我想给这篇文章起这个《相机入门》的原因是因为我是安德烈.博福尔将军《战略入门》的忠实读者。正如《战略入门》并非写给初学者的入门书，而《相机入门》同样不是写给摄影初学者的入门书，但是我力求将它做到非常通俗易懂，适合初学者阅读。同时，我还想给这篇文章起一个副名字《我为什么一直追随奥斯卡.巴纳克式的相机？》。我之前其实写了大量摄影器材的心得。只是我的描述向来比较隐晦，如果读者没有将这些文章的思想串起来就会不容易理解，给不少读者造成了一定程度的误解。因此我决定重新写这篇文章，将我的相机选择理论做一篇系统性的回顾，并作出结论。同时也顺便批驳一下不正确的谬论。算是集错本吧！文章很长、很臭。但是真正的摄影者会读起来很有趣！有些是我的心路历程，讲述我为什么要像摄影师追逐光线一样去追逐一种理想的相机。

本文始于18年前对于哈苏相机的第一次质疑。

第一部分：被尺寸观所忽视的传感器本身的性能

1.1 回忆135胶片和120胶片之争：传感器本身存在的轻微品质差异

大约在18年前，在淮海公园后的一间工作室内，我和我的二位朋友一起做了一次有趣的测试，在影棚里，我们用装载80mm镜头的哈苏503相机和装载60mm镜头的徕卡R型相机做了个对比。我们使用的都是柯达E100VS反转片，使用相同的曝光，使用相同的滚筒扫描仪进行分析。对比的结果比较让人吃惊。输出同样尺寸的照片（我们是将照片打印出来分析的，打印尺寸长边大约1米），哈苏相机拍摄的底片虽然拥有比较小的放大率，但是除了放大的颗粒略占优势（细微一些），在成像的扎实程度上（微反差）、在细节的描写上（分辨率）上，都不及徕卡拍摄的图像好。

仔细比较最后输出的照片，我留意到：135底片的颗粒分布比较均匀，而120底片的颗粒分布比较散乱，在颗粒与颗粒之间有明显的小阴影，看起来有点像我们今天常说的“噪声”。正是这些阴影，降低了哈苏相机拍摄照片的视觉质感。

抛开其他因素，我突然想到这两种完全相同的感光乳剂涂布在不同的片基上，制造出来的胶片（接下来我可以假设为胶片时代的传感器）可以是不完全一样的。

说实话，我当时没有想更多。只是感受到传感器的差异，大过镜头和其他因素的差异。

您仔细想想，确实是不一样的。135的片基要比120的片基厚很多。

今天回想起这件事情，在模拟胶片的时代，徕卡一直是受打压的小片幅相机。哈苏的120传感器是徕卡的135传感器的整整4.16倍（近似为4倍吧）。模拟时代的一个好处是可以使用性能几乎完全一样的传感器（尽管存在微小差异），在不同的之间转换而不受任何限制。然而，在曝光数据完全相同的情形下，底片获得曝光（光能量）至少是一致的，胶片毕竟不能象数码相机一样偷偷地开增益啊！这个比赛，没有作弊的可能！

反过来，哈苏的120传感器出来的片子反而有了几分“噪声”。那说明“等效光圈”的理论是现实中是完全不成立的。

有“噪声”，只能怪哈苏用的传感器有些问题了。

虽然，这个实验当时的原始数据都不在了。但是我不介意有条件的朋友去再度测试一下。

1.2 一次非对称的PK：数码时代的传感器

然而到了2014年，我再度有机会进行一次非常有意思的比较。

因为，我始终想确认一下我的理论：

在现代数码相机中，对于最终成像的影响，我们罗列了下面几点：

a. 传感器

b. 镜头

c. 对焦系统

d. 防抖系统

我自己认为影响最大的是镜头和对焦系统。

2014年5月9日， 我和张嘉宏老师一起在K11拍摄的。我们保证拍摄的景物在1000米以外，绝对的无穷远状态，光圈同为F5.6。请您仔细比较一下上面2幅已经放大到100%的图片。清晰度和噪声情况。请不要用MATLAB来测试了，噪声对比，肉眼可读！

其实我在QQ日志上很早就发布这篇文章，可惜的是很多人没有看出门道来。直接先上结论吧！

第一个小结论：不同相机的传感器确实存在轻微的品质差异，但是对画面的视觉效果的影响不是主要因素。

第二个小结论：镜头的焦距才是影响成像，特别是分辨率，才是清晰度不高的罪魁祸首。

为什么这么说呢？

很明显，第一幅照片的清晰度高过第二幅图片；第一幅照片的放大率超过第二幅图片；第一幅照片的噪声控制好过第二幅图片。

但凡在现实中存在的东西，一定有它的理论依据。

其实当天，我提出来用进行一次非常、非常不对称的比试。用奥林巴斯的EM5去单挑徕卡中画幅相机S。原文发布在《极端画幅镜头的非对称PK，OLYMPUS EM5 对阵 LEICA S》

