数码影像的革新者——超级CCD 沈舟 2000年 第30期 　　一般来讲，如果想要增加数码相机所摄图像的清晰度，就必须增加CCD像素单元的数量。数码相机自产生以来，其CCD像素数一路攀升。第一款数码相机CCD像素数不过50万左右，不到三年的时间，目前市场主流数码相机的CCD像素数已经达到200万，今年年中，几家数码相机厂商还推出了300万像素以上的数码相机。 　　CCD像素的攀升存在着技术上的瓶颈——在面积固定的一块CCD上面，如果排列更多的像素单元，即意味着每一个像素单元的尺寸更小，带来的直接后果是像素单元的灵敏度（Sensitivity）、信号噪声比（S/N Ratio）以及动态范围（Dynamic Range）等都将有所损失。从某种意义上讲，如果要保证一定水平的图像质量，像素数不能无限制地增加。如果要提高分辨率只能再增加CCD的面积，这将造成数码相机制造成本的急剧上升。于是富士公司便开始在CCD技术上下功夫，最终产生了超级 CCD（超级CCD）技术。下面，我们就来仔细分析一下超级 CCD的技术特色。 #1　　◆结构明显改变 　　传统CCD上的像素单元排列呈直角，像素单元之间的水平/垂直距离比像素单元本身的对角线长，也就是说，这种CCD将在像素单元的对角线方向获得更好的图像质量表现；而在超级 CCD上，它的像素单元呈八角形，并且像素单元阵列排列呈45度角，像素单元之间的水平/垂直距离比对角线距离短，整个CCD上的像素排列如蜂窝状，所以有人称之为“蜂窝状的CCD”（如^30050501a^1）。 　　对人类视觉的全面研究表明，图像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上，最低的功率在45度对角线上。这个效应是由地心引力以及其他因素造成的。这与影像传感器的最终效果有着明确的关系——水平轴和垂直轴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。这就是超级 CCD的设计思想——把处于45度角的像素以蜂窝形式排列。这种排列方式除提高了封装密度外，还提高了水平及垂直分辨率，因此它更符合人类视觉的特点。另一个重要因素是LSI信号处理器，超级 CCD和新的信号处理器一起工作，把有效分辨率在原先的水平上提高60％。这就是说，只有190万像素的超级 CCD，其性能就相当于有300万像素的普通CCD。 #1　　◆感光度、信噪比和动态范围明显提高 　　要想提高CCD的感光度、信噪比和动态范围，就不得不加大每个像素中的光敏器件面积。传统CCD里的每个像素都是由一个光电二极管、一个控制信号通路和一个电荷传输通路组成。由于光电二极管是矩形的，其尺寸是受到限制的。光吸收的低效率是提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍。每个光电二极管都是矩形，而其上面的微透镜则是圆形的——不同的形状会降低光吸收效率。 　　超级 CCD采用了一个较好的解决方法：它的像素都按45度角排列以形成一个蜂窝的图形（如^30050501b^2）。控制信号通路被取消了，为光电二极管留出更多的空间。而光电二极管是八角形的，非常接近微透镜的圆形，因此可以更有效地提高光吸收效率，从而集光效率大大提高。随着集光效率的提高，感光度和信噪比也得到提高，动态范围得以扩大。 #1　　◆水平跳跃读出 　　虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量，但由于竖直线条读出速度太慢，传统CCD还必须在视频输出时采用跳跃读出方式。而且传统CCD水平方向的像素中只有两种颜色，必须读出两行数据才能形成彩色。而超级 CCD每行像素中都包含RGB三种颜色，除了以二比一或其它比率进行垂直跳跃读出外，还可以进行水平1／3跳跃读出，可以获得高质量的30帧／秒视频输出。 #1　　◆简单的电子快门 　　在传统CCD中，为了防止相邻像素间的电荷混淆，需要三层聚合物涂层来分隔每个像素单元，这种复杂的结构制造起来会很困难。因此，通常都是用机械快门来代替分隔结构，并分两次读出像素的数据。而采用超级 CCD的数码相机将没有这个限制，蜂窝形状的排列有利于给光电二极管传送电荷，使高速连续获取图像成为可能。即使采用200万像素以上的超级 CCD，也可以快速地读取所有像素单元，这样生产厂商完全可以采用高速电子快门设计相机（这种快门以前只应用在专业相机中）。 　　超级 CCD给数码影像的发展和普及带来了新的挑战和机遇。就像IDC的数码相机和扫描仪分析专家评价所说的那样：“富士在CCD设计方面迈出了重要的一步，超级 CCD将对整个数码影像市场产生广泛的影响。”我们相信在不久的将来，数码相机将成为专业摄影、商用办公和家庭生活的主流。