Mr.OH!主述 / ANAN 編譯

• 60' 太空年代開(kāi)啟 CCD 紀(jì)元

        前幾講中，Mr.OH! 討論了很多 CCD 現(xiàn)代的技術(shù)，那麼究竟 CCD 是怎麼開(kāi)始的呢？我們回到西元1970年代初期，美俄太空競(jìng)賽相當(dāng)激烈的時(shí)候；當(dāng)時(shí)衛(wèi)星拍照主要是攜帶底片罐上太空，拍完偵察照片後再用降落傘回傳地球。為了避免底片罐著路時(shí)損毀，NASA 還特別安排了一隊(duì)機(jī)組專(zhuān)門(mén)在空中攔截這些底片罐。可想而知，這種方式效率差又容易出狀況，也因此， NASA 與美國(guó)貝爾電話公司（Lucent Technologies）合作研發(fā)成功了第一代電荷轉(zhuǎn)變組合電路， CCD(Charge Coupled Device)，取代當(dāng)時(shí)研究正熱門(mén)之真空管攝影。

SONY公司於 1981年首次發(fā)表的 SonyMavica1 數(shù)位相機(jī)

        不過(guò)，也有一說(shuō) CCD 是由美國(guó) RCA 公司旗下 David Sarnoff Laboratory，于西元 1975 年在 Dr. Walter Kosonocky 主導(dǎo)之下開(kāi)發(fā)成功。但 CCD 真正應(yīng)用於消費(fèi)型數(shù)位相機(jī)上，則是 SONY 於 1981 年推出的 Mavica 1 數(shù)位相機(jī)原型機(jī)（見(jiàn)上圖）；這是第一部可以商業(yè)化的數(shù)位相機(jī)雛形。可惜，種種的技術(shù)問(wèn)題迫使 SONY 暫時(shí)放棄數(shù)位相機(jī)機(jī)種的研發(fā)，轉(zhuǎn)而把精力投注在 CCD 的改良之上。

• 1995 年以前未成熟的 CCD 技術(shù)

      SONY 推出第一部數(shù)位相機(jī)原型機(jī)之後，刺激了眾多相機(jī)業(yè)界著手研發(fā)。1988年富士與東芝在科隆博覽會(huì)上，展出了可使用快閃記憶體卡 Pujixs DS－1P，成功奠定未來(lái)數(shù)位相機(jī)使用記憶媒體的基礎(chǔ)。西元1991年，美國(guó)柯達(dá)試製成功全世界第一臺(tái)數(shù)位單眼相機(jī) DCS 100，日本 Toshiba 東芝公司稍後更發(fā)表一款40萬(wàn)畫(huà)素，MC－200數(shù)位相機(jī)，售價(jià)高達(dá)170萬(wàn)日元。

     　這個(gè)時(shí)期能夠試作 CCD 感光元件的廠商，大多數(shù)本身就已經(jīng)掌握相關(guān)晶元技術(shù)，結(jié)合本身的開(kāi)發(fā)能力和產(chǎn)品線基礎(chǔ)，積極試探數(shù)位相機(jī)這個(gè)未來(lái)領(lǐng)域。此一時(shí)期 CCD 一直未能解決入光量的問(wèn)題，大多數(shù)的產(chǎn)品都僅以原型機(jī)的姿態(tài)出現(xiàn)在各展覽會(huì)場(chǎng)，宣示意味大於實(shí)質(zhì)。但也偶有例外，例如：1995年柯達(dá)推出商用數(shù)位相機(jī) DC460，即因美國(guó)法庭蒐證是否可以採(cǎi)用數(shù)位相機(jī)與數(shù)位照片做為呈堂證物，名噪一時(shí)！1995年2月日本CASIO卡西歐更發(fā)表了一款25萬(wàn)畫(huà)素，售價(jià)僅6萬(wàn)5千日幣的消費(fèi)型數(shù)位相機(jī) QV－10，等於正式宣告數(shù)位相機(jī)時(shí)代的來(lái)臨。

• 1996年SONY微型鏡片技術(shù)誕生

        有鑑於數(shù)位相機(jī)市場(chǎng)的未來(lái)即將來(lái)到，美國(guó)柯達(dá)公司率先於1995年作出了一個(gè)前瞻性的策略決定，全面發(fā)展數(shù)位影像技術(shù)！採(cǎi)用跨業(yè)界合作方案，與日本 Nikon推出DCS460和DCS620X，又與Canon合作DCS420數(shù)位單眼機(jī)身。受限於技術(shù)，95年以前的數(shù)位相機(jī)畫(huà)素一直無(wú)法跨過(guò)50萬(wàn)的門(mén)檻；直到沈潛多時(shí)的 SONY 勤天一擊！