我的目的不是贬低谁或者抬高谁，而是想搞清楚焦距对以成像的影响。我希望得到一台近似可以交换底片和镜头的座机的效果。所以当天我动用了：

奥林巴斯EM5 + 松下徕卡25mm F1.4标准 + 徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0中焦镜头

徕卡S + 70mm F2.5 标准镜头

这样两套我能得到的最极端，但是又是最优秀的组合。当然 徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0中焦镜头是1970年代的产品，我没有能够借到90mmAA这样的当代优秀产品。不过这不影响实验的效果。

我不介意将原始的信息全部公开出来，虽然我为了发帖方便改了文件名，但是大家留意到了所有的EXIF数据和其他的原始素材。证明我所言非虚。我个人非常喜欢公开透明的原则。

可能大家意想不到的是，在ISO400的状况下，第一幅是奥林巴斯EM5拍摄的，而第二幅是传感器同样比它大近4倍的徕卡S中画幅相机拍摄。

奥林巴斯的放大率更大，是因为使用了徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0中焦镜头，焦距比徕卡S的标准镜头70mm长了20mm。

这个晚了十几年的测试，再此回应了提出的第一个疑问。单位面积上，小画幅的传感器的信噪比完全可以好过大尺寸传感器。实际上，整块比较也完全有可能是小尺寸的也好一些（仅仅上面参与对比的2块而言）。

这个比较，再一次抽了”等效光圈“狠狠一记耳光。从现实世界再次证明了传感器的尺寸与信噪比完全无关。

上图：奥林巴斯EM5和徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0中焦镜头的组合，100% （光圈F2.8）

上图：徕卡S中画幅相机和徕卡70mm F2.5标准镜头的组合，100% （光圈F2.5）

换到室内近距离拍摄，信噪比同样有轻微差异，大家留意画面下半部分虚化的部分。而清晰度，最新光学科技设计出来的徕卡S 70mm F2.5居然不如70年代设计的徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0。

其实，不论是徕卡SUMMICRON-M 90mm F2.0，还是腾龙90mm，还是某只不知名的90mm镜头，只要光学设计说的过去，哪怕是俄国镜头，效果都会比徕卡S 70mm 好。

为什么呢？

很简单，不需要高数推导。看看像高公式就可以。

先引进物高像高关系公式：

1/f=1/u+1/v

物高/像高=u/v

以上：u是物距；v是像距；f是焦距

我计算了一下25mm镜头对应2米外目标的像距。这时的像距是25.316mm（这个比焦距多出来的0.316mm其实就是调焦量，考虑到现代的镜头都是镜片内部调焦，这个位移其实是很轻微的）。为了接下来方便计算全部采用像距=焦距的方案， 光学系统也考虑是理想系统，一切为了计算简单一点。看了这个有点明白了吧！ 公式可以简化为

物高/ 像高= 物距/ 焦距

奥林巴斯EM5的CMOS长边50%为8.65mm（对应像高）；焦距和像距都是90mm，那么1000米外对应的物高是：96111mm；则每毫米CMOS需要对应11111mm的物；查数据得到奥林巴斯的CMOS每毫米排列266个光电管；每2个光电管分辨一个黑白信号，奥林巴斯CMOS的分辨率高达133线对/mm; 装90mm镜头时，在1000米外，能分辨41.7mm宽的线条，也就是83.5mm宽的黑白线对（假设镜头绝对优秀，不考虑镜头分辨率影响的情况下）。

假设奥林巴斯也装了70mm镜头的情形下：焦距和像距都是70mm，那么1000米外对应的物高是：123571mm；则每毫米CMOS需要对应14285mm的物；查数据得到奥林巴斯的CMOS每毫米排列266个光电管；每2个光电管分辨一个黑白信号，奥林巴斯CMOS的分辨率高达133线对/mm; 装70mm镜头时，在1000米外，能分辨53.5mm宽的线条，也就是107mm宽的黑白线对（假设镜头绝对优秀，不考虑镜头分辨率影响的情况下）。

而同等条件下，计算一下徕卡S的70mm镜头 徕卡S的CMOS长边50%为22.5mm（对应像高）；焦距和像距都是70mm，那么1000米外对应的物高是：321428mm；则每毫米CMOS需要对应14285mm的物；查数据得到徕卡S的CMOS每毫米排列166个光电管；每2个光电管分辨一个黑白信号，徕卡S CMOS的分辨率为83线对/mm；装70mm镜头时，在1000米外，能分辨86mm宽的线条，也就是172mm宽的黑白线对（假设镜头绝对优秀，不考虑镜头分辨率影响的情况下）。

很多人没有注意到传感器本身就是有分辨率的吧！确实有！就是这样计算的。而且这个指标要比信噪比关键。信噪比最多只是产生一些噪声，而分辨率关乎成像的清晰度。

假设镜头绝对优秀，不考虑镜头分辨率影响的情况下。焦距哪怕只长了20毫米，分辨1000米外目标的能力，会相差一倍之多。如果两者焦距完全相同，两者的成像质量完全相同，那么就要看CMOS的分辨率。否则，镜头焦距绝对占据了影响清晰度的最主要因素。

