第5講 CCD 感光元件的運作流程（上）

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯

• 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

         前講中，我們認識了 CCD 的基礎結構，接下來的這兩講則是深入剖析 CCD 的工作流程，瞭解如何『組裝』和『拆解』完成一張數位照片！將 CCD和傳統底片相比，CCD 其實更接近於人眼視覺的工作方式。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，而 CCD 的底板則是一整片的感光二極體。

         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，我們在上一講時已經介紹過，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。

• CCD 的工作方式

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

        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。

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

        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。

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

• 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。

圖左：FF CCD 運行方式示意圖 / 圖右：FT CCD 運行方式示意圖（感謝 Nikon 提供相關資料）

         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。

        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。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）。此外，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。