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CCD ( Charge Coupled Device)感光耦合元件

2008/4/3

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Charge Coupled Device

• CCD （ Charge Coupled Device，感光耦合元件〉為數位相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素〈 megapixel〉為單位。

• 數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是 CCD的解析度，也代表著這台數位相機的 CCD 上有多少感光元件。

• CCD 主要材質為矽晶半導體，基本原理類似 CASIO 計算機上的太陽能電池，透過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。

• 當 CCD 表面接受到快門開啟，鏡頭進來的光線照射時，即會將光線的能量轉換成電荷，光線越強、電荷也就越多，這些電荷就成為判斷光線強弱大小的依據。

• CCD 元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原所有 CCD上感光元件產生的訊號，並構成了一幅完整的畫面。此一特性，使得 CCD 通用在數位相機〈 Digital Camera〉與掃瞄器〈 Scanner〉上，作為目前最大宗之感光元件來源。

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Nikon D70 鎖上反光鏡後 CCD 露出之位置 NikonD100 CCD

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Complementary Metal-Oxide Semiconductor

• ＣＭＯＳ 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體。

• CMOS 和 CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體 ，外觀上幾乎無分軒輊。

• CMOS的製造技術和 CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。• CMOS 的材質主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使

其在 CMOS上共存著帶 N （帶 – 電） 和 P （帶 + 電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。

• CMOS因為在畫素的旁邊就放置了訊號放大器，導致其缺點容易出現雜點 ，特別是處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象，更使得雜訊難以抑制。

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Canon EOS 350D 數位機身上之 CMOS 元件 CMOS 元件

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• CMOS 對抗 CCD的優勢在於成本低，耗電需求少 , 便於製造 ,可以與影像處理電路同處於一個晶片上。

• 由於上述的缺點， CMOS 只能在經濟型的數位相機市場中生存。

• 新一代 『 Fill Factor CMOS』成為解決這個難題的救星， Fill factor CMOS 屬於此型感測器中最先進的製程技術。

• 最大的差別在於提高 Fill Factor（單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例），有效做到提升敏感度、放大 CMOS面積（全片幅）和降低雜訊的影響。

• 再將 Fill Factor CMOS 與 CCD 感光器比較發現， CCD 受限於良率和結構製程，面積越小，畫素越高，相對成本也就越低； Fill Factor CMOS 剛好相反，由於感光開口加大， FF CMOS 可以挑戰更高畫素，更大面積（全片幅），甚至就產出比例來說， FF CMOS 單一晶圓的附加價值更大。

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• Fill Factor CMOS 技術的特殊性，自身擁有晶圓生產設備的日本 Canon 是最早體悟到 Fill Factor CMOS 的市場潛力。

• Canon EOS D30 是該公司最早選擇以 FF CMOS當感光元件數位 DSLR 產品，低廉的價格頗受消費者支持。

• EOS D30的畫質表現普通，不過，後續的研究整合了完整的圖像處理引擎等，更高速且尖端的影像技術，今日，採用大畫素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已經成為主流，高階旗艦級全片幅數位機身包括：Canon 1DsMarkII、 Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。

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CCD 和 CMOS 感光元件的區別

Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除塵器）

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• 比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處。

• CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部時脈自動斷線（電子快門）後，即進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（ pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器（電荷儲存器）』中，由底端的線路導引輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（類比數位資料轉換器）輸出。

• CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數位資料。

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CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較

　 CCD CMOS

設計 單一感光器 感光器連結放大器

靈敏度 同樣面積下較高感光開口小較低

（ Fill Factor 因感光開口大，較高）

成本 線路品質影響良率高

整合製程低

解析度 結構複雜度低高

傳統技術較低新技術擺脫面積限制，可達全

片幅

雜訊比 單一放大器主控低

多元放大器，誤差大高

耗能比 需外加電壓導出電荷高

畫素直接放大低

反應速度 慢 快

IPA( 個別畫素定址） 無 有

製造機具 特殊訂製機台 可以使用記憶體或處理器製造機

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• 由於構造上的基本差異，表列出兩者在性能上的表現之不同。

• CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性。

• CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。

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CCD 與 CMOS 電路結構之完整比較

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差異分析

ISO 感光度差異• 由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與 A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在 相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸， CMOS的感光度會低於 CCD。

成本差異• CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施

於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失。• 相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果

通道中有一個畫素故障（ Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此 CCD的良率比 CMOS低。

• 加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊， CCD的製造成本相對高於CMOS。

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解析度差異• 在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD

