CCD 與 CMOS 感光元件有何分別？原理、畫質與現代相機應用

CCD 與 CMOS 都是將進入相機的光轉換成電子訊號的影像感光元件。兩者最根本的分別，在於像素產生的電荷如何轉換及讀出。CCD 一般會將電荷逐級傳送至輸出節點處理，CMOS 則通常可在像素內或附近完成訊號轉換，並以更高度並行的方式讀取資料。

這種架構差異會影響讀出速度、功耗、電路整合及部分成像特性。不過，單憑「CCD」或「CMOS」並不足以判斷一部相機的畫質。感光元件尺寸、像素設計、讀出噪訊、動態範圍、色深及色彩管理，同樣會影響最終影像。

CCD 與 CMOS 感光元件有何分別？

CCD 與 CMOS 的核心分別在於電荷轉換及訊號讀出的方式。 CCD 通常把各像素累積的電荷依次移動至一個或少數輸出節點，再轉換成電壓訊號。CMOS 則一般可在像素內或附近完成轉換，並透過多個讀出通道處理資料。

早期 CCD 曾在低噪訊及訊號一致性方面具有明顯優勢，但 CMOS 經歷多代技術發展後，已不能再用「CCD 畫質較好、CMOS 畫質較差」概括今天的相機。

CCD 與 CMOS 如何記錄和讀取影像？

CCD 和 CMOS 都會先利用感光區域把入射光轉換成電荷。真正的技術分野，在於這些電荷之後如何轉換及送出感光元件。

CCD 中，每個像素累積的電荷通常會沿感光元件逐級移動，最後送到一個或少數輸出節點，再轉換成電壓及數碼資料。這種方式可保持較一致的訊號路徑，但大量像素需要逐步轉移時，讀出速度亦會受到限制。

CMOS 則通常在像素內或附近設有主動電路，把電荷轉換成電壓，並可透過多列或多個讀出通道處理訊號。因此，CMOS 較容易配合高速讀出及高度整合的影像系統。

讀出架構是理解兩種技術差異的基礎。速度、功耗及部分影像特性，都是這項結構差異所帶來的結果。

CCD 與 CMOS 的畫質真的有分別嗎？

有技術上的分別，但 CCD 或 CMOS 本身不能決定整體畫質。 最終影像還會受到感光元件尺寸、像素結構、曝光、讀出噪訊、動態範圍、色深、影像處理及鏡頭等因素影響。

因此，比較兩部相機時，只看「CCD」或「CMOS」標籤通常不足以得出可靠的畫質結論。

噪訊與低光表現

早期 CMOS 在讀出噪訊、像素一致性及感光效率方面曾受到較多限制，這亦是 CCD 長期建立低噪訊聲譽的背景之一。

隨着像素設計、微透鏡、背照式結構及讀出電路持續發展，現代 CMOS 的低光表現已大幅改變。實際高 ISO 畫質還受到像素尺寸、曝光、讀出噪訊、溫度及影像處理等因素影響，因此不能概括為 CCD 在低光下一定較好。

@Benjamin Everett

動態範圍

動態範圍並不是由 CCD 或 CMOS 這個分類單獨決定。

感光元件能記錄多少明暗層次，與像素可容納的電荷量、讀出噪訊、像素結構、模數轉換及整體感光元件設計都有關。

現代 CMOS 已可提供很高的動態範圍。以 X2D II 100C 為例，Hasselblad 官方規格列出 15.3 級動態範圍，同時採用 1 億像素背照式 CMOS 感光元件。這說明今天評估動態範圍時，應查看具體感光元件及相機系統，而不是沿用早期 CCD 與 CMOS 的概括比較。

色彩表現

CCD 並不天然對應某一種特定的「CCD 色彩」，CMOS 亦沒有固定的色彩風格。

感光元件記錄光線後，最終色彩還受到色彩濾鏡、光譜響應、白平衡、RAW 轉換、色彩矩陣、色深及相機廠商的色彩管理影響。

Hasselblad 的現代中片幅相機正好說明這一點。X2D II 100C 採用背照式 CMOS 感光元件，同時提供 16 位元色深及 Hasselblad 高動態自然色彩解決方案。換言之，「CMOS」描述的是感光元件架構，而最終色彩與影調仍建立在完整的感光、校準及色彩管理流程之上。

因此，即使兩部相機同樣採用 CMOS，實際色彩表現仍可能明顯不同。比較相機色彩時，更有意义的是評估完整影像系統，而不是單獨比較 CCD 與 CMOS。

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CCD 與 CMOS 的讀取速度有何分別？

現代 CMOS 一般較容易實現高速讀出，主要原因是其架構可使用更多並行讀出通道。

CCD 通常需要將像素中的電荷逐級傳送至共同輸出位置。當像素數量增加，整幅影像的傳輸和讀出所需時間亦會增加。

CMOS 可在像素或像素附近進行訊號轉換，並利用多個列或通道同步處理資料，因此更適合高資料量的現代影像系統。

較快的感光元件讀出有助支援：

• 高速連拍

• 實時取景

• 電子觀景器

• 高解像度影片

• 較高影片幀率

• 更快的電子快門讀出

不過，感光元件讀出速度並不是相機速度的唯一限制。影像處理器、記憶體、儲存速度及散熱能力同樣會影響整體性能。

@Qiyi Chen Flexbody

CCD 與 CMOS 會如何影響快門表現？

CCD 或 CMOS 並不能直接決定一部相機採用哪一種快門結構。 討論快門時，需要把感光元件的電子曝光及讀出方式，與相機或鏡頭的機械快門分開理解。

不少 CMOS 感光元件採用 Rolling Shutter。它會按不同像素列依次完成曝光或讀出，因此高速移動的主體或快速移動的相機，可能出現直線傾斜、物件變形或俗稱「果凍效應」的現象。

