CCD與CMOS相關技術淺釋

我們常常會注意到在某些廠牌的攝影機上會出現3xCCD與3xCMOS的標簽、而某些大型廠商也積極教育消費大眾在某方面的直接觀點就認為3xCCD或3xCMOS的攝影機對於畫質上也是最好的！而最近在DSLR部份也有部份廠商強調自己的技術是X3CMOS或者是SUPER CCD..等等的技術。但是3個CCD或CMOS與3原色單CCD等的技術有何差別？是我今天特開此
篇文章所要探詢的重點！

CCD的簡介

電荷耦合元件 (CCD，Charge-coupled Device)是一種積體電路，上有許多排列整齊的電容，能感應光線，並將影像轉變成數位訊號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學，尤其是hotometry_(astronomy) href="http://en.wikipedia.org/wiki/Photometry_%28astronomy%29" target=_blank>光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術如ucky_imaging href="http://en.wikipedia.org/wiki/Lucky_imaging" target=_blank>Lucky imaging。

CCD的原理簡單，我們可以把它想象成一個沒有蓋子的記憶芯片。光子在接觸這些記憶單元後産生電子（光電效應），因此光子的數量與電子的數量是成比例的。但光子的波長在這一過程中無法轉換爲電子，因此CCD芯片無法識別顔色。

CMOS的簡介

互補式金屬-氧化層-半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS，簡稱互補式金氧半導體）是一種積體電路製程，可在矽晶圓上製作出PMOS（P-channel MOSFET）和NMOS（N-channel MOSFET）元件，由於PMOS與NMOS在特性上為互補性，因此稱為CMOS。此製程可用來製作微處理器（microprocessor）， 微控制器（microcontroller），靜態隨機存取記憶體（SRAM）與其他數位邏輯電路。

所謂的「金屬-氧化層-半導體」事實上是反映早期場效電晶體（Field-Effect Transistor, FET）的閘極（gate electrode）是由一層金屬覆蓋在一層絕緣體材料（如二氧化矽）所形成。今日的金氧半場效電晶體（MOSFET）元件多已採用多晶矽（polysilicon）作為其閘極的材料，但即便如此，「金氧半」（MOS）仍然被用在現在的元件與製程名稱當中。

在今日，CMOS製程經常也被用來當作數位影像器材的感光元件使用，尤其是片幅規格較大的數位單眼相機。雖然在用途上與過去CMOS電路主要作為韌體或計算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是採取CMOS的製程，只是將純粹邏輯運算的功能轉變成接收外界光線後轉化為電能，再透過晶片上的數位─類比轉換器（ADC）將獲得的影像訊號轉變為數位訊號輸出。

應用

一般的數位相機是將Bayer濾鏡加裝在CCD或CMOS上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩解析度不如感光解析度。

所以如果想制作一個彩色的CCD或CMOS，那麽就必須在每個像素上覆蓋一層紅或綠或藍色的“外衣”。今天，紅、綠、藍三種顔色點的分部規則主要源自於拜爾（Bayer）先生所提出的理論，因此“拜爾濾光片”就成爲了被廣泛使用的技術術語。
通常來講，我們希望一個普通彩色相機輸出的每個像素中都含有紅、綠和藍色，但CCD真正給我們的只是其中之一，於是就需要相機處理元器件通過色彩空間插值法來“估算”丟失的那兩個值。

3CCD技術

光線通過鏡頭，利用稜鏡將光線折射為紅(Red)、綠(Green)、藍(Blue)三 原 色，利用三塊獨立的CCD攝取三原色光訊號。 產生的影像，可以說是色彩準確較高，但製作成本較單次曝光相機昂貴，但由於使用了稜鏡，同時也會令影像產生變形現象。這種設計方式也只在專業的攝錄器材中普遍採用，而相機方面，早期的MiNOLTA ActionCam曾經採用。

但用三片CCD和分光稜鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好，分光稜鏡把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。現在的專業級數位攝影機，和一部份的數位攝影機採用3CCD技術。（不過在一些大廠的主導之下，漸漸的也採用CMOS作為感光元件。)

