數位相機（DSC）是目前成長速度最快的消費性電子產品之一，幾年前，數位相機就已經超過傳統的膠捲相機，有很多製造商目前已經完全停止生產膠捲相機。2004年數位相機的銷售量為7700萬台，而在2005年，更達到約1億台（資料來源：Future Image）。當然，照相手機（銷售量5億台）囊括了這個數字的一部分，不過那也可以說是另一個不同的市場。

數位相機根據影像感測器的不同可分為兩種成像技術，分別為電荷耦合元件（CCD）和互補性金屬氧化半導體（CMOS）影像感測器。CMOS技術目前佔據著低階應用市場，CCD仍然把持著高階應用市場，但並未沒有完全佔領該市場，如佳能（Canon）就有幾款採用CMOS影像感測器的高階機型，包括EOS 5D等，採用1280萬畫素全幅（24×36 mm）CMOS影像感測器。未來針對此種感測器預計也將會有許多分析報告相繼問世。

《圖一　畫素陣列的一個角，圖中可以看到畫素呈對角排列》

超級CCD與CCD

本文中，將選擇進行反向還原分析的CCD感測器，來自於富士Finepix E550 630萬畫素數位相機，該相機之CCD感光元件採用了該公司專用的「超級CCD」設計。在定點照相機中，其解析度讓人留下很深的印象，感光度為ISO 800，快門速度可達1/2000秒。

《圖二　是該結構的截面圖》

設計概念

人眼視網膜由1.26億左右的視覺細胞所組成，其中1.2億個左右的細胞在黑暗時工作，而其他600萬個細胞在明亮時工作，並能對顏色做出反應。儘管這些細胞以鑲嵌的方式均勻分佈在視網膜表面，但是在水平軸和垂直軸上的高頻資訊感光度要比在45度的對角線上高得多。透過對數百個自然景色的平均空間頻率特性進行分析後可知，這是因為地心引力把空間頻率的功率都集中在水平和垂直的方向，而45度對角線上功率最低的緣故。因此為了更有效地捕獲視覺資訊，眼睛在水平和垂直方向上就較為靈敏。只要瞭解這點，就能掌握解決今日使用CCD感光器時的多種缺陷，進而設計出影像效果更佳的超級CCD。

普通CCD裡所使用的光電二極體都是矩形的，而其上面的微透鏡則是圓形。二者不同的形狀必然會限制CCD晶片的尺寸，進而影響到光吸收效率，而光吸收的低效率正是提高感光度、信噪比和動態範圍的極大障礙。並且在普通CCD中，因為畫素是垂直排列，所以45度對角線上的解析度要比水平軸（X軸向）和垂直軸（Y軸向）上的高，但如上所述，這一點恰恰違背了自然規律。這些因素綜合起來，使得普通CCD如果要進一步提高解析度而不加大數位相機的CCD晶片，就只能採取減小畫素中光電二極體尺寸的方式，而這一做法又將導致感光度的降低、信噪比下降與、動態範圍的縮小。這種情況也導致了如果想進一步提高解析度，就不得不減低性能。

富士的研發人員根據對人類視覺的研究，在綜合考慮各種因素後開發出了採用超級CCD技術的數位相機產品，獲得了更佳的影像效果。由於水平軸和垂直軸上的高解析度是提高解析度的關鍵，而對角線上高頻特性的損失對影像品質幾乎沒有影響，所以在解決解析度和CCD晶片尺寸的矛盾時，超級CCD採用了一個較好的解決辦法，也就是將所有畫素都按45度角排列，形成一個蜂窩狀的圖形。

