分色與組合

CCD 是光電池的一種，由於無法製造出多層 CCD 相疊，因此想要模擬底片一樣分色感光，必須另謀他法。 馬賽克分色法，或稱為 Color Filter Array 是目前業界的主流。這項技術的誕生，部份歸功於人類視覺學家發現，人眼對綠色的敏感度其實是數倍於其他色彩，例如：『紅』和『藍』色。主要的原因至今仍是一個謎，部份學者認為是物競天擇的結果，使人類能夠從大量的綠色植物中辨別出可以食用的部份；另一種說法則是對於綠色敏感有助於人類於暗黑的環境下，提早發現危險（如果你從一個光亮的環境走進黑暗的房間或洞穴，你看到的第一個顏色通常是綠色）。 不管真正的原因如何，數位色彩學家已經學會了，將濾色片分成了 25% 紅色和藍色，以及 50％的綠色，再藉由數位影像合成達到完整數位照片的目的！

CCD 看到了什麼顏色 許多原色 CCD 說明圖上以覆蓋 RGB 琉璃般馬賽克磚片是不正確的，這種作法主要 但實際上，以 GRGB 原色色彩陣列來說，R 色濾光片其實內部包含了 『洋紅』與『黃』兩種色調的濾片，透過補色機制，使其底部的感光區可以感受到 『紅』色的光線。

相對地，補色 CCD，其中只有一層染料色片，例如 ：Y 黃色，就阻擋了藍光的進入，由紅綠兩光形成紅色色塊，也因此補色CCD 可以吸收更多的光線，其感光能力也比原色 CCD 強得多，但處理起來因為還是要還原成 RGB 系，對於影像處理引擎的負擔較為沈重。

分色計算程式的部份，如果一張數位圖片的色彩只有 25％的紅色和藍色與 50％的綠色，這三個素材疊合起來的完成圖能看嗎？答案當然不行！為了補強色彩不足的部份，CCD 取樣完成後，影像處理引擎必須進入『插值 Interpolation』工作階段，將不足的 75％的紅色與藍色和另外50％的綠色，透過『數據計算』的方式『加』進影像檔案之中，使其構成完整各 100％的 RGB 三原色檔案，最終合成為一數位照片。 這種方法讓數位相機拍攝出來的照片，超過一半的顏色是由影像處理引擎虛擬，早期這種顏色表現當然比不上老字號的傳統銀鹽底片。 現階段的影像處理引擎具備了速度快、效率高；更重要的是許多數位相機廠商投入了相當的資本，用於開發各種新色彩計算法則，現今即使是數位相機虛擬出來的色彩，將更接近甚至超過原始影像的範疇。        

Size大小

CCD 和 CMOS 的製造過程和電子半導體技術息息相關，不同於傳統底片採用化學製程，CCD 感光原件是在晶圓上（Circular disk） 藉由加工技術『蝕刻』出來。 市場優勝劣敗的淘汰下，現今量產 CCD 的公司只剩下：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，相關技術和規格幾乎已由日本廠商統一制訂。

五百萬畫素的表現是否一定優於四百萬畫素，其實也不盡然，端看 CCD 的設計佈局。 參考上圖畫素與 CCD 面積之相對關係，5MP:1/1.8英吋 v.s. 4MP：1/1.8英吋，四百萬畫素的開口率或稱為 Fill Factor （光填充率）就比 5MP 來得大，相對的感光能力上要比 5MP 來得強。 解像力上當然還是 5MP 畫素的感光元件較優。

CCD Size 影響成本與設計 越來越多的 LCD 寬螢幕為了滿足人類視覺比例，跳脫傳統 4：3 的規格走向 16：9 /16：10 更寬廣的界線。 大多數 DSC 消費型數位相機的 CCD 長寬比，依然沿襲 1950 年代電視規格標準剛制訂時 4：3的標準（3：2主要仍為 DSLR 數位單眼機身所採用，另中片幅、專業數位機背享有1：1之正方形特殊規格）。主要是這方面設計變更不僅會影響成本，也會牽動至後續相機與鏡頭的設計。