Global Shutter 則讓整個畫面的曝光時間更同步，可以減少這類由時間差造成的運動形變。

因此，CMOS 並不等於 Rolling Shutter。現代 CMOS 亦可以採用 Global Shutter 架構，而兩款同樣使用 Rolling Shutter CMOS 的相機，亦可能因讀出速度不同而呈現不同程度的運動形變。

另一個容易混淆的概念是機械快門。例如 Hasselblad X 系統的 XCD 鏡頭採用鏡間快門設計。以 XCD 2,8-4/35-100E 為例，快門結構位於鏡頭內，可實現全速閃光同步，並支援 1/4000 秒至 68 分鐘的快門速度。這屬於鏡頭的快門機構，與相機使用 CMOS 感光元件是兩個不同的技術維度。

因此，在比較 CCD 與 CMOS 時，不應把 Rolling Shutter、Global Shutter、焦平面快門及鏡間快門視為同一套分類。

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為甚麼現代數碼相機大多採用 CMOS？

CMOS 能配合高速讀出、較低功耗、高度電路整合及現代半導體製程，因此已成為數碼相機的主流感光元件技術。

今天的數碼相機需要處理大量影像資料。高解像度相片、高速連拍、實時電子觀景器及高解像度影片，都要求感光元件持續而快速地讀出資料。

CMOS 架構較容易整合讀出及訊號處理電路，亦可以利用多通道處理提升資料傳輸效率。背照式 CMOS、堆疊式 CMOS 及 Global Shutter CMOS 等設計，亦進一步擴大了 CMOS 在不同影像系統中的應用。

這並不代表 CCD 沒有攝影價值。部分舊數碼相機仍因其特定鏡頭、影像處理、色彩設定及操作體驗受到攝影愛好者重視。不過，這些特點應視為整套相機系統的結果，而不是 CCD 架構本身必然帶來的影像風格。

中片幅 CMOS 代表甚麼？

「中片幅」描述感光元件尺寸，「CMOS」描述感光元件的電子架構。兩者屬於不同分類，因此現代中片幅相機完全可以採用 CMOS。

X2D II 100C 就是一個直接例子。它採用 43.8 × 32.9 mm、1 億像素背照式 CMOS 感光元件。這裏的 43.8 × 32.9 mm 說明感光元件尺寸，而 BSI CMOS 則說明其採用背照式 CMOS 架構。

907X & CFV 100C 的 CFV 100C 數碼機背同樣採用 43.8 × 32.9 mm、1 億像素背照式 CMOS 感光元件，並提供 16 位元色深及 15 級動態範圍。

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這兩款系統亦說明，評估感光元件時應分開理解：

• 尺寸：例如中片幅

• 架構：例如 CMOS

• 像素與解像度

• 動態範圍

• 色深

• 色彩管理

即使兩塊感光元件同樣屬於 CMOS，實際影像表現仍可能因上述設計存在差異。

CCD 還是 CMOS 較好？

對現代數碼攝影而言，CMOS 是更普遍的主流技術，但不能因此認定所有 CMOS 相機的畫質都優於 CCD 相機。

如果比較今天的新相機，CMOS 在高速讀出、連拍、影片、功耗及系統整合方面更符合現代影像系統的需求。

如果比較一部舊 CCD 相機與一部現代 CMOS 相機，則應直接比較兩部相機的：

• 感光元件尺寸及技術世代

• 解像度

• 低光及噪訊表現

• 動態範圍

• 色深與色彩處理

• 讀出速度

• 鏡頭系統

• RAW 檔案及後期工作流程

CCD 或 CMOS 可以解釋部分技術差異，但不足以單獨代表最終畫質。

常見問題

舊 CCD 相機現在還值得使用嗎？

可以。若機身狀態良好，而且其鏡頭、操作方式及實際影像符合拍攝需要，舊 CCD 相機仍可用於攝影創作。選擇舊機時亦應考慮電池、儲存媒體、維修支援及整體機況，而不應只因採用 CCD 而判斷其價值。

BSI CMOS 與一般 CMOS 有何分別？

BSI 即背照式 CMOS。它把部分電路結構移到感光區域後方，讓入射光更直接到達感光部分，有助提升感光效率。實際影像表現仍取決於像素尺寸、讀出電路、感光元件尺寸及整體設計。

CCD 和 CMOS 會影響 RAW 後期空間嗎？

會間接影響，但 CCD 或 CMOS 本身不能決定 RAW 的後期調整空間。實際可調整程度還受到動態範圍、色深、讀出噪訊、曝光及相機記錄 RAW 資料的方式影響。