独具匠心的富士超级CCD

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CCD ( 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”，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。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（640×480）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。

CCD是数码相机的核心部件，也是其中最昂贵的部件，而光敏器件中使用的CCD优劣直接影响着数码相机的成像质量，但也并不是唯一的因素，如镜头、传感器、速度、易用性等。因此，我们说富士超级CCD有着独特的优异性能特点，也并不代表富士数码相机特别优秀。我们只有多了解一些有关知识，才好比较鉴别。