CCD 畫素開口的大小對於生產成本和感光度之影響。 左方的晶圓規格為 2 Mega pixel,13mm pixel,ISO 200-1600 Imager (31 per 6 inch wafer) 右方的規格則是 CCD Size：1/2英吋 Format, 2 Mega pixel, 4.5mm pixel, ISO 50-100 Imager (300 per 6 inch wafer)。 差距高達 269塊 CCD，而ISO 感光能力的差距也擴大至 16倍（同為兩百萬畫素，單位畫素開口大小不同）。由此可看出在同樣 6吋晶圓之製程之中，不同設計所能節省下的成本和增加的產能。 不過，這些 CCD Size 數據和說明多半都不會列在數位相機的規格表之中，因為這牽涉到更深一層的相機成本制訂和性能表現（單CCD 的基本規格並不一定能決定後續製作出數位相機的表現，還必須視數位相機內部的韌體設計與計算回路而定）。

規格表中的 CCD Size 資訊

簡單的說 『CCD Size』並不是什麼新名詞，其使用的單位與用來解釋你家中14、30吋電視螢幕大小之面積比例道理是完全一致。 基本上，常用的 CCD 尺寸並不是『單位』而是『比例 』！要瞭解 CCD Size，首先必須先認識在工程師眼中 『1英吋』的定義是什麼？業界通用的規範就是 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應面積。 透過『畢式三角定理』，可得出該三角之三邊比例為 4：3：5；換句話說，我無須給你完整的面積參數，只要給你該三角形最長一邊長度，你就可以透過簡單的定理換算回來。有了固定『單位』的 CCD 尺寸就不難瞭解餘下 CCD Size 比例定義了， 1/2" CCD Size 的對角線就是 1"的一半為8mm，面積約為 1/4，1/4" 就是 1"的1/4，對角線長度即為 4mm。

CCD Size 的表達慣例 目前市面上消費型數位相機的數量幾乎佔掉了總產量的7成，這一類型的特色多是輕薄短小，使用 Aspect Ratio 長寬比皆為 4：3，清一色都是 1“ 以下的設計；比較常見的有：1/3.2”、1/3“、1/2.7” 、1/2“、1/1.8”、2/3“等。 等同傳統底片面積的 CCD 或 CMOS 因為所使用的長寬比由 4：3放成3：2，就不以『英吋』作為表達方式，而改為 Full Frame 或 35mm Film Size （面積：36×24mm）直接稱呼，比這小一號的或稱為 APS（25.1×16.7mm）  / APS-C size（23.7×15.6mm）也是同樣的道理。 為了補足 APS-C 以下的 CCD 尺寸空間，由日本 Olympus 主導的 4/3 系統（比一般消費型數位相機的 1吋型CCD 再大上 1/3 （22.5 ÷ 16mm）），但比例不是 3：2 而是 4：3 ，是故沿用『英吋』的稱法，命名為 4/3 或是 1又 1/3 系統。

『1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm.... 』

60' 太空年代開啟 CCD 紀元 那麼究竟 CCD 是怎麼開始的呢？ 西元1970年代初期，美俄太空競賽相當激烈的時候；當時衛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損毀，NASA 還特別安排了一隊機組專門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 與美國貝爾電話公司（Lucent Technologies）合作研發成功了第一代電荷轉變組合電路， CCD(Charge Coupled Device)，取代當時研究正熱門之真空管攝影。

CCD 是由美國 RCA 公司旗下 David Sarnoff Laboratory，于西元 1975 年在 Dr CCD 是由美國 RCA 公司旗下 David Sarnoff Laboratory，于西元 1975 年在 Dr. Walter Kosonocky 主導之下開發成功。 CCD 真正應用於消費型數位相機上，則是 SONY 於 1981 年推出的 Mavica 1 數位相機原型機；這是第一部可以商業化的數位相機雛形。可惜，種種的技術問題迫使 SONY 暫時放棄數位相機機種的研發，轉而把精力投注在 CCD 的改良之上。