         1996年 SONY SUPER HAD CCD 新技術(shù)誕生。隨著CCD畫(huà)素要求不斷提昇，1995年以前開(kāi)發(fā)CCD技術(shù)已經(jīng)無(wú)法再提升感光度；但如果改以CCD元件內(nèi)部線路讓放大倍率提升，卻又會(huì)使雜訊也同步提高，畫(huà)質(zhì)將受影響，更不可行，CCD 設(shè)計(jì)師面臨前所未有的兩難局面。然而，SONY成功將微型鏡片技術(shù)進(jìn)化，藉著改良材質(zhì)，調(diào)整鏡片形狀，徹底提高光利用率。終於打破傳統(tǒng) CCD 光利用效率以及感光度的設(shè)計(jì)極限，跨越『畫(huà)素門(mén)檻』，又保持雜訊不至隨著畫(huà)素增加而增加，新技術(shù)誕生直接間接的保證了數(shù)位相機(jī)畫(huà)素將有可觀的提升，這個(gè)被SONY命名為 SUPER HAD CCD 至今還一直沿用。

• 97 之後，上市數(shù)位相機(jī)跨越百萬(wàn)畫(huà)素門(mén)檻

    　 特殊用途（軍用、太空用途） CCD 發(fā)展一直支持著數(shù)位影像工業(yè)的前進(jìn)，1997年是一個(gè)重要的關(guān)鍵指標(biāo)，首次消費(fèi)用數(shù)位相機(jī)的需求大過(guò)專(zhuān)門(mén)用途機(jī)種。雖然，此時(shí)合理價(jià)位的產(chǎn)品畫(huà)素約30萬(wàn)（VGA 640X480）；不過(guò)，百萬(wàn)畫(huà)素 megapixel 產(chǎn)品在 SONY 技術(shù)幫助之下已經(jīng)不是夢(mèng)想。透過(guò)，媒體不斷的報(bào)導(dǎo)和各項(xiàng)重大發(fā)表會(huì)日本、美國(guó)廠商不斷釋出數(shù)位相機(jī)的訊息，大眾的焦點(diǎn)也開(kāi)始注意到數(shù)位影像的趨勢(shì)，同時(shí)也掀起了一股比較傳統(tǒng)底片與數(shù)位相機(jī)優(yōu)劣之競(jìng)賽。

• 激烈的傳統(tǒng)與數(shù)位爭(zhēng)奪戰(zhàn)，帶動(dòng) CCD 工業(yè)上揚(yáng)

          98年以後，數(shù)位相機(jī)堂堂邁入300萬(wàn)畫(huà)素的階段，不過(guò)，CCD設(shè)計(jì)又進(jìn)入了一個(gè)新的瓶頸。不管是單一畫(huà)素的大小或是『微型鏡片』的設(shè)計(jì)都無(wú)法有效的提昇CCD的效能。此時(shí)的CCD發(fā)展開(kāi)始朝向兩個(gè)不同的方向：一是更改CCD的面積大小，以容納更多畫(huà)素（當(dāng)然此舉勢(shì)必影響到許多數(shù)位相機(jī)包含外觀與鏡頭的設(shè)計(jì)，工程頗大），另一個(gè)則是讓CCD可以偵測(cè)到可見(jiàn)光以外的紅外線波長(zhǎng)，再透過(guò)IC進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)偏移。

        新開(kāi)發(fā)的『EXVIEW HAD CCD』技術(shù)就可以將以前未能有效利用的近紅外線光轉(zhuǎn)換成增強(qiáng)影像資料而用。使數(shù)位相機(jī)的可見(jiàn)光範(fàn)圍擴(kuò)展到紅外線的波長(zhǎng)。這種方法果然使CCD的感光能力大幅提高，即使在黑暗的環(huán)境下使用這項(xiàng)技術(shù)的數(shù)位相機(jī)也可得到清晰的照片。 同學(xué)們?nèi)绻信d趣，可以回家把電視遙控器拿出來(lái)（紅外線才有用），把電燈關(guān)調(diào)將遙控器的發(fā)射端對(duì)準(zhǔn)數(shù)位相機(jī)的鏡頭，同時(shí)按下快門(mén)和遙控器電源。在拍下的數(shù)位照片中你就可以看到數(shù)位相機(jī)記錄下紅外線的情形了。

