第2講 感光元件 CCD 與 CMOS

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯

• 取代傳統底片的數位感光 元件 CCD

        數位相機的風行，不僅創造出全新的攝影經驗和器材使用哲學，同時隨著電子元件應用和知識的 進步，直接或間接的必須瞭解和使用這些新名詞。對於常常使用數位相機的人來說，這些名詞可能已經耳熟能詳了；然而，要將它們完全地認識清楚，甚至於解說明白恐怕也不是那麼容易。Mr. OH! 數位講座成立的目的之一，就是帶領同學深入探討這些數位影像新名詞 和科技的來龍去脈，作為大家踏入數位影像的第一步，首先我們就從取代傳統相機底片的電子光學元件CCD談起： 

〈左圖：NikonD100 CCD 特寫；右圖：Nikon D70 鎖上反光鏡後 CCD 露出之位置〉

• CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件

         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。簡單的說，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。

• 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。但，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。然而，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。

         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。但由於上述的缺點，CMOS 只能在經濟型的數位相機市場中生存。 不過，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。

搭載於 Canon EOS 350D 數位機身上之 CMOS 元件特寫

        由於 Fill Factor CMOS 技術的特殊性，自身擁有晶圓生產設備的日本 Canon 可以說是最早體悟到 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。雖然，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。