獨具匠心的富士超級CCD

1、獨具匠心的富士超級 CCDCCD （ Charged-coupled Device ） 的中文譯名叫“電荷 耦合元件”。目前，世界 CCD 主要供應(yīng)商是 IBM 和 SONY 。 其次為富士、柯達、佳能等。富士公司有著悠久的攝影器材 生產(chǎn)歷史和雄厚的技術(shù)實力。富士公司最讓同行羨慕的是獨 有的超級 CCD 技術(shù)，在 1999 年底富士公司剛剛推出它的超 級 CCD 時，似乎還不那么引人注意。直到 2000 年 3 月配置 超級 CCD 的第一款數(shù)碼相機 Fuji MX-4700 （圖 1）的推 出時，人們才有機會一睹超級 CCD 的“真容”。目前，富士 的超級 CCD 已經(jīng)發(fā)展到第 3 代，技術(shù)

2、更完善，性能更優(yōu)異。一、超級 CCD 的突破點與普通 CCD 相比，超級 CCD 有兩點根本的不同： 它的 像素單元呈八角形（圖 2），并且像素單元排列呈 45角。 由于超級 CCD 上的全部像素排列如蜂窩狀，因此有人形象 地稱之為“蜂窩狀 CCD ”?？雌饋碇徊贿^是一點形狀上小小 的改變，但它卻能使 CCD 的表現(xiàn)帶來質(zhì)的飛躍。CCD 是利用微電子技術(shù)制成的表面光電器件， 其表面有許多光敏單元（光電二極管） ，它們的工作原理是采用取樣(Sample)的方法，將光線轉(zhuǎn)化成電荷，從而形成對應(yīng)于景 物的電子圖像，每一個光敏單元對應(yīng)圖像中的一個像素( Pixel )，有時我們也將它稱為“像素單元”

3、，像素單元越多 則圖像越清晰。為了便于理解，這里我們用一個形象的比喻 來說明， CCD 的光敏單元結(jié)構(gòu)就象一排排輸送帶上并排放滿 了小桶，光線就象雨滴撒入各個小桶，每個小桶就是一個像 素。按下快門拍照的過程，就是按一定的順序測量一下某一 短暫的時間間隔中，小桶中落進了多少“光滴” ，并記在文 件中。普通 CCD 里使用的光電二極管都是矩形的，像素單 元排列呈直角(圖 3)。其上面的微透鏡則呈圓形。由于二者 形狀不同，不僅使 CCD 芯片的尺寸受到限制，而且影響到 光吸收效率，并極大地阻礙了感光度、信噪比和動態(tài)范圍的 提高。同時，因為普通 CCD 像素是垂直排列，所以 45對 角線上的分辨率要比

4、水平軸和垂直軸上的高。如果要進一步 提高普通 CCD 分辨率而不加大數(shù)碼相機的 CCD 芯片， 就只 能采取減小像素中光電二極管的設(shè)計尺寸，但如此會進一步 導(dǎo)致感光度降低、信噪比下降、動態(tài)范圍縮小。鑒于水平軸和垂直軸上的高分辨率是提高分辨率的關(guān) 鍵，而對角線上高頻特性的損失對影像質(zhì)量幾乎沒有影響， 所以超級 CCD 在解決分辨率和 CCD 芯片尺寸的矛盾時， 像 素都按 45角排列，形成一個蜂窩狀的圖形(圖 4)。這種前所未有的排列結(jié)構(gòu)通過最初的信號處理及像素 45 度旋轉(zhuǎn)， 使水平和垂直分辨率大大提高，比普通 CCD 高了百分之六 十。同時由于這一改變，控制信號的通路被取消了，取而代 之的是

5、專為蜂窩形結(jié)構(gòu)開發(fā)的、只由光電二極管和命令傳輸 路徑組成的新型 LSI 信號處理器，從而為光電二極管留出了 更多的空間，使之可以使用形狀非常接近圓形微透鏡的大八 角形光電二極管，提高了空間利用率。二、超級 CCD 的技術(shù)優(yōu)勢超級 CCD 八角形光電二極管因其更接近微透的圓形， 從而能更有效地吸收光。光電二極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，超級 CCD 的有效像素數(shù)可達到同等像素的傳統(tǒng) CCD 的 1.6 倍，也就是 說，利用一款 300 萬像素的超級 CCD 數(shù)碼相機拍攝出的影 像質(zhì)量與 480 萬像素的傳統(tǒng) CCD 拍攝質(zhì)量相當。除了關(guān)鍵的像素排列