這種排列結構透過最初的信號處理及畫素45度旋轉，使水平和垂直解析度提高，比普通CCD高了60％。同時由於這一改變，控制訊號通道被取消了，而專為蜂窩形結構開發並和超級CCD 配套的LSI信號處理器只由光電二極體和命令傳輸路徑組成，這可為光電二極體留出了更多的空間，這使得超級CCD可以使用形狀非常接近圓形微透鏡的大八角形光電二極體。把不利於影像記錄的未利用空間減少到最低，使每個畫素上光電二極體的密度達到最大，進而更有效吸收光線。這樣一來，每單位面積的超級 CCD與普通CCD相比，其吸收光線的能力增強，集光效率提高。隨著集光效率的提高，感光度、信噪比與色彩的再現性都得到改善，動態範圍也得到擴大，影像品質達到了新的水準。

《圖三　放大了矽結構，可看到氮化透鏡》

超級CCD與一般CCD之差異

普通CCD只能使用固定速率跳躍讀出垂直軸，因為讀出所有垂直行要花太長的時間並減慢視訊頻率，這就造成了影像品質的降低。

而超級CCD進行視頻輸出時，其跳躍讀出不侷限於垂直軸，在兩個方向上都可以，這是獲得高品質視訊輸出的關鍵。另外超級CCD在每一水平行上都有RGB信號，可解決普通CCD之問題。根據畫素總數的不同，超級CCD的垂直跳躍訊號讀取可以按1/2、1/3或者任何其他比率進行，也可以進行水平1/3跳躍讀出，而獲得每秒30幀視訊影像的品質。

超級CCD構造相對簡單，電荷傳輸通道寬，每個畫素都可以一次讀取訊號，這不僅提高速度和精確度，同時因為便於高速傳輸光電二極體所形成的電荷，它還具有進行快速連續拍攝的能力。

《圖四　掃描電容（SCM）截面圖顯示了基底的摻雜結構》

超級CCD之結構分析

超級CCD設計將傳統的x-y陣列旋轉了45度角，使畫素呈對角線排列，這樣能夠讓八角形光電二極體面積盡可能增大，且更加靠近。富士聲稱這樣的佈局可以使解析度、感光度、動態範圍、信噪比以及色彩擬真度達到均衡。此外該元件還採用了信號處理技術，可在光電二極體之間生成虛擬畫素，因此存儲的圖元實際上是一個1230萬圖元的方形格柵x-y陣列。

本文所要介紹的富士MS3895A是一種「超級CCD HR」，屬於這種技術的第四代產品，該技術最早發佈於1999年。其圖元尺寸減小到2.7μm，可進一步提高解析度。此技術是在富士微電子位於日本仙台的工廠裏製造的，採用0.35μm雙金屬雙層多晶矽製程，在N基板上用P井製造。裸片尺寸為7.7×9.0mm（69.3 mm2），總共有663萬畫數，有效畫素則為630萬。由於採用新的信號處理技術增加了虛擬畫素數量，所以能夠儲存的總畫素可增至1230萬。

《圖五　是去除有機層露出氮化合物透鏡的情形》

(圖一)是畫素陣列的一個角，從圖中可以看到畫素呈對角排列，(圖二)是該結構的截面圖。截面在整個裸片上也是呈對角排列，如此便可清楚看到該結構實際的佈局情況。從圖中可以在頂部看到組織得很好的半球形透鏡，然後是平面層上的系統彩色濾光層，下面是氮化矽透鏡，再往下觀察則可發現光電二極體和CCD電荷轉移電極。

(圖三)放大了矽結構，可看到氮化透鏡由兩個氮化合物層組成，底下的一個沉積在CCD結構上，然後將之平整化處理，上面一層沉積在平整層上，然後再蝕刻成半球形狀。下面的兩個多晶轉移電極覆蓋有鎢光遮罩層。

(圖四)中的掃描電容（SCM）截面圖顯示了基底的摻雜結構。從下面往上，亮的部分是N基板，然後逐漸進入P井陣列，基板表面的暗區是光電二極體與二極體表面P層之間的P隔離層，P隔離層中的亮點是N摻雜電荷轉移通道，而表面下部薄薄的光亮層是光電二極體。在表面上部，轉移電極和電介質顯示為空白區域，被一個完整的金屬層覆蓋（這部分取自於晶片的暗畫素區域，其光線遮罩層是連續的）。