在实际情况中，还必须将镜头对于成像的品质影响加入进来考虑。以奥林巴斯EM5为例，如果镜头分辨率真达到了133线对/mm，那么就会产生干涉。所以在实际使用中，需要将分辨率降低50%，也就是设计到60线对/mm。您看看奥林巴斯的手册，他们的MTF最高到60线对/mm，不是没有道理的。另外一个道理是M43的镜头天生就可以设计得比常规的为24x36mm传感器的镜头分辨率高一些（这个问题我接下来会讲）。

如果将镜头只能分辨到60线对/mm这个因素考虑进来，奥林巴斯EM5在1000米外，只能分辨83.5mm宽的线条（是理想分辨率的50%的能力）。

同理，用在徕卡S上，镜头的分辨率不宜超过40线对/mm，这个标准对于120镜头来说还是有小小吃力。不过考虑到还是可以实现的，因此徕卡S的分辨能力大约只可以达到172mm宽的线条（装70mm镜头时）

结合我拍的实际图片来看看，差不多也印证了这个计算结果。

奥林巴斯拍摄窗户栏杆是可以分辨的，而空调主机栏杆就分辨不出了。

而徕卡S根本无法分辨出室外空调主机的栏杆，那个部位一片模糊了。（室外空调主机的栏杆间隔差不多就是150-200mm，另外一个因素是实际拍摄的物距比我计算时使用的1000m这个距离要远好几倍，对镜头的分辨率要求更高）

不是徕卡S镜头不好，而是焦距不够长。

我们这次比试，好比近似地在同一个座机上换上了不同的底片和镜头。有人会说，我这个说法是错误的。徕卡的法兰距（镜头安装卡口平面到CMOS的距离）很大，奥林巴斯的法兰距很短，有光线损失。我说没有光线损失。为什么我认为可以近似这样看呢？因为镜头的物理焦距和像距不受法兰距的影响，90mm焦距就是90mm像距（聚焦无穷远时），25mm焦距就是25mm像距（聚焦无穷远时），因为此时镜头光学的共轭中心到焦平面的距离就是像距。徕卡S如果装25mm镜头，那么共轭中心到CMOS的距离也是25mm(单反机广角镜头的的反摄远结构将光学共轭中心后移了）。因此这场比赛其实是非常公平的。

我刚才说的是聚焦于无穷远的情况，如果考虑到调焦至近距离时，像距的变化因素。您大可放心，即使是最传统的整组移动调焦，举个例子计算28mm对焦到0.3米的情形，调焦移动量大约3mm，对像距的影响几乎可以小到忽略。

唯一的不妥是当时没有找到与70mm非常接近的镜头，只能用90mm，因此产生了焦距差。不过焦距差也让我更加清晰地看见了焦距的巨大影响。正如我前面所说，镜头的优劣在焦距面前不堪一击。

所以不要以为我在推荐和鼓吹奥林巴斯相机，我买奥巴完全是出于一个非常偶然的原因。我接下来会讲到。

当我换上和徕卡S 70mm标准镜头视角接近的松下徕卡DG25mm F1.4镜头时，放大到100%，差距还是非常巨大的。25mm镜头虽然还够锐利，可惜能分辨的物方非常有限（高架上的英文字都看不清楚了）。焦距使然。

我想采用同样视角的镜头试拍对比，M43相机拍的显然不如大尺寸传感器。用户不太愿意接受M43，也正是因为这个原因吧！关噪声什么事情？

我一个朋友看了我的测试后给我一个回复：“较小的传感器，为了获得相同的视角，不得不使用较短的焦距！”

我想他说的非常对。

我的做法好比是在一台4X5英寸的座机上切下一小块胶片来研究。验证2点：

1.焦距的影响力

2.小尺寸的传感器，单位面积的性能未必比大面积的传感器差（传感器分辨率和信噪比两个方面）。

文章没有完，我还要进一步验证和探究。

有人要问了：理论上镜头近光轴的部分可以达到很高的分辨率，突破到200线对/mm也是可能的。我想说，受到衍射极限的影响、受到实际制造装配工艺的影响，中心部位的分辨率并没有好到哪里去。我上面用的图片就是中心光轴部位，是从原图中截取出来的，是一幅画面中成像最优秀的部分。所以镜头可以看作是一个模拟的信号压缩装置，经过它压缩后，信号的损失很大。在此阐述一下，打个伏笔。

1.3 旧书温习：传感器的噪声是哪里来的？

传感器的噪声那里来的？想想也知道，和传感器的面积是没有关系的。如果你是制造传感器的工程师。

回顾一下课本知识，CMOS的噪声来自于以下两根方面：

1. 像素放大电路的偏差（基底噪声）

像素放大电路的偏差来自于MOS晶体管同时进行负载晶体管与源极跟随器电路的动作，从MOS晶体管阈值电压偏差直接表现出偏移性的偏差。当阈值电压的偏差达到一定量级的时候，就形成了图形噪声。这种噪声是固定图形噪声（固定噪声是摄影画面中固定位置出现的噪声FPN），这类固定噪声，在平日的摄影条件下，即在通光量非常好的条件下，仍然会出现。原因主要是来自制造工艺的缺憾。