6、方式外，超級 CCD 還有很多優(yōu)勢。 比如傳統(tǒng) CCD 單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位面積上的光電二極管數(shù) 量相對較少，集光效率不高。為避免一個光電二極管的電荷 與下一個光電二極管的電荷相混，普通 CCD 在一步里需要 三個信息包來傳輸電荷，這就意味著需要制造三個聚合物層 做為信息包。但是這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)難度很大，作為替代，普通 CCD 通常只能增加一個機械遮光器， 分兩步讀出像素。 超級 CCD 構(gòu)造相對簡單， 電荷傳輸通路寬， 每個像素都可以一步 讀出，因此有一個電子快門就足夠了。這一方法不僅提高了 速度和精度，同時因為一個電子快門便于高速傳輸光電二極 管形成的電荷，它還具有進行極其快速而精確的連續(xù)拍攝的

7、 潛在能力。在視頻輸出和使用液晶監(jiān)視器顯示時，普通 CCD 只能 使用固定速率跳躍讀出垂直軸，會不可避免地降低影像質(zhì) 量。又由于所有的像素都必須水平讀出，其視頻率本身就很 慢。還有，普通 CCD 每一水平行只有 G，B 像素或 R ，G 像 素，為了產(chǎn)生每個像素的 RGB 彩色信號，必須讀出相鄰兩 行，視頻讀出過程相當費時。而超級 CCD 在進行視頻輸出 時，其跳躍讀出不再局限于垂直軸，并在兩個方向上都可以 讀出。同時，超級 CCD 在每一水平行上都有 RGB 信號。根 據(jù)像素總數(shù)的不同，超級 CCD 的垂直跳躍讀出可以按 1/2， 1/3 或者任何其它比率進行，也可以進行水平1/3 跳躍讀出

8、。從而解決了普通 CCD 所無法解決的難題，使獲得高質(zhì)量的， 每秒 30 幀全動視圖像成為可能。另外，在光亮不足的環(huán)境下，普通 CCD 數(shù)碼相機往往 拍攝困難，而超級 CCD 通過像素加算信號處理技術(shù)，可以 在 CCD 處理信號得到像素數(shù)的基礎(chǔ)上加算 4 像素，實現(xiàn)高 感光度攝影；超級 CCD 可以將顏色和光亮度的干擾最小化， 同時實現(xiàn)高感光度和高 S/N （信號干擾比）兩個方面，可以使對作品的干擾降低到不易被發(fā)現(xiàn)的程度，使作品更加清 晰。三、第 3 代超級 CCD 的新特色2002 年 2 月，富士宣布開發(fā)成功“第 3 代蜂窩式超級 CCD ”并隨即配置到新推出的 FinePix F601數(shù)

9、碼相機中（圖 5）。富士第 3 代超級 CCD 產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)方面沿襲了最初的 將八角形感光單元排列為蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。其特點在于具備在 攝像元件內(nèi)部將垂直方向與水平方向的各 2 像素共 4像素進 行混合的功能。通過這一功能，能夠減少由 CCD 輸出的相 當于 1 幀的像素數(shù)據(jù)量，可進行高速讀取。此次開發(fā)的產(chǎn)品 能夠以最大30幀/秒的速度輸出 VGA （640 X 480）動態(tài)圖像。在混合垂直方向像素的第 3代超級 CCD 還具備了混合 水平方向像素的功能（圖 6）。為了混合水平方向的像素，新 配置了在垂直傳輸 CCD 與水平傳輸 CCD 之間能夠起到緩沖 器作用的寄存器?；旌系倪^程是：經(jīng)過垂直傳輸CCD 傳輸來的電荷先被存入寄存器，進行縱方向的像素混合，然后再 通過時序控制寄存器中存儲的電荷送入水平傳輸CCD 中，從而實現(xiàn)了水平方向的像素混合。在垂直方向上，能夠?qū)⒖v 向排列的 3像素中的 2 像素同色數(shù)據(jù)作為單像素進行混合； 在水平方向上則隔一個地對同色像素數(shù)據(jù)進行混合。 通過 將水平方向的像素進行混合，能夠在攝像元件內(nèi)部將約 300 萬像素的數(shù)據(jù)重新削減到約 50 萬像素的數(shù)據(jù)，并進行輸出。C