複雜，其感光開口不及 CCD大，相對比較相同尺寸的 CCD與 CMOS感光器時， CCD感光器的解析度通常會優於 CMOS。

• 目前業界的 CMOS 感光原件已經可達到 1400萬 畫素 / 全片幅的設計， CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。　

雜訊差異• 由於 CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬

畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的 CCD， CMOS最終計算出的雜訊就比較多。

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耗電量差異• CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電

荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；• CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳

輸通道。而這外加電壓通常需要 12伏特（ V ）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於 CMOS。

其他差異• IPA （ Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數位

變焦放大之中， CMOS 必須仰賴 x,y 畫面定位放大處理，否則由於個別畫素放大器之誤差，容易產生畫面不平整的問題。

• 製造機具上， CCD 必須特別訂製的機台才能製造，也因此生產高畫素的 CCD 元件產生不出日本和美國， CMOS 的生產一般記憶體 / 處理器機台即可擔負。

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CMOS 完整 3D透視 與 平面結構，位於最上層的為 MicroLens 微型聚光鏡片

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Fill Factor CMOS 由於感光開口加大，不需要 MicroLens輔助聚光，改以平面玻璃覆蓋保護，此一不同之處，使得 FF CMOS 的影像表現不會受制於微型鏡片的干擾，而能夠呈現更佳的影像效果

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CCD  完整細部結構

SONY DSC-T7 完整架構解剖，可以區分機身、鏡頭組、影像處理核心、 TFT LCD背光版（機控組）等分部

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CCD 元件

CCD 元件總成 CCD 放大特寫

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CCD 與影像處理核心整合示意圖

上圖是 CCD 本體與 QV、放大器、類比數位轉換器和記憶緩衝區做構成之完整元件。元件設計可以讓數位相機降低維修和檢查的成本，透過運用電腦偵測元件運作，檢查出特定元件問題，直接更換整個部件，達到快速維修的目的。

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CCD 三明治架構

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CCD 顯微鏡下橫切面透視•1980年初，由 SONY領先發展出來的技術。這是為了有效提升 CCD 的總畫素，又要確保單 一畫素持續縮小以維持 CCD的標準體積。•必須擴展單一畫素的受光面積。但利用提高開口率來增加受光面積，反而使畫質變差。 所以，開口率只能提升到一定的極限，否則 CCD將成為劣品。•為改善這個問題 SONY率先在每一感光二極體上（單一畫素）裝置微小鏡片。這個設計就像是幫 CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一畫素的大小，又可在規格上提高了開口率，使感光度大幅提升。

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原色 CCD / 補色 CCD

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• CCD的第二層是『分色濾色片』，這個部份的作用主要是幫助 CCD 具備色彩辨識的能力。

• CCD 本身僅是光與電感應器，透過分色濾片，CCD 可以分開感應不同光線的『成分』，從而在最後影響處理器還原回原始色彩。

• 目前 CCD有兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一個則是 CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補色 CCD的產量比例約在 2 ： 1 左右。

• 2003年後由於影像處理引擎的技術和效率進步，目前超過 80％都是原色 CCD 的天下。

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• 原色 CCD的優勢在於，畫質銳利，色彩真實，但缺點則是雜訊問題。

• 早期採用原色 CCD的數位相機，在 ISO感光度上多半不允許超過 400，不過新一代的影像處理引擎已經可以準確的消除雜訊問題， ISO值的限制已經不再是問題了。

• 補色 CCD由多了一個 Y 黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像解析度，而在 ISO值上，補色 CCD可以容忍較高的感度，一般都可設定在 800以上。

• 補色 CCD 逐漸被市場淘汰的另一個原因在於轉換色彩的複雜性，雖然 CMYG CCD 所拍出來的數位影像比較貼近傳統底片，適合於出版輸出使用， CMYG 需要轉換成 RGB 使其能在一般的顯示系統中預覽圖示，無形中也增加了失真的機會，終究不敵市場的現實。

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感光層

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• CCD的第三層是『感光匯流片』，這層主要是負責將穿透濾色層的光源轉換成電子訊號，並將訊號傳送到影像處理晶片，將影像還原。

• 這個部份可以說是 CCD 真正核心的部份，主要的 CCD 設計大致上分成幾個區塊。被稱為畫素 Pixel （ Photodiodes）感光二極體，主要是應用於光線感應部份， Gate 區有一部份被用作電子快門。

• 藍色區塊則是佈局為電荷通路，用來傳導電荷之用。• 白色區塊就是 Charge Drain，也有稱為 Shielded Shift

Registers ，中文或可翻為電荷儲存區，主要功用為收集經二極體照射光線後所產生之電荷。

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CCD的分層架構

CCD 的三層結構：上：微型鏡片、中：色塊濾片、下：感應線路

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• 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 主要架構，由微型鏡頭、馬賽克分色網格，及墊於最底層