SONY 推出第一部數位相機原型機之後，刺激了眾多相機業界著手研發。 1988年富士與東芝在科隆博覽會上，展出了可使用快閃記憶體卡 Pujixs DS－1P，成功奠定未來數位相機使用記憶媒體的基礎。 西元1991年，美國柯達試製成功全世界第一台數位單眼相機 DCS 100 。 日本 Toshiba 東芝公司稍後更發表一款40萬畫素，MC－200數位相機，售價高達170萬日元。

1995年柯達推出商用數位相機 DC460，即因美國法庭蒐證是否可以採用數位相機與數位照片做為呈堂證物，名噪一時。 1995年2月日本CASIO卡西歐更發表了一款25萬畫素，售價僅6萬5千日幣的消費型數位相機 QV－10，等於正式宣告數位相機時代的來臨。

1996年SONY微型鏡片技術誕生 美國與日本 Nikon推出DCS460和DCS620X，又與Canon合作DCS420數位單眼機身。受限於技術，95年以前的數位相機畫素一直無法跨過50萬的門檻；直到沈潛多時的 SONY 勤天一擊！ 1996年 SONY SUPER HAD CCD 新技術誕生。隨著CCD畫素要求不斷提昇，1995年以前開發CCD技術已經無法再提升感光度；但如果改以CCD元件內部線路讓放大倍率提升，卻又會使雜訊也同步提高，畫質將受影響，更不可行，CCD 設計師面臨前所未有的兩難局面。 SONY成功將微型鏡片技術進化，藉著改良材質，調整鏡片形狀，徹底提高光利用率。終於打破傳統 CCD 光利用效率以及感光度的設計極限，跨越『畫素門檻』，又保持雜訊不至隨著畫素增加而增加，新技術誕生直接間接的保證了數位相機畫素將有可觀的提升，這個被SONY命名為 SUPER HAD CCD 至今還一直沿用。

97 之後，上市數位相機跨越百萬畫素門檻 特殊用途（軍用、太空用途） CCD 發展一直支持著數位影像工業的前進，1997年是一個重要的關鍵指標，首次消費用數位相機的需求大過專門用途機種。 此時合理價位的產品畫素約30萬（VGA 640X480）；不過，百萬畫素 megapixel 產品在 SONY 技術幫助之下已經不是夢想。透過媒體不斷的報導和各項重大發表會日本、美國廠商不斷釋出數位相機的訊息，大眾的焦點也開始注意到數位影像的趨勢，同時也掀起了一股比較傳統底片與數位相機優劣之競賽。

激烈的傳統與數位爭奪戰，帶動 CCD 工業上揚 不管是單一畫素的大小或是『微型鏡片』的設計都無法有效的提昇CCD的效能。此時的CCD發展開始朝向兩個不同的方向：一是更改CCD的面積大小，以容納更多畫素（當然此舉勢必影響到許多數位相機包含外觀與鏡頭的設計，工程頗大），另一個則是讓CCD可以偵測到可見光以外的紅外線波長，再透過IC進行光電轉換和數據偏移。 新開發的『EXVIEW HAD CCD』技術就可以將以前未能有效利用的近紅外線光轉換成增強影像資料而用。使數位相機的可見光範圍擴展到紅外線的波長。這種方法果然使CCD的感光能力大幅提高，即使在黑暗的環境下使用這項技術的數位相機也可得到清晰的照片。

2002/1/30-富士發表第三代 Super CCD 1999年日本富士開發出第一代的 SuperCCD，應用在 FinePix 4700z 上，由於可提高畫素和解析度，因此廣受歡迎， 2001年富士修正了第一代 Super CCD 所有的雜訊缺點，並提升有效畫素到310萬，最大畫素 602萬的更高解析度。 CCD 被裝配在 FinePix 6800z / 6900z 上，成為該年度富士最暢銷的數位相機。新一代的 SuperCCD III 結合以上的優勢，又加入了：「畫素加算信號處理能力」這項技術的創意在於利用相機內建的信號處理計算器，整合在第一次拍照所得（2832X2128）的照片，以RGB 三色之每4個畫素為一個計算依據，整合出該照片在 ISO 1600 高感度時應有的表現。 運用計算的原理，可提高並修正回相片在低光亮下應有的色彩，避免電子干擾所增加的雜訊比。但缺點是原本高畫素的相片，得出的成果會被縮成 (1280X960)大小比例。

