独具匠心的富士超级CCD

1、独具匠心的富士超级 CCDCCD （ Charged-coupled Device ） 的中文译名叫“电荷 耦合元件”。目前，世界 CCD 主要供应商是 IBM 和 SONY 。 其次为富士、柯达、佳能等。富士公司有着悠久的摄影器材 生产历史和雄厚的技术实力。富士公司最让同行羡慕的是独 有的超级 CCD 技术，在 1999 年底富士公司刚刚推出它的超 级 CCD 时，似乎还不那么引人注意。直到 2000 年 3 月配置 超级 CCD 的第一款数码相机 Fuji MX-4700 （图 1）的推 出时，人们才有机会一睹超级 CCD 的“真容”。目前，富士 的超级 CCD 已经发展到第 3 代，技术

2、更完善，性能更优异。一、超级 CCD 的突破点与普通 CCD 相比，超级 CCD 有两点根本的不同： 它的 像素单元呈八角形（图 2），并且像素单元排列呈 45角。 由于超级 CCD 上的全部像素排列如蜂窝状，因此有人形象 地称之为“蜂窝状 CCD ”。看起来只不过是一点形状上小小 的改变，但它却能使 CCD 的表现带来质的飞跃。CCD 是利用微电子技术制成的表面光电器件， 其表面有许多光敏单元（光电二极管） ，它们的工作原理是采用取样(Sample)的方法，将光线转化成电荷，从而形成对应于景 物的电子图像，每一个光敏单元对应图像中的一个像素( Pixel )，有时我们也将它称为“像素单元”

3、，像素单元越多 则图像越清晰。为了便于理解，这里我们用一个形象的比喻 来说明， CCD 的光敏单元结构就象一排排输送带上并排放满 了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像 素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一 短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴” ，并记在文 件中。普通 CCD 里使用的光电二极管都是矩形的，像素单 元排列呈直角(图 3)。其上面的微透镜则呈圆形。由于二者 形状不同，不仅使 CCD 芯片的尺寸受到限制，而且影响到 光吸收效率，并极大地阻碍了感光度、信噪比和动态范围的 提高。同时，因为普通 CCD 像素是垂直排列，所以 45对 角线上的分辨率要比

4、水平轴和垂直轴上的高。如果要进一步 提高普通 CCD 分辨率而不加大数码相机的 CCD 芯片， 就只 能采取减小像素中光电二极管的设计尺寸，但如此会进一步 导致感光度降低、信噪比下降、动态范围缩小。鉴于水平轴和垂直轴上的高分辨率是提高分辨率的关 键，而对角线上高频特性的损失对影像质量几乎没有影响， 所以超级 CCD 在解决分辨率和 CCD 芯片尺寸的矛盾时， 像 素都按 45角排列，形成一个蜂窝状的图形(图 4)。这种前所未有的排列结构通过最初的信号处理及像素 45 度旋转， 使水平和垂直分辨率大大提高，比普通 CCD 高了百分之六 十。同时由于这一改变，控制信号的通路被取消了，取而代 之的是

5、专为蜂窝形结构开发的、只由光电二极管和命令传输 路径组成的新型 LSI 信号处理器，从而为光电二极管留出了 更多的空间，使之可以使用形状非常接近圆形微透镜的大八 角形光电二极管，提高了空间利用率。二、超级 CCD 的技术优势超级 CCD 八角形光电二极管因其更接近微透的圆形， 从而能更有效地吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的 提高，也使 CCD 的感光度有了大幅的提高。 因此，超级 CCD 的有效像素数可达到同等像素的传统 CCD 的 1.6 倍，也就是 说，利用一款 300 万像素的超级 CCD 数码相机拍摄出的影 像质量与 480 万像素的传统 CCD 拍摄质量相当。除了关键的像素排列

6、方式外，超级 CCD 还有很多优势。 比如传统 CCD 单元结构复杂，单位面积上的光电二极管数 量相对较少，集光效率不高。为避免一个光电二极管的电荷 与下一个光电二极管的电荷相混，普通 CCD 在一步里需要 三个信息包来传输电荷，这就意味着需要制造三个聚合物层 做为信息包。但是这种结构生产难度很大，作为替代，普通 CCD 通常只能增加一个机械遮光器， 分两步读出像素。 超级 CCD 构造相对简单， 电荷传输通路宽， 每个像素都可以一步 读出，因此有一个电子快门就足够了。这一方法不仅提高了 速度和精度，同时因为一个电子快门便于高速传输光电二极 管形成的电荷，它还具有进行极其快速而精确的连续拍摄的

7、 潜在能力。在视频输出和使用液晶监视器显示时，普通 CCD 只能 使用固定速率跳跃读出垂直轴，会不可避免地降低影像质 量。又由于所有的像素都必须水平读出，其视频率本身就很 慢。还有，普通 CCD 每一水平行只有 G，B 像素或 R ，G 像 素，为了产生每个像素的 RGB 彩色信号，必须读出相邻两 行，视频读出过程相当费时。而超级 CCD 在进行视频输出 时，其跳跃读出不再局限于垂直轴，并在两个方向上都可以 读出。同时，超级 CCD 在每一水平行上都有 RGB 信号。根 据像素总数的不同，超级 CCD 的垂直跳跃读出可以按 1/2， 1/3 或者任何其它比率进行，也可以进行水平1/3 跳跃读出

8、。从而解决了普通 CCD 所无法解决的难题，使获得高质量的， 每秒 30 帧全动视图像成为可能。另外，在光亮不足的环境下，普通 CCD 数码相机往往 拍摄困难，而超级 CCD 通过像素加算信号处理技术，可以 在 CCD 处理信号得到像素数的基础上加算 4 像素，实现高 感光度摄影；超级 CCD 可以将颜色和光亮度的干扰最小化， 同时实现高感光度和高 S/N （信号干扰比）两个方面，可以使对作品的干扰降低到不易被发现的程度，使作品更加清 晰。三、第 3 代超级 CCD 的新特色2002 年 2 月，富士宣布开发成功“第 3 代蜂窝式超级 CCD ”并随即配置到新推出的 FinePix F601数

9、码相机中（图 5）。富士第 3 代超级 CCD 产品，在结构方面沿袭了最初的 将八角形感光单元排列为蜂窝状的结构。其特点在于具备在 摄像元件内部将垂直方向与水平方向的各 2 像素共 4像素进 行混合的功能。通过这一功能，能够减少由 CCD 输出的相 当于 1 帧的像素数据量，可进行高速读取。此次开发的产品 能够以最大30帧/秒的速度输出 VGA （640 X 480）动态图像。在混合垂直方向像素的第 3代超级 CCD 还具备了混合 水平方向像素的功能（图 6）。为了混合水平方向的像素，新 配置了在垂直传输 CCD 与水平传输 CCD 之间能够起到缓冲 器作用的寄存器。混合的过程是：经过垂直传输CCD 传输来的电荷先被存入寄存器，进行纵方向的像素混合，然后再 通过时序控制寄存器中存储的电荷送入水平传输CCD 中，从而实现了水平方向的像素混合。在垂直方向上，能够将纵 向排列的 3像素中的 2 像素同色数据作为单像素进行混合； 在水平方向上则隔一个地对同色像素数据进行混合。 通过 将水平方向的像素进行混合，能够在摄像元件内部将约 300 万像素的数据重新削减到约 50 万像素的数据，并进行输出。C