弱弱地问一句没人邀请 @刘庆 嘛？……

我抛砖迎玉，讲讲我知道的一些，没法查确信资料了，不过反正这方面我是菜鸡也不怕错，希望谁帮我捉捉虫。

传感器五花八门，成像技术其实类似，但是既然题主把滤镜也算上去了，那我就奔放地吹水一波了，因为太多，细节可能有问题，理解也可能有问题，尤其是索尼的背照堆栈三条路，时间和型号等上可能有偏差，不要作为可靠来源谢谢。

大部分图有空再慢慢补。太多了

一、拜耳阵列魔改系：

普通拜耳阵列的CCD和CMOS：

CCD逐行读取，信号排着队一起跑出来。所以需要极高的电压驱动。

CMOS大家都知道了，每个像素要去掉一部分面积给电路，对光线的利用率没那么高，而且不那么均匀。但是自从背照式和无缝透镜普及以后，跟CCD就没啥距离了。

拜耳阵列分色的CCD和CMOS，在带分色滤镜的CMOS中有最强的分辨率和解析力，但是有伪色、彩噪、摩尔纹等缺点。当个别厂商使用非拜尔排列滤镜时来应对时，谁晓得一切问题都被堆像素解决了。

——混叠导致摩尔纹？那像素翻倍翻倍再翻倍顺便去个低通。

额外插一句：据悉，色散除了镜头的问题，CMOS也难辞其咎。

X-TRANS,

通过重新排列拜尔整列，使得彩躁和摩尔纹抑制力非常强，但解析力断崖式下界。虽然没有低通滤镜，但是自带0.8pitch的低通。

X-Trans系列ISO 200起步，据悉是额外提升了数字增益，为了给高光保留出腾转空间（高ISO会毁高光）和索尼一样，都是ISO LESS的双增益CMOS.

18年出来的xtrans 4的cmos，iso从160起步，19年发布的acr 11.2开始，也能通过神经网络明显提高xtrans解码后的细节。

FOVEON X3,

每个像素上对RGB三种颜色都进行采样，解析力独步天下，跟3CCD一致，但分辨率很低，光线利用率低。为此新一代的X3把第一层每个蓝色像素切成了四份。

高感表现一如既往地差，并且还偏色。

飞思IQ3 Trichromatic

为了提高透光率和量子效率，其他拜耳整列或多或少地会扩大透过光谱，让纯净的原色混合入杂色，再通过色彩配置强行拉出饱和。飞思更新了自己的拜耳滤镜，提升颜色的分离同时保留透过率，号称输出图像的色彩能够媲美人眼所见。

（当然，这样做理论上也会让色彩在色彩空间中色分布变得不够线性。）

同时：

超大阱容，最低ISO能低至35，单位面积上的噪声性能独步天下，15档动态就问你怕不怕。

超强高感，

超强色彩还原，

超强抗紫边能力，

不放图了，在这里最下面。

Phase One IQ3 100MP Trichromatic – Full Frame Medium Format Camera System

Leica M Monochrom

这是个黑白相机。自然没有任何拜耳滤镜带来的问题。

此外，与飞思IQ3 100MP Trichromatic相对应的还有IQ3 100MP Achromatic，黑白的。

黑白相机能带来成倍的解析力和量子效率。

就是卖不出去。

RGBW阵列

将一个绿色像素改为单色像素，提升弱光性能。我之前有个华为的渣渣手机就是用的这个。

据悉，颜色会很差。

二、黑科技系。

当然是大法起头了，

1、索尼曲面CMOS

众所周知，凸透镜成像天然就是曲面的。为了校正到平面，镜头不得不使用各种抗色散的结构和镜片，即使如此，依然会贡献各种乱七八糟的问题，比如暗角比如中心分辨率。

曲面传感器根本上解决了这些问题。还因为弯曲带来的张力，改变了CMOS感光区硅元件的能级差，从而可降低1/5的“暗电流”产生（来源）

但是，一个曲率只能面对一个焦距。所以只有不可换镜头的相机可以用用。一开始据传要在RX1/RX1R上用曲面CMOS，结果是个假新闻。

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emmmm终索尼努力这么多年，终于在“弯”上比肩一次性胶片相机了，可喜可贺！

2、索尼背照式传感器和堆叠式(BSI-CMOS, Stacked)

本来光线要被电路曾遮挡后再进入感光流程，就像人眼一样。会大幅损失光线。虽然对低感没啥影响。

背照式一出，先感光再电路。以至于现在基本上都是背照式的了。

来自： 堆栈式 CMOS、背照式 CMOS 和传统 CMOS 传感器有何区别？

而堆栈式，则将感光层和处理层分开，完全可以用便宜的制程作为感光层，用贵的、速度快的制程作为电路层。极大地提升了传感器性价比。

3、索尼的三层堆叠式传感器(Stack-CMOS)

