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❐ 影像感測器的構造
影像(Image)其實指的就是我們看到的一個「畫面(Frame)」，是由許許多多的格子組成，這些格子稱為「畫素(Pixel)」。影像感測器是由許許多多的格子(畫素)組成的陣列，每一個畫素含有一個電荷耦合元件(CCD)與光感測器(PD)，由於光感測器(PD)只能偵測亮度，無法分辨顏色，為了取出顏色，必須在光感測器上方加裝「彩色濾光片(Color filter)」，如＜圖一(a)＞所示，它的RGB排列方式有許多種，目前最常使用的是圖中這種稱為「貝爾圖(Bayer pattern)」，有沒有發現貝爾圖的設計裡，綠色的畫素是紅色與藍色的兩倍？因為肉眼對綠色比較敏感，因此多收集綠色的資訊是合理的。知識力www.ansforce.com。

圖一　CCD感測器的構造與原理示意圖。

❐ CCD影像感測器
電荷耦合元件(CCD：Charge Coupled Device)是一種推電荷(電子)前進的元件，利用三個金屬電極不同電壓依序推電荷前進，如＜圖一(b)＞所示，左下角畫素A的光感測器內的電子經由旁邊的CCD元件由4向上推到3，此時畫素B的電子由3推到2，畫素C的電子由2推到1，畫素A的電子由1推到水平線；接著再將畫素A的電子由3推到2，畫素B的電子由2推到1，畫素C的電子由1推到水平線，依此類推，第一行的電子推完，再推第二行，再推第三行，依此類推，必須把影像感測器內每一個畫素的電子依序推到水平線，經由「 類比前端(AFE：Analog Front End)」將類比訊號轉換成數位訊號，也就是影像的「類比數位轉換器(ADC：Analog to Digital Converter)」，再輸入處理器(Processor)進行數位訊號處理。

由圖中可以看出，左下角畫素A要推4次才能推到水平線，我們想想，如果是一個FHD的畫面總共有1920x1080=200萬畫素的影像感測器，則第一行會有1080個畫素，左下角畫素A要推1080次才能推到水平線，CCD元件不可能100%把所有電荷都推乾淨，假設CCD元件每推1000顆電子會漏1顆 ，入射光恰好使左下角畫素A偵測到1000顆電子，則還沒推到水平線電子就漏光了，因此電荷耦合元件(CCD)的製作困難度高，目前只有日本廠商有能力設計與製作這種元件，造成價格高時常缺貨，有錢還不一定買的到。

CCD影像感測器的優點是影像畫質較佳，雜訊較小；缺點有成本高、耗電量高、類比前端(AFE)是使用CMOS製程與CCD製程不同因此無法整合在同一個晶片上。

❐ CMOS影像感測器
互補型金屬氧化物半導體(CMOS)是一種開關元件，利用閘極施加正電壓在下方形成電子通道，可以便電子由源極流入，由汲極流出，如＜圖二(b)＞所示，每一個畫素的左上角都有一個CMOS開關，一個一個畫素可以依序打開(ON)導通，使光感測器內的電子依序流入水平線，第一行的電子流完，再流第二行，再流第三行，依此類推，必須把影像感測器內每一個畫素的電子依序流到水平線，經由「類比前端(AFE)」將類比訊號轉換成數位訊號，也就是影像的「類比數位轉換器(ADC)」，再輸入處理器(Processor)進行數位訊號處理。知識力www.ansforce.com。

圖二　CMOS感測器的構造與原理示意圖。

CMOS影像感測器的優點是成本低(大約只有CCD的1/3)、耗電量低(大約只有CCD的1/10)，更重要的是類比前端(AFE)是使用CMOS製程與CMOS影像感測器的製程相同，可以整合在同一個晶片上縮小體積，這對於智慧型手機這種對元件尺寸很在意的應用非常適合；缺點有影像畫質較差，雜訊較大，特別是CMOS開關本身產生的「熱雜訊(Thermal noise)」，這種雜訊是元件在高於絕對零度(0K)時就會產生的，而且溫度愈高雜訊愈嚴重，早期的CMOS影像感測器畫面上會看到一個個亮點跳來跳去就是由於熱雜訊產生，近年來由於半導體製程的進步，CMOS影像感測器的雜訊問題有很大的改善。

❐ 影像補插點(Image interpolation)
影像顯示器(Image display)的每一個畫素要顯示一種顏色，必須利用光的三原色，也就是紅(R)、綠(G)、藍(B)不同亮度排列組合而成。例如：高畫質(FHD：Full High Definition)為1920行x1080列(大約200萬畫素)，如＜圖三＞所示，由於影像顯示器的每一個畫素必須再切割成RGB三個次畫素，因此實際上FHD顯示器總共有600萬個次畫素，經由控制紅(R)、綠(G)、藍(B)的亮度，排列組合成某一個畫素的顏色。

圖三　影像顯示器的每一個畫素必須再切割成RGB三個次畫素。

影像感測器(Image sensor)的每一個畫素只能偵測亮度，無法分辨顏色，為了取出顏色，必須在影像感測器上方加「彩色濾光片(Color filter)」，如＜圖一(a)＞所示，它的RGB排列方式有許多種，目前最常使用的是圖中這種稱為「貝爾圖(Bayer pattern)」。有沒有發現影像感測器的每個畫素只有一種顏色，但是影像顯示器的每個畫素卻有三種顏色，怎麼辦呢？ 

為了要使影像感測器的每個畫素有三種顏色，目前都是使用影像補插點的方式，也就是用這個畫素的周圍畫素其他顏色的平均值來當成這個畫素其他顏色的數值，如＜圖四(a)＞所示，藍色畫素的紅色亮度可以取四個角落的紅色畫素平均值，綠色亮度可以取四個週圍的綠色畫素平均值；如＜圖四(b)＞所示，綠色畫素的紅色亮度可以取上下的紅色畫素平均值，藍色亮度可以取左右的藍色畫素平均值，所有的影像感測器上每一個畫素經過這樣的補插點運算後每一個畫素都會有RGB三種顏色的亮度了！

值得注意的是，影像感測器每個畫素的三種顏色是利用補插點運算而來，代表它並不是這個畫素真實的顏色，只是這個畫素的周圍畫素其他顏色的平均值而已，因此嚴格來說，影像感測器200萬畫素的數位相機，與影像顯示器200萬畫素的高畫質電視(FHD=1920行x1080列=200萬畫素)，雖然都是200萬畫素，但是數位相機的真實影像品質只有高畫質電視的1/3而已唷！

圖四　影像感測器的影像補插點(Image interpolation)運算示意圖。
 

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