數位相機的誕生,不僅創造新的攝影經驗和器材,同時隨著電子元件的應用和知識的突然增多,而直接或間接的創造出許多新名詞。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,要將它完全的講清楚,說明白恐怕不是那麼容易。Mr. OH! 特別將幾個常用的名詞做了整理,以方便大家更簡易的認識數位影像。首先我們就從取代傳統相機的底片的CCD說起: 



         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〈左圖:NikonD100 CCD 特寫;右圖:Nikon D70 鎖定反光鏡後之 CCD裝置〉,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,作用類似CASIO 計算機上的太陽能電池,將感光元件表面上的光轉換成儲存電荷的能力。當 CCD 表面感受到光線照射時,產生電荷反應在元件上, 再透過通道傳輸至放大與解碼原件,就能還原CCD上的所有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。


SuperCCD的排列思考


         


ISUPER CCD畫素是45度回轉成蜂巢式排列,斜向比水平和垂直狹窄,所以水平、垂直方向解析度較高。



         早期的 CCD 生產成本高、良率低,因此如何有效的提升畫素,成為電子工程師的難題。基本上,大多數的CCD排列都採矩陣方式(見上圖),然而這樣的作法卻限制住了在有效面積中在提昇解析度的能力(以1999年的技術來看1.8吋CCD理想值約為六百萬畫素,而在成本和製造良率的考量下修正至四百萬是合理值)。FUJIFILM所開發之「SUPER CCD」是將CCD晶圓本體 做45度角回轉,呈蜂巢式排列 切割。加上針對畫素之形狀改良為八角形,使其受光部變大,實現可相當於ISO 800的高感度。


          SUPER CCD 最大特性在於『綠色』接受器部分比傳統矩陣造型來得多,配合數據插值法混合運算,可以比正常 CCD 畫素再多出 5成的解析度能力。因此,SuperCCD 具有高明度(因為中間色綠色感知能力提高)以及400萬升級至600萬畫素能力。不過,受其 CCD 面積大小不變之影響,線路佈局之干擾較高,其雜訊比較以往設計高。不過,新一代的設計已經能透過處理器調整其雜訊表現,並保留 SuperCCD high lightShadow部的階調再現性,拍出更平順的照片。


CMOS(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) 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。 然而,新一代 Fill factor CMOS 成為解決這個難題的救星,Fill factor CMOS 屬於新世代 CMOS感測器中最先進的製程技術,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。從早期 Canon D30選擇以CMOS當感光元件 開始,到目前高階旗艦級全片幅數位機身包括:Canon 1DsMarkIIKodak DCS Pro/c 全面採用 Fill factor CMOS 技術,已經蔚為業界主流。


更多的 Fill factor CMOS 技術請參閱 『硬派論壇』:http://www.digital.idv.tw/classroom/index-classroom-hard.htm


歷來 CCD 技術革新


       時代在變,傳統的 CCD 技術已經沒有辦法滿足現在使用者對數位影像的需求。以下,我們將簡介兩款在 2002 年所新推出的 CCD 技術,配合以往 Mr. OH! 對CCD與CMOS 的簡介,讓網友門對這個數位相機的『視網膜』!有更深入的瞭解。


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。


相關資料可查詢以下網址:http://www.fujifilm.co.jp/news_r/nrj871.html


2002年二月十一日-美國 Foveon 公司發表多層感色 CCD技術


        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





(310S圖元和310R圖元)



總畫素



" Super CCD HR 663



" Super CCD SR 670
 (335
S畫素和335R畫素整合)



最大解析度



4048 x 3040 (1230)



2832 x 2128 (603 )



感光度



200 - 1600
(ISO 1600
, 只能使用1280 x 960 解析度)



A/D 轉換



- 14 bits



bits



動態範圍



SuperCCD 相同



4



動畫



fps / VGA(640X480)












相關網頁參考:http://www.fujifilm.co.jp/news_r/nrj1023.html


SONY 發表四色感應 CCD ( 2003-07-16 )


4色カラーフィルター


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。 


傳統 3色 CCD 的照片新四色CCD的照片


         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、 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/


Nikon Lbcast 高速 CMOS ( 2003-07-23 )



        Nikon為了擺脫對 CCD 製造商的依賴,獨立開發這款改良型 CMOS 感光原件,應用在 Nikon 單眼數位機「D2H」上。「LBCAST」是(Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array)的簡寫,這一技術可說是企圖結合 CMOS 與 CCD 雙重優勢,創造另類的感光原件,若將使用 LBCAST D2H與採用 CCD前代D1H相比,D2H贏得了省電和反應速度快的特性。


       Nikon原先作法係改善基本型之 CMOS 內單畫素放大器,企圖解決信號噪音等問題,後來更進一步藉由放大器和單體畫素設計調整,簡化電路佈局,加快了反應速度(參考資料: http://nikonimaging.com/global/technology/scene/07/ )。不過,Nikon LBCAST 一路走來卻相當辛苦,主要的差異在於 Nikon 僅解決了 CMOS 速度和雜訊的問題,卻未能單位面積之畫素;這與 Canon Kodak 專注在 Fill factor CMOS 而發展出全片幅之概念截然不同。或許,也成為 Nikon D2X 轉而向 SONY 尋求大尺寸 CMOS 支援之故。



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