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電荷耦合器 (CCD)

CCD 的中文譯作「電荷耦合器」,是在數碼攝影中最為廣泛應用、用來記錄影像訊號的裝置,與傳統相機感光菲林的作用大致相同。

CCD 是半導體元件,於 1970 年在美國貝爾 (Bell) 實驗室發明。 CCD 其實是一組可以進行「光電轉換」的光電體,當光通過鏡頭聚焦形成影像後,CCD便會將影像的光訊號轉換為電訊號(電壓)。光量愈大,釋放出之電子數量便愈多,電訊號亦愈強,像素的顯示則會愈光。

在 CCD 上組成畫面的最小單位被稱為像素,每個光電體亦即等於一個像素。每塊 CCD 所含像素的數目與大小都與影像質素有著直接關係。像素愈高,輸出的影像質素便愈高。

其實,CCD 的像素本身只會對光的強度有反應,對光的色彩則完全沒有分釋能力,所以單純 CCD 本身,只能拍得灰調的影像。如果要拍到彩色的影像,便要在 CCD 的每一個光電體前加上三原色(Primary color, RGB)的濾鏡,使每一個光電體也只能接收和量度其中一種原色的光度強弱:R 濾鏡可讓紅光通過;G 濾鏡只讓綠光通過;B 濾鏡則只準藍光通過。

原色濾鏡在 CCD 上較普遍的排列方式是 RGRG(紅、綠、紅、綠)一行,另一行則是 GBGB(綠、藍、綠、藍),從而便組成分佈平均的 RGB 排列。亦即是業界是為廣泛應用的 GRGB 排列。而另一種常用的排列方式則是 CYGM (Cyan-Yellow-Green-Magenta) 。

但是,雖然 CCD 分別獲得了影像的三原色光度數據,但每格像素也只記錄著其中一種原色的訊號,所以要靠相機內的「彩色插值」(Color interpolation)系統,利用旁邊其他的像素,為每個原色像素計算出其餘兩色的資料。舉例說,如下圖所示,每個紅色像素的旁邊也分別有著 4 個藍色和 4 個綠色像素,像素插值系統會利用這些像素,為中心的紅色像素計算出綠色和藍色的資料。綠色和藍色像素的原理也完全相同。

要注意的是,不同的計算方式對彩色的估計會有所出入,影響影像的最終色彩。當拍攝一些有幼細彩色線條或精密色彩變化的影像時,低級的 CCD 便有可能出現色噪(Color noise)或色紋現象,影響影像質素。