产ccd么。。。

感覺在這樣多變數下, 不好比

tankj 发表于 2017-10-2 16:39
是啊，停产计划已经做出来了。sony不再生产新的CCD晶圆了。有OEM订购的，就从库存晶圆里拿出来切，库存 ...

没办法，柯达的也不错

如果能在制冷上有什么突破就好。能冷淡到零下60度，coms红绿蓝噪点应该基本都没了。

学习

小六哥 发表于 2017-10-2 18:52
如果能在制冷上有什么突破就好。能冷淡到零下60度，coms红绿蓝噪点应该基本都没了。 ...

不好意思是我没写清楚，-60C是指的低于环境温度60C，也就是环境温度20C的时候制冷最大可以达到零下40C。到了夏天-60C的制冷可能还是不太够，毕竟还要考虑regulation的问题，至少留个3度的余量吧。冬天的话，在比较冷的地方，环温0度以下的时候现在的冷冻CMOS也能做到零下40C以下，可以试试长曝了。

tankj 发表于 2017-10-2 19:38
不好意思是我没写清楚，-60C是指的低于环境温度60C，也就是环境温度20C的时候制冷最大可以达到零下40C。 ...

冷冻相机了解很多是双层制冷的。温差都是40度左右。不知如果做成3层制冷或者5层制冷的效果是否可行。。效果会怎样。不知能不能达到温差60度。感觉coms只要够冷还是有得一拼的和ccd

学习了，谢谢分享

Q9的制冷已经可以达到比环境温度低50℃了，相信不久后可以突破到比环境温度低60℃的了

学习了！
话说CCD会不因此涨价，是不是现在可以囤一些CCD收藏起来了

wangjl319 发表于 2017-10-2 22:09
学习了！
话说CCD会不因此涨价，是不是现在可以囤一些CCD收藏起来了 ...

囤到成古董的时候可能会涨价吧

我觉得CMOS适合短曝，CCD适合长曝，热噪声是原因之一，还有几个原因是需要强调的：

1. 天光背景：  当曝光时间较长的时候，天光背景产生的量子噪声（散粒）噪声，占比可能已经超过读出噪声了，所以CMOS在较长曝光的时候，读出噪声的优势已经被天光背景的噪声所削弱了，甚至没有了，因此在这个情况下，CMOS的低读出噪声的优势体现不出来。 （当然在窄带情况下，天光背景可能很弱，这种优势还存在一些）。不过如果赤道仪足够好，只要CCD往死里曝，那么读出噪声的劣势必定被天光背景所掩盖。因此对于长曝光，CCD的优势还是比较明显的。

2. CMOS读出噪声在低增益下，与SONY的CCD相比差别不是太大。比如一般是3个多电子，SONY的694，695也在4-5个电子的范围。因此在低增益下CMOS的读出噪声优势也不能发挥，而且由于CMOS目前的AD转换位数为12或者14位，达不到CCD的16位，意味着在低增益下，CMOS的系统增益会达到若干个电子对应一个ADU单位，这样就会引入量化噪声。而CCD在低增益下，系统增益通常在1个电子对应一个ADU之内，甚至零点几个电子对应一个ADU。因此完全不用考虑量化噪声对图像效果的影响。 所以CMOS要充分发挥优势，需要提高增益。而高增益下下，CMOS长曝光则容易饱和。因此也限制了CMOS在长曝光下的应用。只能通过减少曝光时间，叠加的方式。

3. CMOS的热噪声和放大器辉光。QHYCCD有特别的技术进行控制，而上述测评并不是基于QHYCCD的CMOS相机。所以热噪声的结论是否成立还有待商榷。当然从总体来看。SONY的CCD的热噪声还是非常低的，应该说是低于SONY目前最新的CMOS器件。但是当使用了QHYCCD的对CMOS相机的热噪声控制技术和放大器辉光控制技术以后，差距应该并不是这么大。


CMOS在高增益下，利用读出噪声很低的特点，短曝大量叠加的方式，对于克服大气抖动，拍摄很高角分辨率的照片，是一个革命性的突破。这样意味着可以通过类似于行星摄影的方法，进行大量拍摄，通过软件筛选去掉大气抖动大的帧，从而获得高分辨率的深空天体细节。这个对于较亮的天体，如行星状星云，小的星系等，效果非常显著

wangjl319 发表于 2017-10-2 22:09
学习了！
话说CCD会不因此涨价，是不是现在可以囤一些CCD收藏起来了 ...

索尼的CCD到2020年全部绝版

qhyphoto 发表于 2017-10-3 06:34
我觉得CMOS适合短曝，CCD适合长曝，热噪声是原因之一，还有几个原因是需要强调的：

1. 天光背景：  当曝光 ...

谢谢如此详细专业的回复！特别是对技术细节的说明非常清晰。最后提到大量短曝的方式在天气条件不太好的情况下确实非常实用 短曝降低了对赤道仪和导星的要求 同时也提高了得到锐利图像的机会。QHY在全球也算冷冻CMOS相机的先驱了，期待你们推出更多更好的CMOS相机

另外在回复中的第2点最后提到CMOS长曝容易饱和，突然想起以前也有朋友提及，我想请问一下，这里是指的CMOS器件相对于CCD来说，在同样的满阱下，更容易饱和吗？还是仅仅指的在高增益下，ADC很快就达到了饱和？

我个人的理解是在传感器层面上决定像素饱和的主要还是满阱容量，和CMOS或CCD工艺可能没有关系。只是在CMOS用高增益获取低读出噪声的同时，为了合理利用传感器的动态范围区间，也决定了短曝是CMOS相机最佳的使用方式。是这样的吗？

wangjl319 发表于 2017-10-2 22:09
学习了！
话说CCD会不因此涨价，是不是现在可以囤一些CCD收藏起来了 ...

囤个100年拿出来当古董可能能值钱

多打了吗（汗）