近年來，利用互補金氧半導體(CMOS)的製程，已能製造實用的主動像素感測器(Active Pixel Sensor)。CMOS是所有矽晶片製作的主流技術，CMOS感光元件不但造價低廉，也能將訊號處理電路整合在同一部裝置上。後一特性有助於濾除背景雜訊，因為CMOS比CCD更容易受雜訊干擾。這部份的困擾現時已漸漸解決，這要歸功於使用個別像素的低階放大器取代用於整片CCD陣列的單一高階放大器。CMOS感光元件還有一個優點，它的耗電量低於CCD。但其應用方法與CCD大同小異！

異軍突起 Foveon X3技術

美國Foveon公司的Foveon X3技術。這是一種用單像素提供三原色的CMOS圖像感光器技術。與傳統的單像素提供單原色的CCD/CMOS感光器技術不同，X3技術的感光器與銀鹽彩色膠片相似，由三層感光元素垂直疊在一起。Foveon聲稱同等像素的X3圖像感光器比傳統CCD銳利兩倍，提供更豐富的彩色還原度以及避免采用 Bayer Pattern傳統感光器所特有的色彩干擾。另外，由於每個像素提供完整的三原色信息，把色彩信號組合成圖像文件的過程簡單很多，降低了對圖像處理的計算要求。使用CMOS的X3圖像感光器耗電比傳統CCD小。

根據Foveon專利描述，硅片對光線的吸收與光譜和硅片深度有關。其中藍色光在離硅片表面0.2微米開始被吸收，綠色光在離硅片表面0.6微米被吸收，紅色光在離硅片表面2微米被吸收。這種光線吸收個性於銀鹽彩色膠片的感色塗層是相同的。這個現像曾被其他人注意到，包括Kodak在七十年代申請的一項專利，但都沒有技術實現。

X3技術的另一個特點是虛擬像素尺寸-VPS（Virtual Pixel Size）。它可以把鄰近的像素信號組合成一個像素，如2x2或者4x4，從而增加信噪比。這可以應用於提高感光度同時保持低噪音。此外使用VPS減低像素還可以加快從感光器提取信號的速度，這對於攝影錄影來說應用上有相當大幫助。

Foveon X3 基於目前來說只有應用在相機等靜態攝影與小眾的工業用攝影機領域，但在未來的發展上卻是令人期待的。
未來不管是應用在專業攝影機上亦或者是家用攝影機，對於製作成本或者是影像的呈現度上也會來的比過去好的很多。

Super CCD 富士的代表技術

傳統CCD元件的像素粒子是垂直排列的，而Super CCD Honeycomb則是採用45°角 排列的，形狀就像蜜蜂巢。由於斜線之間有間隙，為有利於訊號的處理，對這些間隙進行 Honey comb 處理 （補間處理） ，於是出現了一個反相像素，並與實際的組合形成被攝體的影像訊號 。

如果感光元件CCD/CMOS像素的空間頻率與影像中條紋的空間頻率接近，就會產生摩爾紋。一個很不幸的結論就是：要想消除摩爾紋，應當使鏡頭分辨率遠小於感光元件的空間頻率！當這個條件滿足時，影像中不可能出現與感光元件相近的條紋，也就不會產生摩爾紋了！據說數位相機中為了減弱摩爾紋，安裝有低通濾波器濾除影像中較高空間頻率部分，這當然會降低圖像的銳度。將來的數位相機如果像素密度能夠大大提高、遠遠超過鏡頭分辨率，也就不會出現討厭的摩爾紋了！” 目前看來SUPER CCD SR PRO正好做到了這點，因為特殊的“雙像素構造”很大程度上提升了分辨率，在拍攝紋理復雜的布料，網格等圖像中，摩爾紋被有效抑制。