2. 光电二极管的暗电流

暗电流可以说是CMOS工艺中永远的话题，也是早期困扰CMOS发展的阿一个瓶颈，暗电流主要发生部位在光电二极管与原件分离的SiO2边界周边地区。随着CMOS结构工艺的进步，暗电流的问题在近十年得到了很好的解决，可仍然会对图像质量产生影响。

两者综合起来合计为CMOS的固形噪声FPN。

在这里我为什么根本就没有讲到随机噪声，尤其是随机噪声中的光散粒噪声。第一个原因是它们是CCD制造工艺中考虑到的问题，不是CMOS工艺里考虑的问题，而且随着工艺的进步，随机噪声的解决已经接近物理极限状态，可以忽略。第二，我在接下来的文章里会重点将光能吸收的问题。注意：不是光子！

无论是放大偏差还是暗电流，它们都不是我们摄影爱好者天天在比较、分析、测试、争论的噪声。因为这两者都是在光线良好情况下需要讨论的问题。如果真的肉眼明显发现这些噪声了，CMOS多数是有质量问题了。（上2图的情况是有均匀的、很轻微的噪声分布，而没有明显的固有噪声，不属于质量问题）

我们今天讨论的噪声并非正常照明情况下的噪声，而是是暗光下的噪声，叠加高ISO情形下的噪声。

1.4 数码时代ISO机制与增益：大批噪声杀来

重复一遍：我们讨论的噪声是暗光情形下，叠加高ISO情形下的噪声。

虽然相比清晰度对照片产生的不良影响，噪声的影响要小得多。可是我十分不理解今天的人们为什么这么热衷于讨论与摄影密切度并不大的信噪比。可是，还是讨论一下吧！

ISO是什么？是感光度！很多人都会这样回答。但是ISO200时，CMOS需要获得多大的像场照度，没人关心过。

因为我们在深入之前，必须搞清楚数码相机中ISO的机制。

其实和奥斯卡.巴纳克决定采用24x36mm胶片一样，ISO也具有非常强的马屁股效应。

在胶片时代，胶片是有感光度的。胶片只能接收有限的照射，照射多了会过曝，照射不足了会欠曝。ISO200是个标准数值。

传统胶片相机使用1/125秒快门，F8-11光圈正好可以拍摄阴天的景物，相当于使用ISO200胶片对应的外界条件。而此时的像场照度是20勒克斯。（根据国际标准组织1993版标准）其实无论如何变，胶片获得的照度必须是20勒克斯，多了过曝，少了欠曝。相机是通过快门和光圈的组合让胶片获得20勒克斯的正确曝光值。

而今天数码相机的24x36mm传感器在ISO200时需要获得的像场照度，也是20勒克斯。也就是说和胶片是完全保持一致的。

不论CCD也好，CMOS也好，都是按照这个像场照度标准来设计的。ISO200是数码传感器不需要使用增益放大就能获得完美信号参数。不论是提升ISO还是降低ISO，都是在ISO200基础上进行变化。提升ISO，就是加增益。噪声就来了。

如果不加增益，只有本身固型噪声（暗电流和放大偏差为主），说实话如果只开几级增益（ISO上调几挡）真的可以忽略不计。

高ISO情形下，产生噪声的原因，哪怕是外行人都很清楚了。放大信号的时候把固有的噪声也被放大了所致。ISO/灵敏度的调节可以看做调整放大器的增益，增益大的结果就是放大了信号，也放大了噪声。

而长时间曝光产生的噪声与高ISO形成的噪声在机制上完全不同，不能一概而论。在暗场下，主要表现为固定图形噪声（FPN）的暗电流影响，与曝光时间有关。曝光时间越长，暗电流越大，噪声越大，也就是FPN越大。抛除温度因素，当基底噪声很大时，长曝光时间+低ISO可以很好的抑制底噪（所以我喜欢用富士相机的最低ISO长时间曝光拍夜景，还好富士没有向下扩展的ISO，否则要害人了），但暗电流表引起的FPN明显突出；短曝光时间+高ISO可以很好的抑制暗电流引发的FPN，但抑制底噪就差。短曝光时间+高ISO可以很好的抑制暗电流FPN，但抑制底噪就差。相比与暗电流引发的FPN，底噪的视觉效果就是颗粒感非常强。

上图：ISO200， 曝光4.3秒 ，此时底噪基本不可见，而放大偏差引发的固型噪声也很轻微。长曝光时间+低ISO可以很好的抑制底噪，这种方法在现代的高质量的传感器上几乎百试百灵。

上图：ISO25600， 1/2秒曝光，底噪被严重放大，此时可见的噪声主要是被严重放大的底噪（当然放大偏差引发的固型噪声也被同步放大）。

这两幅图片是同一地点拍摄，前后拍摄时间相差了几分钟，使用了富士XE2拍摄（APS-C传感器）。可以说现代的传感器很优秀，固型噪声是非常低的。而底噪只有在高ISO情形下才会凸显出来。我用了非常昏暗的光线下，同一传感器、同一镜头、同时拍摄两幅照片出来说话是有目的的。也就是说，真正遇到的噪声仅仅来自于高ISO状态。也就是增益才是形成噪声的罪魁祸首。其他噪声来源都可以忽略。

