电荷藕合器件的CCD技术的发展

随着用户的要求不断提高，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求，占领市场，近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术：

（1）与INTERLINE TRANSFER CCD

典型的消费级的数码相机，用的一般都是INTERLINE TRANSFER CCD。它的结构如下图。把一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管，和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，多少行多少列。行数乘以列数就是这个CCD的象素数量。每个象素单元中（左下角的小图），有大约30%的面积用来制造光电二极管（红色部分）。在剩余的可用面积中，会放置一个SHIFT REGISTER（紫色部分，转移寄存器）。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个SHIFT REGISTER中并保持住。这是一个模似量。

下一步，就是把这每一个象素中的光强值，变成数字量，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。首先并行时钟启动第一行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER（模拟/数字转换器，这种器件专门用来把模拟量转换成数字量）。然后并行时钟启动第二行；串行时钟依次启动第1、2、3……列。这样第一行中和每个像素都被按顺序送出CCD，进入A/D CONVERTER。这样依次下去，每一行每一列的像素都被有序的转换成数字信号。相机的处理器再把这些数字化的象素组合成一幅数字图像。

每一个像素单元中的SHIFT REGISTER整齐的排成一列列的，把真正起感光作用的光电二极管夹在中间。所以这种器件被叫作：INTERLINE TRANSFER CCD。由于每个象素单元中，真正用于感光的面积只占30%左右，那么它的感光效率就比较低。所以在真正的成品中，会在每个象素单元的上面，再造一个MICROLENSES(微镜)，在图的左下角就是MICROLENSES的示意图。光学镜片在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到象素面积的70%左右。

由于有SHIFT REGISTER的存在，INTERLINE TRANSFER CCD就不需要机械快门。用电信号指示SHIFT REGISTER把光电二极管的输出信号保持住，就已经完成了采样过程。这就是电子快门。SHIFT REGISTER的存在，也使INTERLINE TRANSFER CCD可以输出视频信号。我们在彩色液晶取景器上能够看到活动的影像，也是SHIFT REGISTER的功劳。

KODAK专业产品中采用的CCD，是FULL FRAME TRANSFER。在每个像素单元中，有70%的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的MICROLENSES来提高它的采光量。它的读出顺序和INTERLINE TRANSFER CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，FULL FRAME肯定会有更好的性能。缺点：这种CCD不能输入VIDEO图像。不能用液晶显示屏做取景器。必须以机械快门配合工作。并且机械快门限制它的最高快门速度。

NIKON D100采用的是全帧(FULL FRAME TRANSFER)CCD，与中间列传输(INTERLINE TRANSFER)CCD相比较，全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的影像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效影像数据大约是中间列传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪声和较高的灰级灵敏度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。

（2）SUPER CCD

从上述的文章中我们可以了解，CCD的感光点排列是影响CCD感光范围和动态能力的关键。早期的CCD都是井然有序的“耕田”状。当CCD技术到了日本富士手中，工程师开始省思CCD一定要这样排列吗？为了兼具INTERLINE TRANSFER CCD的低成本设计，又要能兼顾FULL FRAME CCD的大感光面积，富士提出了一个跌破专家眼镜的折衷方案SUPER CCD。SUPER CCD是目前市面上唯一使用蜂巢式结构的CCD，其藉助八边形几何构造和间断排列，以INTERLINE TRANSFER CCD的方式为基本，争取最大限度的CCD有效面积利用率。但，早先的技术让通道过于拥挤，产生了不良的噪声，时至今日SUPER CCD已经发展进入第三代，几乎所有不良的缺点都已经改进。

2002年初，富士发布第三代Super CCD。2003年初，富士发布第四代Super CCD。（见下图）。新一代的SuperCCD有 Super CCD HR和 SR 两种规格。Super CCD HR(High Resolution)强调富士专利科技在固定面积大小的CCD 芯片上分辨率再提高。HR 技术能在1/1.7英吋的CCD上制造出663万画素的感光元素，搭配新一代的 HR 感光器的数字相机将可以输出 1230万纪录画素的照片（如同旧款300万画素 SuperCCD可以输出 600万画素的效果一样），这款 HR CCD 的输出效果将可媲美 Fujifilm 现役旗舰级 S2PRO 的画质效果。

另一款 Super CCD SR 则是全新CCD结构，如同 HR一样，应用了新微细化技术的 CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670万画素的元素（HR为 663万）。所不同的是 SR 强调更高的动态范围（ Dynamic Range)，号称可达过去产品的4倍以上。造成这项差异的主要关键，在于 CCD SR 采用了有别以往的新型结构：SR整合了负责感光度高的S画素(见图：面积较大)以及能对一般动态范围以外作用的R画素(面积较小)。通过对这两种不同画素的运算整合，SuperCCD SR 将获得比以往单一感光结构之CCD更高的感光度和更宽的动态范围。过去，单一架构的感光原件，对动态范围以外，也就是高光亮部分和暗色部分。因为，无法调整灵敏度去适应（必须兼顾中间范围的显示品质），忍痛损失这部分的细节。而传统底片则可以藉由涂布较细的感色感光粒子来克服这样的困扰，所以当数字影像与传统影像相比时，动态范围往往是传统胜出的关键。富士的新技术显然克服了当原件更密集时所产生的噪声干扰，SR 的技术是利用 335万S画素和335万R画素整合为 670万的表现，这种分工合作的方式，目前在业界还是首例。

2002年2月，美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。

然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（见下图），依光线的吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。

X3还有一项特性，那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配（见下图）。X3可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值，就理论上来说X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。这项发明的特点在于传统的数字照相机主要使用3原色过滤矩阵，对每一个光点（或称画素 PIXEL）产生 3种不同颜色的强度：红色的(R),绿色(G)和蓝(B)颜色数据，再将这些数据与彩色电视或监视器整合发色，形成我们所看到的影像。然而，根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它红色和蓝色，这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红、蓝25%，绿色50%的现象。可是对颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正，起因则是人类的视觉比较接近模拟效果，而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真，SONY 这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样！对绿色的忠实再生有莫大的助益。