superccd

先從構造上說起，普通的ccd裡面的成像單元都是長方形的，而且排列的方式是矩形排列，如圖1右邊的，而superccd是8邊形的構造，在有效感光面積上來說superccd要占優勢，而且superccd的排列方式是蜂窩狀排列，能夠更有效的利用空間~使得整體感光度方面（感光度就是在同面積上ccd對光線吸收的多少，也可以說是對光線的利用效率），superccd要比普通的ccd要高，這也是為什麼早期superccd的iso起點一般都為iso200的原因。

基本介紹

• 外文名：Super CCD
• 推出公司：富士公司
• 二極體：八邊形
• 像素：以蜂窩狀形式排列

Super CCD簡介

Super CCD是由富士公司獨家推出的，它並沒有採用常規正方形二極體，而是使用了一種八邊形的二極體，像素是以蜂窩狀形式排列，並且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多餘空間，光線集中的效率比較高，效率增加之後使感光性、信噪比和動態範圍都有所提高。富士公司宣稱，Super CCD可以實現相當於ISO 800的高感度，信噪比比以往增加30%左右，顏色的再現也大幅改善，電量消耗減少了許多。富士公司宣稱Super CCD可與多40%像素的傳統CCD的解析度相媲美，Super CCD打破了以往CCD有效像素小於總像素的金科玉律，可以在240萬像素的Super CCD上輸出430萬像素的畫面來。因此，富士公司和他們的Super CCD一推出即在業界引起了廣泛的關注。

圖1 Super CCD

Super CCD的特點

在傳統CCD上為了增加解析度，大多數數位相機生產廠商對民用級產品採取的辦法是不增大CCD尺寸，降低單位像素麵積，增加像素密度。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動態範圍越窄。因此這種方法不能無限制地增大解析度。如果不增加CCD面積而一味地提高解析度，只會引起圖象質量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時想維持現有的圖象質量，就必須在至少維持單位像素麵積不減小的基礎上增大CCD的總面積。但目前更大尺寸CCD加工製造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來。

傳統CCD中的每個像素由一個二極體、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。 Super CCD採用蜂窩狀的八邊二極體，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸路徑即可，感光二極體就有更多的空間。 Super CCD在排列結構上比普通CCD要緊密，此外像素的利用率較高，也就是說在同一尺寸下， Super CCD的感光二極體對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態範圍都有所提高。

圖2 傳統CCD與Super CCD

那為什麼 Super CCD的輸出像素會比有效像素高呢？由於人眼對綠色較為敏感的特點(550nm正是黃綠色光)，CCD普遍使用G-B-R-G的方式來安排像素矩陣，也就是說用4個感光點來組成一個像素點，以求達到更好的效果。而 Super CCD通過改變像素之間的排列關係，做到了R、G、B像素相當，在合成像素時也是以三個為一組，合成一個像素。因此 Super CCD像素的利用率較傳統CCD高，生成的像素就多了。

Super CCD 簡史

1999 10.20 Super CCD I

Fujifilm成功研製了八角形光電二極體，而非使用矩形點陣列的傳統CCD，開創了擁有較大聚光區域的 Super CCD I，被國際權威機構授予了2001年度 Walter Kosonocky 獎。不過受當時生產工藝的限制，即Super CCD在理論上具有提高像素數量的優勢，但對最終結果影響不大。反倒是當時插值算法流行，大家都玩起了數字遊戲——用插值之後的像素值來標稱相機的最大解析度。例如早期的富士FinePix實際像素是240萬，但經過插值之後像430萬，但在實際使用中430萬像素雖然能夠提供更大的解析度，但噪點、清晰度方面明顯下降；調整到320萬像素時，使用Super CCD的相機能夠實現與普通320萬像素CCD數位相機相同的效果，遠遠高於240萬像素的其它數位相機。由此可見Super CCD特殊的排列方式對插值算法幫助很大。具體分析之後你會發現，Super CCD的蜂窩狀排列結構使得其成像單元在垂直以及水平方向上的距離都很近，所以能夠捕捉到縱向以及橫向上更多的視覺信息。在進行插值計算時，中間值由緊鄰的兩個像素計算得到，所以Super CCD就能“撿到”不小的便宜。當然這與人眼的生理特徵也有不小的關係，科學研究發現，人在觀察圖像時，對水平以及垂直方向上的變化十分敏感，而對於斜線方向上的變化相對遲鈍。所以第一代Super CCD的“投機取巧”也是有其必然道理在其中的。在第一Super CCD之，CCD開始不斷重視噪點控制與降噪技術的研發，第二代和第三代Super CCD就是在具體的電路控制方面不斷改進，在排列組合上並沒有更多新鮮的東西。