上图：巧的是我当天也带了奥林巴斯相机，那块比较小的传感器，在近似的条件下（由于没有带两个三脚架，所以我操作玩富士相机后，用手持方式拍了这幅），100%放大，ISO1000，1/60秒曝光，可见的噪声基本上是被放大的底噪，由于没有将ISO过高地调上去，传感器无论如何小，拍出的照片也比大尺寸传感器用相对较高的ISO拍摄的要细腻平滑。

上图：等天色稍微放亮，我迅速将奥林巴斯相机的ISO降低到ISO200，100%放大，此时只有非常均匀、轻微到几乎不可见的底噪。固型噪声几乎不见。

展示这几幅照片，就是要告诉大家实际效果展示出来的就是高ISO才是噪声的真正来源（暗电流被大幅度放大的缘故），别无它意。

最终无论如何讨CMOS噪声产生的机制，它们都与传感器的尺寸无关。

只在这里，我们还要顺便进一步认识一下噪声。

第二部分：不能脱离镜头谈噪声

2.1大碗与小碗：镜头是如何收集光线的

“不存在什么光子。”（“There is no such thing as a photon”）

兰姆（W.E.Lamb）如是说。对，就是发现兰姆位移（Lamb Shift），获得过诺贝尔奖的那个兰姆。

最近重读兰姆的经典文章“Anti-Photon”。这里的 Anti-photon 不是反粒子那个概念下的反光子，而是反对“光子”这个说法。更确切的说，是反对通常人们概念中的那个“光子”。兰姆甚至提议给合格的人发许可证，人们需持证使用“光子（Photon）”一词。可以想象，响应的人并不多。

我们通常想象中的光子是什么样子的呢？一个很小很小的发着光的小绒球球？相信有不少人真这么想呢。错了！错了！

为什么会这样呢？光的粒子说不是已经随着杨氏干涉等一系列实验以及麦克斯韦方程组的极大成功被丢进历史的垃圾堆了吗？为什么还会有很多人对光子抱着这样的想象呢？

首先，这要归于我们人类的想象力，因为任何物质，我们都需要把它形象化才得以理解。物理学家经过训练，可以借助抽象的数学工具去理解超出一般人想象力的现象，但是大多数普通人，还是需要形象化的帮助的。于是，在很多科普作品中，只要涉及光子，我们就会看到那一个个发着光的毛茸茸的小球球。

其次，我们中学时期就听说过光的粒子说和波动说互相斗争的故事。最后谁胜出了呢？老师出来和稀泥了：光既是粒子，又是波，光有所谓的“波粒二象性”。其实，我们被骗了——我们被这五个字骗了。光不是粒子。光就是光，光是电磁波。我们从来没有观察到过那个被称为“粒子”的光子。

但是普朗克的黑体辐射理论是怎么回事？爱因斯坦的光电效应又是怎么回事？事实上，无论普朗克还是爱因斯坦，都没有用“光子”这个说法。在那个时候，“光子”这个词还没有发明呢。确切的说，他们提出的概念应该称为“光量子（light quanta）”。“量子”和“粒子”不是一回事，就像“量子力学”不能被称为“粒子力学”一样。光量子的意思是：光的辐射和吸收，只能按一定的能量一份一份的来，大自然这个贩卖机不接受半份的订单。

什么是粒子呢？我们所讲的粒子，有空间尺度，所以我们可以探测到它们的位置。虽然这个测量受到不确定原理的约束，但是测量是可行的。而光子呢？光子不具有像电子那样的波函数，也不具有相应的位置算符，它的位置是完全不可知的。不是有单光子探测器吗？探测器所在位置，难道不是光子的位置？不是的，那是和光子发生相互作用的探测器原子的位置。光子在被吸收之前处于什么位置？我们不知道。

抛开对光子的这种粒子化的想象，有些问题就不那么难理解了。例如在双缝干涉实验中，人们经常提的一个问题是：光子究竟是从哪一个狭缝穿过去的。当我们不再把光子当作通常所说的粒子时，恐怕根本就不会提这样的问题了。光是波，是电磁场，而光子是电磁场能量转化的最小单位，不是什么“粒子”。

