ANAN 校稿編匯

      我們在 Mr.OH! 數位講座中的第二講 CCD v.s CMOS 和 第十一講 CCD細部結構大剖析，詳細剖析了CCD 和 CMOS 的細部結構。但是對於 CCD 實際的運作方式和數位照片是如何產生的並未述及，這一來是考量到網友的程度是否需要接受如此複雜的解說，另一方面對於專業資料取得和翻譯仍有一定程度的限制。此次，特感謝 關英棠 先生有感於我們在數位攝影工作上努力的成果，慷慨提供相關資料，讓我們得以順利完成編撰工作。

        CCD和傳統底片相比，CCD 更接近於人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網膜是由負責光強度感應的杆細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 CCD經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司分別為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，泰半是日本廠商。

        分解CCD 結構可以發現，為了幫助 CCD 能夠組合呈彩色影像，網格被發展成具有規則排列的色彩矩陣，這些網格以紅R、綠G和藍B濾鏡片所組成（三原色CCD），亦有補色CCD （為CMYG .. Y黃色）。每一個CCD元件由上百萬個 MOS電容所構成（光點的多寡端看CCD 的畫素而定）。當數位相機的快門開啟，來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化矽材料釋放出電子〈負電〉與電洞〈正電〉。經由外部加入電壓，這些電子和電洞會被轉移到不同極性的另一個矽層暫存起來。電子數的多寡和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。

        以市面上常見的IL 型 CCD 為例，曝光之後所有產生的電荷都會被轉移到鄰近的移位暫存器中，並且逐次逐行的轉換成信號流從矩陣中讀取出來。這些強弱不一的訊號，會被送入一個 DSP 也就是數位影像處理單元。在這個單元之中有一個A/D 類比數位訊號轉換器。這個轉換器能將信號的連續範圍配合色塊碼賽克的分佈，轉換成一個2D的平面表示系列，它讓每個畫素都有一個色調值，應用這個方法，再由點組成網格，每一個點（畫素）現在都有用以表示它所接受的光量的二進位數據，可以顯示強弱大小，最終再整合影像輸出。

         因應不同種類的工作需求，業界發展出四種不同類型的 CCD ：Linear 線性、Interline掃瞄、全景 Full-Frame和 Frame-Transfer 全傳。線型CCD是以一維感光點構成，透過步進馬達掃瞄圖像，由於照片是一行行組成，所以速度較使用 2維CCD的數位相機來得慢。這型CCD 大多用於平台式掃描器之上。

         Interline 掃瞄型 CCD 的曝光步驟（STEP 1. - 見左圖）和前面介紹的相同，所不同處在於讀取電荷的方式。Interline CCD 透過垂直傳送帶（STEP 2.）從暫存矩陣中讀出訊號，再向下轉移至底部水平轉換記錄器（STEP 3.），然後電荷在搬到放大器中（橘色圓圈），之後在到DSP裡讀出水平光電位置行列，最後產生電子信號代表一張完整的數位影像。清空暫存器後，再重新設定光電位置以便接收下一張影像。IL 型 CCD 的優點在於曝光後即可將電荷儲存於暫存器中，元件可以繼續拍攝下一張照片，因此速度較快，目前的反應速度以已經可達每秒 15張以上。但 IL 的缺點則是暫存區佔據了感光點的面積，因此動態範圍（Dynamic Range - 系統最亮與最暗之間差距所能表現的程度）較小。不過，由於其速度快、成本較低，因此市面上超過 86％以上的數位相機都以 IL 型 CCD 為感光元件。

       Full-Frame 全像 CCD 是一種架構更簡單的感光設計。有鑑於 IL 的缺點，FF改良可以利用整個感光區域（沒有暫存區的設計），有效增大感光範圍，同時也適用長時間曝光。其曝光過程和 Interline 相同，不過感光和電荷輸出過程是分開。因此，使用 FF CCD的數位相機在傳送電荷資訊時必須完全關閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著 FF 必須使用機械快門（無法使用 IL 的電子 CLOCK 快門)，同時也限制了FF CCD的連續拍攝能力。Full-Frame CCD 大多被用在頂級的數位機背上。

         Frame-Transfer 全傳 CCD 的架構則是介於 IL 和 FF 之間的產品，它分成兩個部分上半部分是感光區，下半部則是暫時存儲區。整體來說 Frame-Transfer CCD 非常的類似 Full-Frame CCD，它的特點在於直接規劃了一個大型暫存區。一旦FT CCD 運作，它可以迅速將電荷轉移到下方的暫存區中，本身則可以繼續曝光拍照。這個設計，讓FT 同IL 一樣可以使用電子快門，但同時也可增加感光面積和速度。FT CCD 主要是由 荷蘭 Philips 公司開發，後來技術移轉給 SANYO 公司發展成 VPMIX 技術。三洋對 VPMIX 的改良相當成功，使它的數位相機能兼具靜態和動畫的拍攝能力（可達 30 fps 的拍攝速度 - 在動畫運用上非常出色）。

         從上述的文章中我們可以瞭解，CCD 的感光點排列是影響 CCD 感光範圍和動態能力的關鍵。早期的 CCD 都是井然有序的『耕田』狀。當CCD 技術到了日本富士手中，工程師開始省思 CCD 一定要這樣排列嗎？為了兼具 IL 的低成本設計，又要能兼顧 FF 的大感光面積，富士提出了一個跌破專家眼鏡的折衷方案Super CCD。SuperCCD 是目前市面上唯一使用蜂巢式結構的CCD，其藉助八邊形幾何構造和間斷排列，以IL 的方式為基本，爭取最大限度的CCD有效面積利用率。但，早先的技術讓通道過於擁擠，產生了不良的雜訊，時至今日 SUPER CCD 已經發展進入第三代，幾乎所有不良的缺點都已經改進。

.....待續

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