SUPER CCD 每個像素點使用了一大一小兩個不同性能的感光單元。分別稱為主單元和副單元。主單元感光度高，提供主要的成像信號，但高光信號會溢出。副感光單元感光度低，能記錄高光信號的變化，作為補充信號提供給數據處理過程，擴大動態範圍。而CCD的感光單元在受到光線照射時會蓄積電荷，但當電荷蓄積到一定量以後就達到飽和，可以看出，達到飽和以後，光量增加，電荷量不再增多，表現在最終圖像上，高光區域一片白色，而沒有層次！如果降低感光單元的靈敏度，可以改善高光感光性能，但是低光區域又會因信號太弱而丟失層次，甚至成像信號低於干擾信號而形成噪點。所以使用單一感光單元的CCD對高光低光的感應不能兩全，導致動態範圍狹窄。所以使用兩個成像單元的SUPER CCD就不同了。Super CCD 層次(階調)是傳統CCD的4096倍 ，Super CCD色彩取樣可達36 Bit。

3XCCD3CMOS未來應用

在DSLR上要真正實現這種從理論上看很完美的攝影記錄手段，還需要克服一些技術障礙，首先三塊CCD或CMOS影像傳感器必須參數一致，而半導體器件本身屬於參數高度離散性的器件，何況集成了幾百萬上千萬個單元器件的大規模集成芯片，如果三塊傳感器的像素值出現誤差對於最後還原全色彩就是不完美的。還有現有的單鏡頭反光照相機結構由於取景反光鏡的存在，會與相機內部安裝用於反射和折射到不同影像傳感器的多棱鏡發生衝突，同時三CCD技術需要更大的占用體積，對於現有相機結構也需要徹底改變。而改變現有結構，由於鏡頭後截距的限制，現有鏡頭不能使用在未來的這種相機上，相機開發對於現有消費者無法實現現有鏡頭配件的繼續兼容恐怕是廠家不願意冒險得罪消費者甚至市場推廣困難的主要心理障礙。

由於數位相機在推出時還面臨著消費者的認可和接受程度，如果相機廠家在一開始就建立一個完全全新的相機和配套鏡頭系統而舍棄所有原來照相機用戶，可能會導致全面的市場抵觸。結果是不但不能推廣數位相機這個新型攝影手段而且會有胎死腹中的危險。而歷史恰恰是首先在原來的照相機平台上逐漸地完善和改進，逐漸適應數位相機與傳統膠片相機的兼容，在兼容的過程中又逐漸地強化數字相機的應用和完善產品鏈。這樣做的結果還吸引了傳統照片輸出業推出更加適合數字相機照片輸出的產品鏈。這樣的結果繼續下去，在沒有影響傳統影像輸出服務業進行全面抵觸的同時，完成了數位概念的推廣應用。一旦數位攝影手段被社會廣泛認可與接受。在社會普及達到一定程度以後，再回頭正視原來單片CCD或者CMOS影像傳感器本身在記錄影像方面的缺陷，再推出更加完美的數位相機系統也為時不晚。

不論如何，攝影永遠是社會實用性的產物，我們從技術層面可以肯定3CCD技術在高階攝影機上的成功推廣應用和逼真效果已經告訴我們技術的可行性和現實性。而數位攝影機也是從單片CCD逐漸發展到3CCD技術的，也是從傳統模擬攝影機發展到數位攝影機的，這種3CCD技術升級在記錄影像細節方面的優點和完美程度已經是不需要任何解釋的了。或許幾年、幾十年以後，我們目前這些數位相機發展到技術壁壘無法突破時，還會回頭繼續注視這個在理論上、技術上都十分可行、但只有要求以往用戶必須忍受放棄原來產品鏈系統而全面升級更新帶來的陣痛時，也不得不正面對應單片CCD的結構缺陷而重新在3CCD領域重新起步。正如現在3CCD攝影機已經全面替代單片CCD技術進入專業攝影領域一樣，未來的照相機或許還會有一次新的技術革命在期待下一代創業者的勇氣。相信在未來的數字相機開發過程中，不會不關注3CCD技術的應用，由於3CCD技術的應用，整個數位相機的結構肯定會發生徹底的改變，鏡頭設計也會徹底應用新的設計思維，而3CCD結構更會在影像光線傳輸方面考慮投射角度問題。

文/小余

參考資料

維基百科、FUJIFIML、SIGMA、日本松下電器

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