「CCD 水平/垂直畫素混合運算」這是 SuperCCD III 又一項特殊技能，也是世界首次CCD採用水平/垂直畫素混合運算技術。 這種方式可以讓有效畫素300萬的CCD跨過一般在QVGA動畫錄製 (解析度 320×240)，速度被限制在15fps的門檻 - 因為速度再快下去，數位相機的處理速度不及，畫面容易偏暗。 這次透過運算法，整合多個畫素成一個，讓數位相機在動畫的快門限制放開，所以 SuperCCD 在VGA的解析度下(640×480)可以達到最大30fps 的錄畫能力。並能有效提高感度達 4倍以上。 以 SuperCCD III 所拍攝的動畫具有 VCD 的水準了。

2002/2/11-美國 Foveon 公司發表多層感色 CCD技術 在 Foven 公司發表 X3 技術之前，一般CCD的結構是類似以蜂窩狀的濾色版，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

蜂窩技術（美國又稱為馬賽克技術）的缺點在於：解析度無法提高，辯色能力差以及製作成本高昂。也因此，這些年來高階 CCD 的生產一直被日本所壟斷。新的 X3 技術，讓電子科技成功的模仿『真實底片』的感色原理，依光線的吸收波長『逐層感色』！，對應蜂窩技術一個畫素只能感應一個顏色的缺點，X3 的同樣一個畫素可以感應 3種不同的顏色，大大提高了影像的品質與色彩表現。

2003/1/22-富士發表第四代 Super CCD 時隔一年，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 兩種規格。 Super CCD HR(High Resolution)強調富士專利科技在固定面積大小的CCD 晶片上解析度再提高。HR 技術能在1/1.7英吋的CCD上製造出663萬畫素的感光元素，搭配第四代 HR 感光器的數位相機將可以輸出 1230萬紀錄畫素的照片（如同第三代 300萬畫素 SuperCCD可以輸出 600萬畫素的效果一樣），這款 HR CCD 的輸出效果將可媲美 Fujifilm 現役旗艦級 S2PRO 的畫質效果。 Super CCD SR 則是全新CCD結構，如同 HR一樣，應用了新微細化技術的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670萬畫素的元素（HR為 663萬）。所不同的是 SR 強調更高的動態範圍（ Dynamic Range)，號稱可達過去産品的4倍以上。造成這項差異的主要關鍵，在於 CCD SR 採用了有別以往的新型結構：SR整合了負責感光度高的S畫素(見圖：面積較大)以及能對一般動態範圍以外作用的R畫素(面積較小)。通過對這兩種不同畫素的運算整合，SuperCCD SR 將獲得比以往單一感光結構之CCD更高的感光度和更寬的動態範圍。

第四代 Super CCD 數位相機規格  HR/SR CCD HR系列 CCD SR系列 有效畫素 萬 萬(310萬S圖元和310萬R圖元) 總畫素 " Super CCD HR 663 萬 " Super CCD SR 670萬  (335萬S畫素和335萬R畫素整合) 最大解析度 4048 x 3040 (1230萬) 2832 x 2128 (603 萬) 感光度 200 - 1600 (ISO 1600下, 只能使用1280 x 960 解析度) A/D 轉換 14 bits 動態範圍 SuperCCD 相同 4倍 動畫 fps / VGA(640X480)

2003/7/16 SONY 發表四色感應 CCD 傳統的 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，對色彩的表現有了更多的著墨。 日本 SONY 公司一改以往三色 CCD 的傳統，創新推出一個具備『新顏色』的四色過濾器CCD 命名為 ICX456。新增的 E 這個顏色是Emerald 祖母綠！不同於以往三個原色 RGB，『E』這個顏色加強了對自然風景的解色能力，讓綠色這個層次能夠創造出更多的變化。應用的效果有點類似噴墨印表機加裝淡藍和洋紅這兩支淡色，以期能夠增強混色能力與效果，此外配合新色階的 CCD，SONY 也開發了新圖像處理機，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。