光的本质，是科学家仍然在探索的一个问题。我不是量子场论的专家，不可能讲的很透彻。但是无论如何，我们不能把光子再当作会发光的毛茸茸的小球球了。

在第二部分一开始，我首先就要给纯理科朋友们搞搞脑子。先否定了光子一说。这正是一系列错误之源。

在兰拓科技的文章里，关于“等效光圈理论”一开始就谈到了一个问题：绝大部分噪声来自于光量子特性本身产生的散粒噪声。这是后面一系列推算的基础。

关于散粒噪声一说，在20年前的日本教科书就出现了。不过日本人说的很清楚：

在CCD制造工艺中，会产生随机噪声的来源有：

1.暗电流的散粒噪声

2.FD复位噪声

3.FD放大器噪声

4.光散粒噪声（谈到CCD的光散粒噪声的时候，日本老师出来和稀泥了：随着FD放大器越来越精良最终会趋向于越来越小，未来就可以控制光散粒噪声了）

在CCD制造工艺中，还有固形噪声FPN，固型噪声的来源于：

1.光电二极管的暗电流

2.转移劣化

3.光电二极管感光度不均匀

可惜的是还没有等日本老师从随即噪声中分离出光散粒噪声（或者说检测出光散粒噪声的存在）CCD已经在照相机领域黯然退场了。

而CMOS只有固形噪声，噪声来源有：

1.基底噪声

2.暗电流

这里面没有随机噪声啥事情的哦！FD系统的噪声和光散粒噪声都没有提到。原因是CCD、CMOS两者的结构不同。CMOS里面压根没有FD。

而早期的传感器工艺教材里也确实提到了传感器面积下降对传感器感光度的影响。甚至推导出了E（像场照度）∞1/F （光圈值）²（和兰拓版主最后推导出来的公式何其相似啊）

日本老师的理论也是基于光粒子散射的吸收效率而推导出来的。

按照他们的理论一个1/4英寸对于2/3英寸的CCD，若使用同样光圈F值的镜头，感光度下降到原来的1/5。

然而实际的工程设计中1/4英寸CCD还是和2/3英寸CCD同样的原理结构，而感光度并没有下降。相反，1/4英寸的传感器还越来越多了。

有人随即提出了“大碗”和“小碗”的概念。大碗总是比小碗装米装的多。

看过本篇开头，大家都已经知道了“毛毛球”是不存在的，这最多只是爱因斯坦的一种假设。让我们以工程的态度来看看“大碗”和“小碗”的问题。

我在这里画了一幅图来说明，CMOS的能量接受特性不能脱离镜头来考虑。

我们来看看镜头到底是如何收集光线的。

假设来自左侧有一块均匀的发光体，上面的每一个点都发出相同能量的光线。每一个点都在向正前半球180度范围内发射能量（光波）。我特地在左下角画了这么一个发光点来说明这个问题。也就是说，激光是不能用来解释现实问题的。激光有很强的方向性，我假设黄色的光线为激光，那么只有近轴的一部分能被镜头收集。这不符合实际情况。

考虑到漫射光（左下方）是没有方向性的，因此即使您有一块和发光体等大的感光原件（红色），也没有办法收集全部能量。这正是镜头存在的意义。

有了镜头以后，光线才能被收集并投射到传感器上。也正是因为镜头的强烈的拦光作用，因此进入镜头前和进入镜头后的光线的照度（单位面积能量）发生了非常明显的变化。这就是需要计算像距和像场照度的一个很重要的、工程上的理由。

您看上图，镜头收集到能量其实非常有限对吗？

这就是您为什么在室外感觉到的照度是一致的（好比站在镜头前），而推到室内每离窗口后退1m就有相差一级的照度（好比您站在镜头里面），因为窗户强烈的拦光效应所致。所以，我们拍照时可以不考虑户外的光线，而需要认真对待室内每一米的光线变化。

所以探究光线进入镜头以后的变化，就需要计算一下。其实这篇文章我之前就已经写过了。再复述一遍。

我们接下来以2个典型的相机系统配备的等视角的两个典型的镜头来讨论。

情形a：一个是索尼的A7全幅机系列，装备24x36mm传感器，装备50mm F1.4镜头，对焦为无穷远，此时像距=焦距为50mm

情形b：一个是奥林巴斯的M43相机（任意一个型号），装备M43规格的17.3 x 13mm传感器，装备25mm F1.4镜头，对焦为无穷远，此时像距=焦距为25mm

假设此时全幅机获得的像场照度是20勒克斯（国际标准组织ISO 1993版定义）。

为啥是20勒克斯呢？这个时候传统胶片相机使用1/125秒快门，F8-11光圈正好可以拍摄阴天的景物，相当于使用ISO200胶片（国际标准组织ISO 1993版定义）对应的外界条件。而此时的像场照度是20勒克斯。

依据经典的像场照度计算公式（这个不是我推导的，国内外的光学设计手册上都是用这个公式，经过前辈无数人验证过的）

E’0就是像场照度，

像t一样的字符是物镜透过率，一般为0.85，

L为物方发光亮度，单位cd(坎德拉）/m²

（D/f）就是相对孔径

E’0的最终单位为勒克斯lx。

可以看到，这个经典公式告诉我们照度只和物方的单位面积发光量有关，和相对孔径的大小有关。

接下来，我们抛开这个公式，回到像的一方，纯以照度和面积来计算能量。不需要复杂的高数推导的，简单计算即可。

首先根据照度的距离平方反比定律，求出全幅传感器使用50mm镜头在获得20勒克斯照度的同时，M43相机25mm像距时获得的照度是80勒克斯。（注：照度是单位面积亮度）