的電子線路矩陣所組成。• 目前有能力生產 CCD 的公司為： SONY 、 Philps 、 Kodak 、

Matsushita 、 Fuji 、 SANYO 和 Sharp等等，泰半是日本廠商。

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圖左：階段一， CCD 接受光線的照射產生電荷圖右：階段二，外加電壓將 CCD 所『產生』的電荷移往緩衝區

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• 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。

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圖左：階段三，電荷轉換成電壓，電壓經 ADC 判讀數位訊號 圖右：階段四，依順序將訊號移往緩衝區組合

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• 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。

• 這些強弱不一的電荷訊號，會先被送入一個 QV （ Electron to voltage converte）之中，將電荷轉換成電壓；下一步再將電壓送入放大器中進一步放大，然後才是 A/D 類比數位訊號轉換器（ ADC Analog to Digital Converter）。

• ADC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。

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ADC 轉換電壓至數位訊號示意圖 ： 此 ADC 為 8 位元處理器可以將電壓訊號分成 256（ 0 ～ 255） 個位階判讀 ADC 位元數的多寡將決定畫質的精細程度，目前 SONY 量產 14位元之 ADC，多數的數位相機都可達到 12位元以上

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四種類型的 CCD

• 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 純線性、 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。

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圖左： FF CCD 運行方式示意圖 圖右： FT CCD 運行方式示意圖

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• Interline Transfer 掃瞄型 CCD 的曝光步驟就如同前面所介紹的相同， 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。

• 相對性的缺點則是暫存區佔據了部份感光面積，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，由於速度快、成本低，市面上超過 8 成以上的數位相機都採用 IL 型 CCD 為感光元件。

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•  Full-Frame 全像 CCD 則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。

• 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。

• 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。

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• 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）。

• FT 型 CMOS 也被應用於 Fill factor CMOS，作為提高高階 SLR 連拍能力的設計。

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CCD如何分辨色彩

為什麼數位相機的色彩表現總是比傳統底片相比遜色？細看傳統底片的色彩表現方式，主要透過對不同顏色波長敏感的銀鹽顆粒，逐層感色。因此，白色太陽光可以一路到底，自動在底片層上完成分色動作。不過， CCD 受限技術和成本，只有一層感光基板！該如何分色考驗設計者的智慧！雖然左近，美國 Foveon 公司成功開發出 X3 CMOS Sensor ，採用全新技術成為史上第一個模擬底片分層分色法的感光原件。不過， X3 畢竟產量有限，且幾乎全裝配在 SIGMA 高階的 DSLR 之上，因此，全球幾乎九成以上的數位相機仍是採用單 CCD 分色。

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各種分色技巧

單 CCD分色馬賽克濾片成為數位相機分色主流前，許多電子影像的分色設計都是儘可能地模仿底片分色法則，其中 3 Sensors 分色技術是被視為昂貴但卻可行的方法之一。早期應用於 DV數位攝影機之上，透過三組同時作業的感光元件分類辨識不同色光，再經由影像引擎處理還原為整合的畫面。然而，這種作法改應用於數位相機時，機體將變得巨大且笨重，電力耗損更是驚人，曾有測試用之數位相機原型機採用這種設計，但考量成本一直無法上市。由於低畫素之 CCD 成本降低，目前主要應用於電視攝影棚中的電子攝影機和家用專業型 DV 為主。

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另一種分色理論 3 separate exposures 三色多重曝光設計被提出；不同於 3 Sensors 同步感光，此種分法採用分段感光方式，固定 CCD，藉由，方法一：交換鏡頭前的濾色片；或方法二：逐行掃瞄鏡頭後 / CCD 前的色彩陣列，達到讀取畫面色彩的目的。這種技術幾乎只能用於棚內的靜態攝影，拍攝要求穩定性相當高，拍攝速度也相對地較慢。

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分色濾色片的出現成功解決單一機體攜帶單一分色元件，又可達到較高的分色速度處理能力。這種方式大幅降低了每一個色彩的解析度，期待透過影像處理引擎補強色彩表現。對於，色彩程度要求不高的 DSC 和 DSLR 來說，這是兩權相害取其輕的作法。但對於，色彩要求較高的中片幅數位機背來說，這樣的色彩表現是不及格！不過，瑞典的仙娜相機公司找到了解決之道，利用 Moving RGB Sensor ，也就是『振』動 CCD 的方式，取得同一畫面下更多的色彩資料。這種作法在高畫素 CCD 價格還非常高昂的時候，可以非常有效的解決中大型數位機背畫素不足的問題。