CCD发展史

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯
60' 太空年代開啟 CCD 紀元
前几讲中，Mr.OH! 讨论了很多 CCD 现代的技术，那麼究竟 CCD 是怎麼开始的呢？我们回到西元1970年代初期，美俄太空竞赛相当激烈的时候；当时卫星拍照主要是携带底片罐上太空，拍完侦察照片后再用降落伞回传地球。为了避免底片罐著路时损毁，NASA 还特别安排了一队机组专门在空中拦截这些底片罐。可想而知，这种方式效率差又容易出状况，也因此， NASA 与美国贝尔电话公司（Lucent Technologies）合作研发成功了第一代电荷转变组合电路， CCD(Charge Coupled Device)，取代当时研究正热门之真空管摄影。

SONY公司於 1981年首次發表的 SonyMavica1 數位相機
不过，也有一说 CCD 是由美国 RCA 公司旗下 David Sarnoff Laboratory，于西元 1975 年在 Dr. Walter Kosonocky 主导之下开发成功。但 CCD 真正应用於消费型数位相机上，则是 SONY 於 1981 年推出的 Mavica 1 数位相机原型机（见上图）；这是第一部可以商业化的数位相机雏形。可惜，种种的技术问题迫使 SONY 暂时放弃数位相机机种的研发，转而把精力投注在 CCD 的改良之上
1995 年以前未成熟的 CCD 技術
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。

這個時期能夠試作 CCD 感光元件的廠商，大多數本身就已經掌握相關晶元技術，結合本身的開發能力和產品線基礎，積極試探數位相機這個未來領域。此一時期 CCD 一直未能解決入光量的問題，大多數的產品都僅以原型機的姿態出現在各展覽會場，宣示意味大於實質。但也偶有例外，例如：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
有鑑於數位相機市場的未來即將來到，美國柯達公司率先於1995年作出了一個前瞻性的策略決定，全面發展數位影像技術！採用跨業界合作方案，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。然而，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。雖然，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
98年以後，數位相機堂堂邁入300萬畫素的階段，不過，CCD設計又進入了一個新的瓶頸。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。 同學們如果有興趣，可以回家把電視遙控器拿出來（紅外線才有用），把電燈關調將遙控器的發射端對準數位相機的鏡頭，同時按下快門和遙控器電源。在拍下的數位照片中你就可以看到數位相機記錄下紅外線的情形了。
2000年後，新一代 CCD 技術革新
經過，98/99 年激烈的技術競爭之後，CCD 技術已經與一般底片表現不相上下，但仍舊沒有辦法滿足高階使用者對數位影像的需求。2000年以後的技術，除了不斷的畫素提升之外，更開始著重於色彩的表現、動態範圍的擴張、反應的速度以及雜訊產生的降低，總總與數位影像色彩相關的議題。當中，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，繼之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。這批 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。換言之，以 SuperCCD III 所拍攝的動畫具有 VCD 的水準了。
2002年二月十一日-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（見下圖），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。關於這個課題，我們在數位講座的『CCD 結構』討論甚詳，網友可連結參考。

然而，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（見下圖），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。

支援更強悍的CCD運算技術 VPS(Variable Pixel Aize）：X3還有一項特性，非常類似我們先前介紹的 SuperCCD III 水平垂直運算整合的方式，同樣透過『群組畫素』的搭配（見下圖）。X3也可以達到超高 ISO 值（必須消減解析度），高速 VGA 錄畫速率。比 SuperCCD 更強悍的在於 X3 每一個 Pixel 都可以感應三個色彩值，就理論上來說 X3 的動畫拍攝在相同速度條件下，可能比 SuperCCD III 還來得更精緻。
相關 Foveon X3 資料可查詢以下網址：http://www.foveon.net/X3_vps.html
2003年元月22日-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。
另一款 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。

過去，單一架構的感光原件，對動態範圍以外，也就是高光 亮部分和暗色部分。因為，無法調整靈敏度去適應（必須兼顧中間範圍的顯示品質），忍痛損失這部分的細節。而傳統底片則可以藉由塗佈較細的感色感光粒子來克服這樣的困擾，所以當數位影像與傳統影像相比時，動態範圍往往是傳統勝出的關鍵。富士的新技術顯然克服了當原件更密集時所產生的雜訊干擾，SR 的技術是利用 335萬S畫素和335萬R畫素整合為 670萬的表現，這種分工合作的方式，目前在業界還是首例。
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
14 bits
動態範圍
SuperCCD 相同
4倍
動畫
fps / VGA(640X480)
相關網頁參考：http://www.fujifilm.co.jp/news_r/nrj1023.html
2003年七月十六日 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。然而，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。
相關網頁請參考：http://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/200307/03-029/
2003年七月二十日 Nikon 發表類 CMOS 感光元件 LBCAST
2003年可真是感光元件百家爭鳴的一年，除了 CCD 技術大幅挺進之外，CMOS 不僅有 Fill Factor 開發計畫（此時尚未成熟），Nikon公司更大手筆發展新型擁有 JFET 感測元件的 LBCAST (全名為 Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array) 改良式 CMOS。

圖左：傳統 CMOS 架構圖 / 圖右：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。