圖3 插值效果的對比

2003 1.22 Super CCD HR IV、Super CCD SR IV

Super CCD HR IV 使用先進的微型製造技術實現多像素性能，總像素達663萬像素，成為世界首家在1/1.7英寸CCD實現此性能的公司。同時，感光度設定範圍擴大到 ISO 80-800。可以通過插值輸出1230萬(4040 × 3040)的影像，如富士E550。動態範圍在原有感測器提高大約4倍。在漸變和質感表現力實現了近乎底片的效果。傳統的銀鹽膠片上存在著大小不同的感光顆粒(溴化銀為主，摻雜少量碘化銀及其它輔料)，它們的感光特性也不盡相同，對強光與弱光可以分開記錄，所以銀鹽膠片沖印出來的動態範圍就非常大。富士的工程師們從中得到啟發， 以底片結構的理念為基礎，他們在Super CCD SR的每個感光點上使用了一大一小兩種不同性能的感光單元——大的感光單元採用高靈敏度、窄動態範圍設計（S像素），小的單元則採用低靈敏度、大動態範圍的設計（R像素）。這樣在拍攝照片的時候S點負責捕捉畫面中較暗的部分，而R點負責捕捉較亮的部分，最後二者的信號經過DSP晶片的疊加處理，就可以讓照片的亮部細節與暗部細節都可以得到表現。Super CCD SR IV感光技術的問世讓SuperCCD在性能上又有了飛速的進步，不久之後富士又推出了 Super CCD SR II代技術。具體做法是將R感光單元與S感光單元相分離，較小的R感光單元放置在兩個S單元之間，如圖7所示。此舉的目的在於進一步提高圖像感測器的空間利用率，以達到更好的效果。

SR與SR II

2006 3.16 Super CCD HR V/VI

Super CCD HR V 在改善室內拍攝和昏暗拍攝場景上取得重大的成功。通過將專有的影像處理引擎“自然成像引擎”置入 FinePix F10，Fujifilm 成為首家實現 ISO 1600 超高感光度數位相機的公司，相機高感光度拍攝達630萬有效像素。此技術在裝配於FinePix F30 的 Super CCD HR VI 上得到進一步發展。Super CCD HR VI 技術廣受讚揚，相機曾被DIMA（數碼影像市場協會）授予“創新數碼產品獎”。

2009 2.4 Super CCD EXR

正如“肉眼根據明亮度調整解析度和感光度一樣”，新一代CCD經過Fujifilm的長期技術攻關，結合之前累積的技術經驗，正式問世。通過新型的色彩濾鏡矩陣和具有革命性意義的三種圖像捕捉技術，Fujifilm 數位相機開創了影像拍攝的新里程。通過三種模式的切換，實現了高解析度、寬動態範圍、高感光度和低噪點的卓越特性。

精細捕捉技術 所謂的“精細捕捉技術”實際上就是利用CCD的全部像素點來實現更大的像素數量。從圖4中我們可以看到Super CCD EXR改變了其內部一直以來的感光點排列結構，將所有的感光點按照旋轉45度的方式進行排列，人眼最敏感的綠色被排列成一條直線，而且紅色和藍色也兩兩組合在一起。可以說新的Super CCD EXR排列方式並沒有移動感光點，只是對濾色膜進行了處理，這樣在總方向上仍然可以保證三個感光點組成一個像素，同時在斜線方向上又加強了顏色的連貫性。再配合新一代RP影像處理，EXR技術能夠輕易將CCD像素提升到1200萬的水平。

圖4 像素排列的對比

雙重曝光控制 各位還記得前文中介紹的Super CCD SR裡面一大一小的感光單元嗎？新的EXR圖像感測器也有類似的功能，只不過不再使用一大一小兩種單元，而是將感光點分成兩個通道，如圖5所示。在工作時，光線會照射到CCD上，通過透鏡層進行匯聚，再經過濾色層分色，最後每個感光二極體根據光線強度的不同，產生數量不等的自由電荷，並暫存在旁邊的電路暫存器中。當曝光結束的時候，統計電路就會統計每一個感光點暫存器處的電荷數量多少。按照一行一行的順序，每個感光點暫存器裡面的電荷像“排隊體檢”一樣被釋放出來，經過電路放大，模擬信號轉成數位訊號，我們就知道了該處的信號值。