• 2000年後，新一代 CCD 技術(shù)革新

        經(jīng)過(guò)，98/99 年激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)之後，CCD 技術(shù)已經(jīng)與一般底片表現(xiàn)不相上下，但仍舊沒(méi)有辦法滿足高階使用者對(duì)數(shù)位影像的需求。2000年以後的技術(shù)，除了不斷的畫(huà)素提升之外，更開(kāi)始著重於色彩的表現(xiàn)、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的擴(kuò)張、反應(yīng)的速度以及雜訊產(chǎn)生的降低，總總與數(shù)位影像色彩相關(guān)的議題。當(dāng)中，最具代表性的就是日本富士公司推出的 Super CCD：

2002年元月三十日-富士發(fā)表第三代 Super CCD

1999年日本富士開(kāi)發(fā)出第一代的 SuperCCD，應(yīng)用在 FinePix 4700z 上，由於可提高畫(huà)素和解析度，因此廣受歡迎，繼之2001年富士修正了第一代 Super CCD 所有的雜訊缺點(diǎn)，並提升有效畫(huà)素到310萬(wàn)，最大畫(huà)素 602萬(wàn)的更高解析度。這批 CCD 被裝配在 FinePix 6800z / 6900z 上，成為該年度富士最暢銷(xiāo)的數(shù)位相機(jī)。新一代的 SuperCCD III 結(jié)合以上的優(yōu)勢(shì)，又加入了：「畫(huà)素加算信號(hào)處理能力」這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)意在於利用相機(jī)內(nèi)建的信號(hào)處理計(jì)算器，整合在第一次拍照所得（2832X2128）的照片，以RGB 三色之每4個(gè)畫(huà)素為一個(gè)計(jì)算依據(jù)，整合出該照片在 ISO 1600 高感度時(shí)應(yīng)有的表現(xiàn)。運(yùn)用計(jì)算的原理，可提高並修正回相片在低光亮下應(yīng)有的色彩，避免電子干擾所增加的雜訊比。但缺點(diǎn)是原本高畫(huà)素的相片，得出的成果會(huì)被縮成 (1280X960)大小比例。

「CCD 水平/垂直畫(huà)素混合運(yùn)算」這是 SuperCCD III 又一項(xiàng)特殊技能，也是世界首次CCD採(cǎi)用水平/垂直畫(huà)素混合運(yùn)算技術(shù)。這種方式可以讓有效畫(huà)素300萬(wàn)的CCD跨過(guò)一般在QVGA動(dòng)畫(huà)錄製 (解析度 320×240)，速度被限制在15fps的門(mén)檻 - 因?yàn)樗俣仍倏煜氯?，?shù)位相機(jī)的處理速度不及，畫(huà)面容易偏暗。這次透過(guò)運(yùn)算法，整合多個(gè)畫(huà)素成一個(gè)，讓數(shù)位相機(jī)在動(dòng)畫(huà)的快門(mén)限制放開(kāi)，所以 SuperCCD 在VGA的解析度下(640×480)可以達(dá)到最大30fps 的錄畫(huà)能力。並能有效提高感度達(dá) 4倍以上。換言之，以 SuperCCD III 所拍攝的動(dòng)畫(huà)具有 VCD 的水準(zhǔn)了。

2002年二月十一日-美國(guó) Foveon 公司發(fā)表多層感色 CCD技術(shù)

在 Foven 公司發(fā)表 X3 技術(shù)之前，一般CCD的結(jié)構(gòu)是類(lèi)似以蜂窩狀的濾色版（見(jiàn)下圖），下面墊上感光器，藉以判定入射的光線是 RGB 三原色的哪一種。關(guān)於這個(gè)課題，我們?cè)跀?shù)位講座的『CCD 結(jié)構(gòu)』討論甚詳，網(wǎng)友可連結(jié)參考。

然而，蜂窩技術(shù)（美國(guó)又稱為馬賽克技術(shù)）的缺點(diǎn)在於：解析度無(wú)法提高，辯色能力差以及製作成本高昂。也因此，這些年來(lái)高階 CCD 的生產(chǎn)一直被日本所壟斷。新的 X3 技術(shù)，讓電子科技成功的模仿『真實(shí)底片』的感色原理（見(jiàn)下圖），依光線的吸收波長(zhǎng)『逐層感色』！，對(duì)應(yīng)蜂窩技術(shù)一個(gè)畫(huà)素只能感應(yīng)一個(gè)顏色的缺點(diǎn)，X3 的同樣一個(gè)畫(huà)素可以感應(yīng) 3種不同的顏色，大大提高了影像的品質(zhì)與色彩表現(xiàn)。