接著再回到平面視圖，(圖五)是去除有機層露出氮化合物透鏡的情形。其對角形狀排列非常清楚，在分析的過程中加了一些圓圈用以指示出信號處理生成的虛擬畫素的位置。

(圖六)是經過修整後的陣列圖，顯示出多晶矽轉移電極在陣列的垂直方向運動。緊接在鑽石型孔穴上部的線就是第一個多晶矽層。在兩個孔穴裡面有一些鎢的殘留物，表示有通過圓孔的光線達到光電二極體。

(圖七)是陣列SCM圖的平視效果，右下部的空白區域是矽的表面，往上可以看到鋸齒狀的N摻雜轉移通道，圍繞在畫素內暗淡的P層周圍。再進一步往上（深入到基底內部）可以看到菱形的光電二極體，這並不是富士先前所介紹的八角形光電二極體。轉移電極使用電荷轉移通道，將被選中的電荷從每個光電二極體中移出，並送到CCD陣列的邊緣，在那裡有次級CCD將電荷轉移到第一級放大器，然後進入訊號處理電路。

《圖六　是經過修整後的陣列圖》

結語

《圖七　是陣列SCM圖的平視效果》

仔細分析該元件的周邊結構也是很有意思的，但由於空間上的限制目前只能觀察CCD本身結構。而根據此次反向還原分析的結果發現，在奈米領域中利用一個相對簡單的結構，在經過最佳化處理後可以滿足1200萬畫素照相機的要求，而其零售價僅為為325美元，這也給喜愛數位相機的照相機愛好者們留下很深的印象。顯然，超級CCD之影像擷取效果是非常不錯。

（作者為Chipworks資深技術分析師；本文原文出處為MICRO）

延 伸 閱 讀

CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。相關介紹請見「CCD 感光元件與CMOS 之間的區別」一文。 CIS為一種影像感測器。此產品與CCD感測器最大的不同在於，CCD感測器的光源、鏡片、及感光器（Sensor）是分開的，而CIS影像感測器則是以模組型式，將光源，自焦透鏡，感測基板和外殼等組合在一起。你可在「接觸型影像感測器」一文中得到進一步的介紹。 2005年下半年，高階CMOS感光器進入普通消費性數位產品市場被轟轟烈烈地熱炒了一把。許多消費者甚至聽信了坊間的傳言，使用高階CMOS感光器的數位相機與現在市場流行的數位相機已經不可同日而語，而且很快就會在市場上得到廣泛普及。事實真的如此嗎？ 在「數位相機像素越高越好？」一文為你做了相關的評析。

市場動態

LiveMOS感光器具有全幅（FFT）CCD的優質的畫面素質，同時又有CMOS低功耗的優點。簡化的電路使得光電二極體到微透鏡的距離縮短，從而保證了優秀的敏感性和大入射角的畫面品質。相關介紹請見「全新Live MOS技術詳細解析」一文。 在業界有這麼一種說法，CIS（影像接觸式感光器）與Linear CCD（ 線性電荷藕合元件）將會分別佔領低階或高階的 掃描器之感測器市場，其中CIS以所謂的低階市場為主，而高階掃描器之感測器則為CCD的天下。 你可在「數位影像在未來無線寬頻網路上的發展」一文中得到進一步的介紹。 柯達最新發佈了他們世界上像素最高的數位相機感光器。這次推出的兩塊CCD中，感光器像素為3900萬的KAF-39000和像素為3160萬的KAF-31600。柯達宣稱這兩款高精密設備將會應用在 Phase One的升級版本P45和P30數位相機上。 在「3900萬像素 柯達的超級CCD將問世」一文為你做了相關的評析。