首发于2012年

“多加了一个DRAM层，没什么好的，开启了下一个传感器的时代而已。

［示意图不小心被我删了，看别的答案的吧］

黑字评价：降维打击者、单反的终结者、新时代的黎明。

使得960FPs成为可能，使片上自堆栈成为可能，使画质突破单张极限，使视频变厉害。

首先必须明确的是，传感器的信噪比已经发展到了极限——物理极限，三层堆栈使得拼速度的时代到来。（虽然我不明白它是怎么在ADC前把信号存进DRAM的。）

具体看@键摄狂魔大护法 的《你们对力量一无所知——堆栈式传感器全解析》

帮大家稍微总结一下，不过估计也看不懂：

附带地说一下，借助索尼的科技(?)，索尼、富士、尼康、中画幅们，在本底噪音上达到了极高的技术，以至于有ISOless的出现。这里不再列举。

4、尼康的阱容倍增

D810开始因为阱容的增大使 ISO下探到ISO64，不过我也就只看 @刘庆 顺嘴提了一句。没图可配了。

5、GH5s双原生ISO

在ISO到一定程度时（比如ISO4000)自动切换第二套原生ISO，使得画质全面提升

用的是索尼的传感器，同样传感器还有国产4K电影机Terra 4K

6、阿莱的dual gain

在上面链接里，双14bit放大器同时输出不同的iso，合并成16bit的输出，拥有超高的动态范围（尤其是高光）。

7、片上相位对焦

典型的佳能的双像素对焦，和索尼的半遮蔽对焦

8、ISOCELL和 松下 SmartFSI ，Aptina的Clarity +

既然楼主提到了ISOCELL，那我就特别说一下吧。与它差不多的还有松下的SmartFSI，旨在解决CMOS的光串扰问题，提升色彩还原和锐度。并有望提升30%全井容量和20%的透镜入射角（也不知道跟谁比），紫边理论上也会更棒棒。光串扰的意思是大角度光线还没被吸收层吸收干净就跑另外一边了，或者还没进入感光层就被反射到另外一边了。

emmm串扰很有意思，像素越大（文献模拟的结果是对于全画幅，像素在大概3.84百万时串扰最大），温度越低，串扰越强。

视频已删，不想给它打广告。

下面是Aptina的 CLARITY+技术的示意图，注意用的还是RWB的芯片。信噪比提升3~4dB相当于噪声下降50%

估计一大堆雷埋着，而且又不解决bloom问题，光串扰有个卵用。

9 在这里补充一下松下的有机膜传感器(OPF sensor，下称OFS)吧。

我以为凉了，经提醒，没想到15年开始就重启了，据称要发布在明年的GH6上。这算是网上关于它的第一个中文科普了，所以我会贴在我的专栏里。因为是从论文引用的，所以引用我没法给地址了。

首先，不建议叫它有机传感器，少了那个“膜”就完全变味了。

普通cmos传感器(cmos image sensor，下称CIS)，用二极管做传感器，光子进入二极管不断被吸收并激发电流并存储。可以看出两者一体，就仿佛发电机还带了蓄电的功能。

而其中的电容就是阱容(PD)，它的效能嘛……emmm看太阳能板子，是不是挺菜的？

而大家提出新的堆叠式结构，就是通过光电转化层吸收光线，通过电容存储光线。

其中有有机光电转化膜(OPF)、有晶体层。比如晶体硒转化层，光的吸收效果比有机膜更好。

这次的有机膜传感器，就是光被有机膜吸收、转化，再传导给电容（浮动扩散节点电容 Floating Diffusion）存储。所以电容的设置可以不受发电器的限制，阱容想氪多大就多大。

松下今年拉出来的传感器在M43@8K像素上能拥有450K e-的阱容，是D850的7.2倍(62.2K e-)左右。而且这还不是完全体：根据文献所述，2016年就已经能达到600Ke-了。

下图感受下阱容的压制——红线是OPFS，蓝线还是OPFS，只是换了一个小电容，黄色虚线才是普通硅传感器。普通相机0.5s过曝的情况下，我可以曝光30秒甚至还带了点复古的肩部。

除了阱容大，敏感度也十倍于普通传感器，因为它光吸收十分快，而且对长波吸收也很有效。CMOS有3微米厚的典型吸收层，太厚会有串扰，而OFPS就可以做的很好，（虽然还是比不过NHK研究的硒晶体传感器。）

有机膜传感器就是直接在透镜下压了一层掺有机物的光敏层（比如香兰素）。

下图中，“OPF”就是那层转换膜，可以看出，它要比以往任何传感器都要贴近微透镜，还能拒绝光子渗出。有机膜上面那层透明电极从上往下对有机膜施加电压，电压越低，量子效率越高，13年的文献中显示10V时才会达到最大值，我不清楚典型的硅的电压是多少，不过它的这阈值似乎太高了，拍视频时一直维持着会很耗电。