接下来，代入M43相机的传感器面积和全幅相机的传感器面积进行计算，结果如下：

整个传感器面阵：

全幅机：24.7微瓦

M43机：26.98微瓦

单个CMOS像素的情况：

全幅机：6.83E-10微瓦

M43机：1.68E-9微瓦

M43机器无论是整体还是单个像素，获得的能量都更大。

勒克斯与微瓦的转换关系为：像方照度的单位是勒克斯lx，1lx=1流明/m²。1流明约为1.46毫瓦。全幅传感器的尺寸是24*35.9mm（近似按照24X36计算）。假设像场照度20勒克斯，接收的总能量25微瓦。

我原先的文章里没有充分地解释为什么会造成这个微观现象的计算结果。现在补充解释一下：

我在前一幅图的基础上，去除了我们不需要考虑的因素。在上图中同时出现2个系统。就是全幅系统和M43系统。大家看到来自物方发光体的能量100%被投射到2个不同的传感器上。上图中，其实我画了2个镜头，但是它们的共轭中心再同一位置。虽然镜头有差异，但是只要它们的视角FOV是一样的，来自物方的能量就会被100%压缩并投射到各自的传感器靶面上。是100%。请以能量概念来思维，而不是毛茸茸的小球思维。

正是因为镜头的强烈的拦光作用（镜头只收纳了来自物方的很小一部分能量），镜头背后那一段距离发生的事情就要重点考虑了。

即使光散粒噪声（不是散粒噪声啊，两个概念）理论存在，也会对两块传感器产生相同的影响。而且M43传感器的像距短，它先接收到光线，在视场范围内，两者接收的能量相等，光散粒噪声也相等。当然这是假设，我想说的是：光散粒噪声是一个伪概念，既没有实际意义，也没有从实际测试中被哪位科学家证明过它的存在。即使光散粒噪声（不是散粒噪声啊，两个概念）理论存在，如果按照泊松分布计算，传感器面积小了，是不是产生噪声的概率也小了？您光计算了S的衰减而没有同步计算N的衰减（传感器尺寸减少时），或者说您在计算S增大的时候没有同步计算N的增加（传感器尺寸增加时）？

：）我怎么也用起“小球球”思维了？

上图我用图例说明了“等效光圈理论”。“等效光圈理论”在设置初始约束的时候严重忽略了以下因素：

1.完全忽略了镜头这个模拟信号压缩原件的存在；

2.也完全忽略了像距的存在（上图中小碗可以安放在任意位置）；

3.也完全忽略了物方是漫散射光（这个理论将来自物方的光全部考虑为了平行出射的激光，只有激光才会这样）；

4.也忽略了曝光时间的存在（t值）。

然而这样的条件在现实世界是不存在。

大家回过头来看看我的计算结果：

单个CMOS面积上M43接收的能量是全幅机单个像素的2.5倍。这个很好理解，并不是因为用“小碗”承了与“大碗”一样多的米，所以“小碗”里就显得多一些。 而是因为奥林巴斯的像素比较少，只有1600万像素，平均分摊下来，每个多分摊了一些。

这里就很容易解释一个现实世界的问题，在同等尺寸、同等科技代别的传感器中，像素是不可以无限分割的，即像素并非越多约好（约束条件：同尺寸的传感器，同样的光学系统而言），高像素并非正义。索尼的A7S是一部低感很优秀的相机（采用和高像素的索尼A7R同样尺寸的传感器），所以它必须将像素数值调降下来。以便让每个像素获得更多的能量。单位面积能量说仅仅针对同尺寸的传感器进行分析非常有效。前些天有个朋友在网页上留言，APS-C的佳能100D只有1800万像素，过时了。这里的理论是对他最好的回答。

那么有些人要问了，按照齐老师的理解奥林巴斯的“小碗”应该与索尼的“大碗”承载一样多的“米”（又“小球球”理论了：））。那么为什么整个传感器面阵计算下来，奥林巴斯还比索尼多出了2.18微瓦。这是因为它们的宽高比不一样。

请大家务必留意一下下面这个反向推断的结果：

也就是说索尼的24x36mm传感器在如果等比例缩小到适应25mm像距，面积是216mm²（就是假设完全按照索尼A7R传感器的宽高比来制造一块M43的传感器，且将它完全置于M43相机的焦平面上），此时计算出来的接收到的照射是：

全幅机：25微瓦（传感器按照24x36mm计算）（装50mm镜头 时，同等光圈，像场照度20勒克斯）

M43机（按照M43机的像距，按照全幅机的传感器等比例缩小）：25微瓦 （传感器按照12x18mm计算）（装25mm镜头时，同等光圈，像场照度80勒克斯）

两者接收到的光能量完全一样。这个推导的结果和上面的理论吻合。简单的照度/面积计算验证了只要光学系统视角相同，传感器接收的能量完全相同。

而奥林巴斯传感器整体多获得的2.18微瓦能量，正是由于同等像距上传感器的面积多出8.9mm²。

再多聊几句。奥林巴斯的传感器的单个像素的面积是索尼A7R传感器像素的65％（大约）却承担了比索尼像素2.5倍的能量。如果换做单位面积计算。奥林巴斯传感器在25mm像距时接收的单位面积能量正好是索尼的4倍（其实就是照度之比）。这个现象就是“小碗”承载了和“大碗”一样多的能量的结果。“小碗”可以在单位面积里装载更多（能量更为集中）。而它正好用来解释我下文会提到的一个概念：小画幅的镜头天生就比大画幅的镜头有更优秀的MTF（简单点说就是光学性能更好）