支援更強(qiáng)悍的CCD運(yùn)算技術(shù) VPS(Variable Pixel Aize）：X3還有一項(xiàng)特性，非常類(lèi)似我們先前介紹的 SuperCCD III 水平垂直運(yùn)算整合的方式，同樣透過(guò)『群組畫(huà)素』的搭配（見(jiàn)下圖）。X3也可以達(dá)到超高 ISO 值（必須消減解析度），高速 VGA 錄畫(huà)速率。比 SuperCCD 更強(qiáng)悍的在於 X3 每一個(gè) Pixel 都可以感應(yīng)三個(gè)色彩值，就理論上來(lái)說(shuō) X3 的動(dòng)畫(huà)拍攝在相同速度條件下，可能比 SuperCCD III 還來(lái)得更精緻。

相關(guān) Foveon X3 資料可查詢以下網(wǎng)址：http://www./X3_vps.html

2003年元月22日-富士發(fā)表第四代 Super CCD

時(shí)隔一年，日本富士再度推出最新第四代 SUPER CCD (第三代推出日期 2002-1-23）。第四代 SuperCCD 具有 Super CCD HR和 SR 兩種規(guī)格。Super CCD HR(High Resolution)強(qiáng)調(diào)富士專(zhuān)利科技在固定面積大小的CCD 晶片上解析度再提高。HR 技術(shù)能在1/1.7英吋的CCD上製造出663萬(wàn)畫(huà)素的感光元素，搭配第四代 HR 感光器的數(shù)位相機(jī)將可以輸出 1230萬(wàn)紀(jì)錄畫(huà)素的照片（如同第三代 300萬(wàn)畫(huà)素 SuperCCD可以輸出 600萬(wàn)畫(huà)素的效果一樣），這款 HR CCD 的輸出效果將可媲美 Fujifilm 現(xiàn)役旗艦級(jí) S2PRO 的畫(huà)質(zhì)效果。
另一款 Super CCD SR 則是全新CCD結(jié)構(gòu)，如同 HR一樣，應(yīng)用了新微細(xì)化技術(shù)的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670萬(wàn)畫(huà)素的元素（HR為 663萬(wàn)）。所不同的是 SR 強(qiáng)調(diào)更高的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍（ Dynamic Range)，號(hào)稱可達(dá)過(guò)去産品的4倍以上。造成這項(xiàng)差異的主要關(guān)鍵，在於 CCD SR 採(cǎi)用了有別以往的新型結(jié)構(gòu)：SR整合了負(fù)責(zé)感光度高的S畫(huà)素(見(jiàn)圖：面積較大)以及能對(duì)一般動(dòng)態(tài)範(fàn)圍以外作用的R畫(huà)素(面積較小)。通過(guò)對(duì)這兩種不同畫(huà)素的運(yùn)算整合，SuperCCD SR 將獲得比以往單一感光結(jié)構(gòu)之CCD更高的感光度和更寬的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。

過(guò)去，單一架構(gòu)的感光原件，對(duì)動(dòng)態(tài)範(fàn)圍以外，也就是高光 亮部分和暗色部分。因?yàn)?，無(wú)法調(diào)整靈敏度去適應(yīng)（必須兼顧中間範(fàn)圍的顯示品質(zhì)），忍痛損失這部分的細(xì)節(jié)。而傳統(tǒng)底片則可以藉由塗佈較細(xì)的感色感光粒子來(lái)克服這樣的困擾，所以當(dāng)數(shù)位影像與傳統(tǒng)影像相比時(shí)，動(dòng)態(tài)範(fàn)圍往往是傳統(tǒng)勝出的關(guān)鍵。富士的新技術(shù)顯然克服了當(dāng)原件更密集時(shí)所產(chǎn)生的雜訊干擾，SR 的技術(shù)是利用 335萬(wàn)S畫(huà)素和335萬(wàn)R畫(huà)素整合為 670萬(wàn)的表現(xiàn)，這種分工合作的方式，目前在業(yè)界還是首例。

第四代 Super CCD 數(shù)位相機(jī)規(guī)格
HR/SR	CCD HR系列	CCD SR系列
有效畫(huà)素	萬(wàn)	萬(wàn)(310萬(wàn)S圖元和310萬(wàn)R圖元)
總畫(huà)素	" Super CCD HR 663 萬(wàn)	" Super CCD SR 670萬(wàn)  (335萬(wàn)S畫(huà)素和335萬(wàn)R畫(huà)素整合)
最大解析度	4048 x 3040 (1230萬(wàn))	2832 x 2128 (603 萬(wàn))
感光度	200 - 1600 (ISO 1600下, 只能使用1280 x 960 解析度)
A/D 轉(zhuǎn)換	14 bits	14 bits
動(dòng)態(tài)範(fàn)圍	SuperCCD 相同	4倍
動(dòng)畫(huà)	fps / VGA(640X480)