這項發明的特點在於傳統的數位照相機主要使用 3原色過濾矩陣，對每一個光點（或稱畫素 PIXEL）產生 3種不同顏色的強度：紅色的 ( R ) , 綠色 ( G ) 和藍 ( B ) 顏色數據，再將這些數據與彩色電視或監視器整合發色，形成我們所看到的影像。 根據實驗指出人類視覺系統對綠色的敏感度要高於其他紅色和藍色，這也使傳統的 CCD 矩陣對顏色的配比採取了 紅、藍 25％，綠色50％的現象。可是對顏色差別仍無法在這樣的配比中得到修正，起因則是人類的視覺比較接近類比效果，而非切割成數位階層。為了讓風景的顏色更加逼真，SONY 這項技術有效的將深綠、淺綠分別導引取樣！對綠色的忠實再生有莫大的助益。

2003/7/20 Nikon 發表類 CMOS 感光元件 LBCAST 傳統 CMOS 架構圖 Nikon 改良之 LBCAST CMOS 架構圖

此型 LBCAST CMOS 與一般的 CMOS 不同，單一畫素之中除了感光元件、放大器之外，還有 Nikon 專利之檢測用電晶體 JFET（全名為 Junction Field Effect Transistor)。 透過 JFET 的幫助，搭配 CMOS 特有的 XY定址傳送方式，Nikon LBCAST 具有雙軌傳送訊號的能力（見上圖），理論上應可以實現以低電耗、高速傳送的目的。Nikon  LBCAST 在結構上比 CMOS 更為簡單，同時線路密度低，成品良率和雜訊抑制都有不錯的表現。不過，目前量產成品中僅4百萬畫素規格，加上居高不下的單價！Nikon 至今也之裝配在 D2H 與 D2Hs 之上。

隨著 CCD/CMOS 相關生產技術 日漸成熟，在開發的過程中許多工程師開始注意到電子感光元件不同於一般傳統底片的感光能力。 光電效應開啟 CCD 基礎原理，除了可見光之外，紅外線也是光線的一種只是超過了人眼波長範圍無法『看』得到。少數自然界生物具有紅外線感應能力，例如：蛇與爬蟲類；同樣矽晶材料對紅外線也會產生『光電效應』，換句話說 CCD 本身也可以看到紅外線。

由於數位相機的主旨是在完全模擬人類視覺的觀感，CCD 這項額外的『特技』 IR Cut Filters (紅外光截止濾鏡)，或稱為紅外線吸收玻璃，用途在於阻擋 紅外光僅使可見光通過，使 CCD/CMOS 元件只對可見光感應，從而產生正確的影像。

OLPF 全名是 Optical low pass filter，可以說是數位相機中相當昂貴且神秘的光濾片組件！因為 OLPF 牽涉了相當多還在專利保護階段的技術，相關資料可以珍貴且稀少。OLPF 的好壞等於直接決定了數位相機畫質的生死，許多生產廠商莫不將此一資訊列為機密嚴格控管。 low-pass filter 的主要工作用來過濾輸入光線中不同頻率波長光訊號，以傳送至CCD，並且避免不同頻訊號干擾到 CCD 對色彩的判讀。

Canon 彩虹公司提供比較照片

OLPF 對於假色（false colors）的控制上有顯著的影響，假色的產生主要來自於密接條紋、柵欄或是同心圓等主體影像，色彩相近卻不相同，當光線穿過鏡頭抵達 CCD 時，由於分色馬賽克濾片僅能分辨 25％的紅與藍色以及 50％的綠色，再經由色彩處理引擎運用數據插值運算整合為完整的影像。 因為先天上色彩資料短缺，CCD 根本無法判斷密接條紋相鄰色彩的參數，終於導致引擎判斷錯誤輸出錯誤的顏色

多層 Low Pass Filter (LPF) 可以過濾更多不同角度的光線訊號， 讓色彩判讀更為正確