现代的光学设计全部以波动性和能量传递作为设计的理论。您看出来了吗？能量更集中，画质就更优秀。虽然M43的画质不能完全提高到和全幅机相抗衡的水准，但是有提升是肯定的。比如同视角的情况下，全幅相机40线对/mm（德国徕卡镜头的标准）能描写的物体，M43相机需要有80线对/mm的分辨能力才可以抗衡，实际做不到或很难实现（工程原因导致，如果实现了，您在上面看到的25mm镜头拍摄的远景至少和索尼一样清晰），但是从30线对/mm（日本相机工业的标准）提升到60线对/mm还是很轻松的。我期待看到一只M43的优秀的25mm标准镜头来验证这个理论。而反过来中画幅的镜头要做到40线对/mm很困难。这一切皆可以用能量说来解释。越是大画幅的传感器，达到相同的视角，传感器就要越往后安装（焦距和像距延长），经过镜头的拦光以后，单位面积能量衰减越厉害。

为什么两者接收的总能量相等，而24x36mm的像场照度却降低了？正是因为总面积大，单位面积分摊的能量就减少。

有朋友如果问：在房间里，光线投射面积没有变化，为什么光线会衰减？我告诉您：光线的能量在大气环境下的传播中几千米不会有明显衰减的。何况区区几米。您看上图就明白了，窗户好比一个镜头，光线入射就是这个效果，在最后的那墙壁上，近似还有一个虚拟的焦平面，面积远远超过墙壁本身。所以总能量差是没有，单位面积能量差是存在的，照度就发生变化了。没有“镜头”这个因素，当您站到室外来，当然不存在这个现象。 在室内和在照相机镜箱内一样，衰减的不是总光能，而是单位面积光能。

还要指出的是：“等效光圈理论”严重忽视了曝光时间因素的存在。对于光速，现代照相机的曝光时间哪怕是快到1/100000秒，对于光来说还是太漫长了。即使“光散射噪声”存在，在如此“漫长”的时间里，“光散射噪声”趋向于0。同时，CMOS传感器中的光电二极管尽管在人类的眼睛里看起来是这么微小，但是对于光线来说，它实在是太大了。所以在曝光时间内，所有的CMOS像素都会被反复地、均匀地照射。

强调一句，“光散射噪声”是不存在的。

相信“等效光圈理论”的朋友又要说了：我们是“整体”的衡量信噪比。我还是这句话回应：您光计算了S的衰减而没有同步计算N的衰减（传感器尺寸减少时），或者说您在计算S增大的时候没有同步计算N的增加（传感器尺寸增加时）。S/N始终是单位面积之比。请不要用“等效光圈理论”来混淆视听。M43相机成像质量上比较差劲的原因主要是：相同的视角，不得不使用较短焦距的镜头。CMOS的分辨率，目前远远超过镜头能提供的分辨率。M43的噪点比较突出，是因为CMOS上光电二极管的尺寸更小（对于光线来说还是太大了，巨大），更难制造而已。相信未来会有进一步改善的空间，当然，全幅机也会改善得更好。

至于日本老师为什么会在30多年的教材中提到“光散粒噪声”，我想那是对CCD噪声的来源还没有完全研究透彻，搞不清楚噪声源的那部分噪声也只好以这个理论来解释了。然而30年后，我们已经可以完全否定掉光散粒噪声的存在。

无论如何，请相信一点，我们在白天，在不开高ISO的情形下，使用相机的概率远远大于在暗夜里的拍摄。信噪比的问题，在照相机中只是一个微不足道的话题。当下，镜头才是真正值得关注的问题。

由于本文一口气超过了2万字，微信无法展现了。第二部分2.2到第四部分因该非常精彩。请有兴趣的读者前往91拍照网站进一步阅读。

由于图片在手机上的显示效果受到很大影响。我建议大家到网站上观看图片的细微差异。巧的是：关于图片显示的问题我专门在第四部分《高像素并非正义》结尾时重点进行了阐述。

而我们的网站是屏蔽右键操作的。需要观看图片细节的朋友可以使用浏览器的大图浏览功能，浏览器会自动抓取原尺寸图片。

以360浏览器为例，使用SHIFT+CTRL_A就可以使用网页放大镜查看大图。

如果使用苹果显示器或其他专业级显示器，浏览效果更佳。

第五部分：总结：维护物种的多样性

噪声是哪里来的？有没有信噪比等效光圈？焦距重要还是信噪比重要？镜头是如何设计出来的？像素多是不是总是正义的？这些我都不想强调了。

我最想强调的就是这点。相机好坏总有些个体差异，大家总是个有所爱。我最担心的是：如果哪一天只有一个标准、一种相机、一类相机存在？

相机这行业小日本独领风骚，国产基本没有，真希望小米也出相机单反，弄垮小日本。