相關(guān)網(wǎng)頁(yè)參考：http://www./news_r/nrj1023.html

2003年七月十六日 SONY 發(fā)表四色感應(yīng) CCD

傳統(tǒng)的 CCD 為三原色矩陣新 SONY CCD 將淺綠色加入，新一代的 CCD 不僅在省電及功率上做文章，對(duì)色彩的表現(xiàn)有了更多的著墨。日本 SONY 公司一改以往三色 CCD 的傳統(tǒng)，創(chuàng)新推出一個(gè)具備『新顏色』的四色過(guò)濾器CCD 命名為 ICX456。新增的 E 這個(gè)顏色是Emerald 祖母綠！不同於以往三個(gè)原色 RGB，『E』這個(gè)顏色加強(qiáng)了對(duì)自然風(fēng)景的解色能力，讓綠色這個(gè)層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。應(yīng)用的效果有點(diǎn)類(lèi)似噴墨印表機(jī)加裝淡藍(lán)和洋紅這兩支淡色，以期能夠增強(qiáng)混色能力與效果，此外配合新色階的 CCD，SONY 也開(kāi)發(fā)了新圖像處理機(jī)，不僅有效的減少了 30％的功率消耗，更加快了處理速度和綠色色階分析能力。

這項(xiàng)發(fā)明的特點(diǎn)在於傳統(tǒng)的數(shù)位照相機(jī)主要使用 3原色過(guò)濾矩陣，對(duì)每一個(gè)光點(diǎn)（或稱畫(huà)素 PIXEL）產(chǎn)生 3種不同顏色的強(qiáng)度：紅色的 ( R ) , 綠色 ( G ) 和藍(lán) ( B ) 顏色數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)與彩色電視或監(jiān)視器整合發(fā)色，形成我們所看到的影像。然而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指出人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)綠色的敏感度要高於其他紅色和藍(lán)色，這也使傳統(tǒng)的 CCD 矩陣對(duì)顏色的配比採(cǎi)取了 紅、藍(lán) 25％，綠色50％的現(xiàn)象?？墒菍?duì)顏色差別仍無(wú)法在這樣的配比中得到修正，起因則是人類(lèi)的視覺(jué)比較接近類(lèi)比效果，而非切割成數(shù)位階層。為了讓風(fēng)景的顏色更加逼真，SONY 這項(xiàng)技術(shù)有效的將深綠、淺綠分別導(dǎo)引取樣！對(duì)綠色的忠實(shí)再生有莫大的助益。

相關(guān)網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)參考： http://www./SonyInfo/News/Press/200307/03-029/

2003年七月二十日 Nikon 發(fā)表類(lèi) CMOS 感光元件 LBCAST

2003年可真是感光元件百家爭(zhēng)鳴的一年，除了 CCD 技術(shù)大幅挺進(jìn)之外，CMOS 不僅有 Fill Factor 開(kāi)發(fā)計(jì)畫(huà)（此時(shí)尚未成熟），Nikon公司更大手筆發(fā)展新型擁有 JFET 感測(cè)元件的 LBCAST (全名為 Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array) 改良式 CMOS。

圖左：傳統(tǒng) CMOS 架構(gòu)圖 / 圖右：Nikon 改良之 LBCAST CMOS 架構(gòu)圖

此型 LBCAST CMOS 與一般的 CMOS 不同，單一畫(huà)素之中除了感光元件、放大器之外，還有 Nikon 專(zhuān)利之檢測(cè)用電晶體 JFET（全名為 Junction Field Effect Transistor)。透過(guò) JFET 的幫助，搭配 CMOS 特有的 XY定址傳送方式，Nikon LBCAST 具有雙軌傳送訊號(hào)的能力（見(jiàn)上圖），理論上應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)以低電耗、高速傳送的目的。Nikon  LBCAST 在結(jié)構(gòu)上比 CMOS 更為簡(jiǎn)單，同時(shí)線路密度低，成品良率和雜訊抑制都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。不過(guò)，目前量產(chǎn)成品中僅4百萬(wàn)畫(huà)素規(guī)格，加上居高不下的單價(jià)！Nikon 至今也之裝配在 D2H 與 D2Hs 之上。