圖6 不同的曝光通道

在這裡，我們可以控制不同通道的曝光時間（也就是電荷積累的時間），使得一個通道用於捕捉高感光圖像（類似於以前的S像素），而另一個則用於捕捉寬動態圖像（類似與R像素）。兩道曝光結束之後，再將獲得的兩幅圖像按照一定的算法拼合在一起，就得到了兼具高感光度與寬動態範圍的圖片。

說到這裡有些朋友可能已經發現了，打開雙重捕捉技術之後，畫面的像素數量會比精細捕捉模式減少一半（1200萬像素的數位相機會輸出600萬像素的圖片），因為相A、B兩個像素之間捕捉的是同一個像素點。有些朋友會問，每個像素物理位置的差異不會造成重影嗎？的確是這樣的，這也是為什麼Super CCD EXR會採取傾斜45度來安排像素點的原因，因為在斜方向上人眼最不敏感，通過這種方式來降低雙重採集對照片的影響，事實上富士的工程師們也做到了。

圖5 不同通道的分布

像素聯合技術 我們知道傳統CCD提高ISO表現的方法是增加控制電路的增益，但是這么做的直接後果就是感光度增加了，但噪點也會大量出現。所以很多有經驗的攝影愛好者們都喜歡用低ISO來拍攝照片。

圖7 原先的像素聯合

為了的到低噪點和清晰的圖像，像素聯合的概念被引入——也就是說，DSP處理晶片將相鄰兩個像素得到的信號信息疊加起來，作為一個像素值，這樣就可以在不提高感光度的前提下獲得“虛擬意義”上的高感光度表現。 無論是傳統的CCD/CMOS，還是前幾代Super CCD技術都有一個共同的特性，那就是將紅、綠、藍三種顏色間隔排列，這樣一來就有一個問題——如果按照空間最近原則，我們要將兩個紅色像素融合在一起，中間就必須間隔一個藍色像素點或者綠色像素點。這樣做的後果就是造成像素之間的相互干擾，例如我們在拍攝某些紋理特別密集或者顏色過渡非常強烈的圖像時，就會出現中間色。從小的方面來說，這種像素聯合會造成圖像模糊，丟失一些細節信息；嚴重時甚至會出現紫邊現象，造成整張照片報廢。

圖8 EXR的像素聯合

現在富士的Super CCD EXR技術就很巧妙的克服了這個問題。大家可以注意到在新的Super CCD技術中，像素都是兩兩聯合的，也就是說紅-紅、藍-藍以及綠-綠在進行聯合時都不需要跨躍中間的像素點，而且斜方向45°的排列方式可以將相鄰的兩個同顏色感光單元的距離拉得非常近，這樣就可以很大程度地避免混色、紫邊問題的產生。與“雙重曝光控制”技術類似，“像素聯合”技術也是用一半的像素點來換取更高的圖像表現，在打開“雙重曝光控制”或者“像素聯合”技術之後，1200萬像素的數位相機只能夠輸出最高600萬像素的圖片。

最後需要大家注意的是，Super CCD EXR沒有辦法同時照顧到三種模式；換句話講，要“像素數量”還是要“圖像表現”全看你自己的喜好了。

2010 Super CCD接近尾聲

富士最後使用Super CCD感測器裝備F300EXR和Z800EXR相機。兩者都使用相同的1/2英寸一千二百萬像素的帶有混合型自動對焦系統Super CCD EXR感測器。相機採用傳統的對比檢測AF（Automatic Focus）和相位檢測AF，通過專用的像素來計算焦點。富士集團宣稱，該系統對焦速度能達到或超過數碼單眼相機的對焦速度。

2011 Super CCD終結

富士決定使用以傳統的方形拜耳顏色模式排列的感光器陣列及以富士的EXR彩色濾光片陣列模式排列的背照式（BSI）CMOS感測器代替Super CCD。例如在FinePix Z1010EXR上裝備的EXR CMOS、在FUJIFILM X-E1上裝備的X-Trans CMOS。這是便是Super CCD的結束。