好处是可调，相当于增加了一层ND

此外，

具体的包括总噪声计算，我以后在专栏里讲吧，要睡觉了。

10 晶体硒

用的也是堆栈了一层光电转换层，只是用的是晶体硒而非有机膜。光吸收比什么膜更+1

与有机膜对比

真·黑科技/买不起·用不起/非主流/实验室级

因为不是主流，所以放到最后当题目外内容。

1

3CCD

太贵，基本已经凉了，通过分光器将光线分到3个CCD上，每个CCD分别负责RGB一种滤色镜。

3倍阱容，3倍敏感度，全采样，就问你怕不怕？

缺点很多，最大的问题是贵。而且因为耗电问题，底子根本不敢做大，数据流量也很大。

所以适马的X3根本不稀奇。

2

线性3CCD扫描后背

不使用一整块传感器，而是使用三条并排的CCD传感器，通过扫描的方式获得图像。空间分辨率恐怖如斯。但扫描4×5的大小一次得好几分钟，作为相机拍摄的话，已经足够A7RIII堆栈几千张还顺带抖抖乐把像素给合了。

感受下1997年时的分辨率(6000×7520)和画质：

3

冷冻CCD/CMOS

为长曝和天文学常用波段（比如红外波段）设计，有单色有彩色之分，单色的可以自己加滤片，截取你想要的波段拍摄，后期合成，天文卡口。通过半导体或者液氮等乱七八糟的技术制冷，大幅降低热噪，普通相机可以魔改成天文机，但是一般只是改改滤镜，改改带通，制冷？不存在的。——说白了就是改了滤镜加了冷却减了密度的普通CMOS/CCD吧。

我看了一下，自带的半导体制冷已经足以将温度压制到小于环境温度40℃了。

制冷的作用只在弱光的长曝时体现，这时候热噪开始占据主导地位，读取噪声散粒噪声微不足道。大概10s以上。

在长曝时，因为生成的电子服从泊松分布，所以热噪与累计暗电流开根号有关。无视读取噪声和杂散光，算上散粒噪声，总信噪比就是:

其中Qe是量子效率。

很显然，光线充足时暗电流占比很小。光线不充足时，或者拍摄的波段量子效率神™低时（比如红外），光线产生的电流（信号）可能跟暗电流持平，而冷冻能将暗电流几何倍数地减小(如图)，举个例子，若25摄氏度下，远方星云每个像素每秒产生9个电子(对D850，原生感光度长曝21分钟达到中性灰，阱容按62263计算(参考))，那么暗电流和它的比例就高达9:5。曝光时间再长也没用。

什么什么？考虑堆栈降噪？考虑暗场降噪？——麻烦能不能问点我小抄上有的内容？参考 参考2

4

ICCD：

直接截图：参考

5

电子倍增CCD， EMCCD

光子转化为电子，读出时进入一系列增益寄存器，寄存器内有电场，在转移时会崩出新的电子。不断反复，可形成1000倍的增益。

一般用于科研级的荧光检测等事情上。

然而貌似帧率不那么充沛。现在大家都喜欢用sCMOS

6

科研级CMOS: sCMOS

甚至可以低于1.0e-的超低读取噪声（打平EMCCD），超大阱容，超高FPS，超高量子效率（95），像素还高，固定噪声基本忽略。基本准备取代EMCCD了。

7

余数/模相机

上面都为弱光探测而生，余数相机是为超大动态范围、为强光而生。

每次过曝时，就把存下来的电子倒光并记录信号次数+1，相当于每个像素对应的光圈都是不同的。

比如你有15个电子的信号对10个电子的阱容，普通相机记录为10，余数相机就会记录为+1次翻转，余5，所以被称为余数相机。

。

。

。

咳，我好像看到了模运算？

8

单光子成像，飞秒相机，光点倍增管，单像素相机，以及压缩感知技术。

好像没什么用，就拉一起说了。

单光子成像的大概原理就是一个光子转换为电子后，通过雪崩二极管，能不断炸出更多的电子……就相当于接了个三极管嘛！

单光子成像中有的只是只能以示波器形式回放的技术。

飞秒相机拍一秒钟的帧数能回放一千年， 甚至能拍清楚一段光线穿过可乐瓶的全部过程。超高帧率的解释见这里参考 以及：

单像素相机通过压缩感知（也用在超高帧率相机中），以突破Nyquist采样率极限的采样方式拍摄画面。

普通采样都是等间距的采样，压缩感知是随机采样。对于稀疏的信号（比如这个页面中，90%的地方都是白色的无用像素，只有文字是需要精细分辨的，这就是稀疏）你随机采集是可以通过暴力运算还原出来的。

普通采样最典型的例子就是拜耳阵列了，每四个像素，均匀地采集1个红2个绿1个蓝。

如果你能设计一个彩色滤镜完全随机的CMOS，自然也能达到超级分辨率的结果。比如400*400的CMOS却能采样出5000*5000的分辨率（随口说的，我自己都不信）。

如果每一秒拍摄的帧率是随机的，那么你4fps就就能采样出40fps的效果。嗯，，时间序列好像不能算稀疏。

总结一下，说到底，成像追求的就是 。无论哪种传感器，说白了就是用有限的技术，在6个参数之间交♂易，只有真正提升科技树，才能最不迁就。

(但你人就秃了)