超級CCD的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

一、概述

在人的眼睛里，當(dāng)光線穿過角膜和晶狀體在視網(wǎng)膜上形成影像后，影像會被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號經(jīng)視神經(jīng)傳送到大腦，大腦最終會識別這些信息，這就是視覺成像的過程。數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)與人眼的結(jié)構(gòu)十分相似，鏡頭相當(dāng)于眼球，CCD就象視網(wǎng)膜，而LSI信號處理器起著大腦的作用。這其中，視網(wǎng)膜是決定接收到的圖像的質(zhì)量好壞與否的關(guān)鍵部件，相對應(yīng)地，數(shù)碼相機(jī)中的CCD也是數(shù)碼相機(jī)的核心組成部分。

CCD作為圖像傳感器，已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等圖像處理領(lǐng)域。但CCD的工作性能與其單位面積上的感光像素始終存在著一種固有的矛盾，這就是，一方面要確保CCD的工作性能，單位面積上CCD像素數(shù)就不能無限增加，因為單位面積像素數(shù)越多，意味著像素尺寸越小，導(dǎo)致感光度降低、信噪比下降、動態(tài)范圍減小，影響其性能；而另一方面，為了提高CCD的工作性能，如提高CCD的分辨率、動態(tài)范圍等，又需要增加CCD的像素數(shù)，因此只能通過增大CCD的面積來提高CCD的性能。但是增大CCD的面積雖然可以增加像素數(shù)，卻會導(dǎo)致CCD的制造成本劇增，顯然也不是一個行之有效的解決辦法。因此只有突出傳統(tǒng)CCD的思路，改變CCD的設(shè)計結(jié)構(gòu)，才能從根本上提高CCD的工作性能，滿足現(xiàn)代攝像攝影對CCD更高的要求。

人眼視網(wǎng)膜由一億二千六百萬個左右的視覺細(xì)胞組成，其中一億二千萬個左右細(xì)胞在黑暗時工作，而其它六百萬個細(xì)胞在明亮?xí)r工作，并能對顏色做出反應(yīng)。盡管這些細(xì)胞以鑲嵌的方式均勻分布在視網(wǎng)膜表面，但是在水平軸和垂直軸上的高頻信息感光度要比在45°對角線上高得多。通過對數(shù)百個自然景色的平均空間頻率特性進(jìn)行分析后可知，這是因為地心引力把空間頻率的功率都集中在水平和垂直的方向，而45°對角線上功率最低的緣故。因此，為了更有效地捕獲視覺信息，我們的眼睛在水平和垂直方向上就較為靈敏^{[1]CCD正是巧妙地借用了人眼的這一工作機(jī)理和圖像在信息空間頻率的分布特點，擺脫傳統(tǒng)CCD設(shè)計思想的束縛，使得CCD的工作性能得到了極大的提高。}。超級

二、超級CCD基本原理

上面提到，在圖像信息處理過程中，由于地球引力等因素的影響，圖像信息空間頻率的功率主要聚集于水平軸、垂直軸，而45°對角線上功率最低。超級CCD利用這一特點，放棄了普通CCD中所廣泛采用的矩形光電二極管，而代之以較大的八角形光電二極管，同時也改變了普通CCD

像素的排列結(jié)構(gòu)，在像素之間采用蜂窩狀的排列方式（如圖1所示）。八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列大大改善了每個像素單元中的光電二極管的空間有效性，相對于有同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信號噪聲比和更廣泛的動態(tài)范圍。下面從像素的形狀以及像素的排列結(jié)構(gòu)兩方面對超級CCD的基本原理及主要特點進(jìn)行介紹。

1、像素的幾何形狀

普通CCD各像素由光電二極管、控制信號通道、電荷傳輸通道組成，要提高圖像質(zhì)量就需增加像素數(shù)，但光電二極管矩形外形限制了像素數(shù)的增加。盡管減小像素尺寸能增加像素數(shù)，但像素尺寸和二極管面積的縮小必然降低光吸收效率，不利于提高感光度、信噪比、動態(tài)范圍。而且，矩形狀二極管采用圓形微透鏡，這種不同形狀的組合也會降低光吸收效率。

超級CCD取消了控制信號通路，并利用多余空間增加光電二極管感光面積，擴(kuò)充的面積相當(dāng)于傳統(tǒng)CCD二極管的2倍。同時，用新型大八角性二極管取代傳統(tǒng)CCD矩形狀管，使像素空間效率顯著提高，密度達(dá)到最大，極大增加了感光度。超級CCD八角形光電二極管非常接近微透鏡的圓形，有效面積的增加大大提高了光吸收效率。經(jīng)過上述處理，超級CCD會把無助于圖像記錄的空間減少到最低限度，并顯著提高光吸收效率，使感光度、信噪比、色彩再現(xiàn)性都得到改善、動態(tài)范圍亦會擴(kuò)大，圖像質(zhì)量大為提高^[2]。

2、像素的排列結(jié)構(gòu)

在像素的排列結(jié)構(gòu)上，普通CCD像素排列呈矩形，像素間水平、垂直距離比像素本身對角線長，這種結(jié)構(gòu)使CCD在像素對角線方向獲得好的圖像質(zhì)量。但是根據(jù)人眼的工作機(jī)理，水平軸、垂直軸方向的分辨率才是影響CCD分辨率的關(guān)鍵，對角線高頻特性損失對圖像質(zhì)量影響極小。顯然，普通CCD矩陣排列限制了有效面積中提升分辨率的能力。

超級CCD不僅改變CCD像素的形狀，而且改變CCD像素的排列結(jié)構(gòu)。如圖2所示，超級CCD將CCD像素（八角形光電二極管）按45°排列為蜂窩狀，使像素間水平、垂直距離比像素本身對角線距離短，這種更符合人類視覺特點的結(jié)構(gòu)不但有效提高封裝密度，同時，由于垂直軸上間隙較大，其垂直、水平方向分辨率也會高于對角線分辨率。

超級CCD這種排列結(jié)構(gòu)，感光時可達(dá)到傳統(tǒng)CCD兩倍分辨率，而相同數(shù)量感光單元，則產(chǎn)生相當(dāng)于傳統(tǒng)CCD 1.6倍的影像。這樣，190萬像素超級CCD圖像質(zhì)量與300萬像素普通CCD相當(dāng)。體現(xiàn)在圖像質(zhì)量上就是超級CCD這種結(jié)構(gòu)既顯著提高靈敏度、信噪比，又具有更高動態(tài)范圍，產(chǎn)生的圖像具有更豐富、更逼真的色彩和清晰度^[3]。

三、超級CCD關(guān)鍵技術(shù)

1、視頻輸出讀取方式

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，因為讀出所有垂直行要花太長的時間并減慢視頻率，但這造成了影像質(zhì)量的不可避免的降低。同時，因為所有的像素都必須水平讀出，其視頻率就會很慢。還有一個問題，即每一水平行只有G、B像素或R、G像素，為了產(chǎn)生每個像素必需的RGB彩色信號，必須讀出相鄰兩行，這也是會造成視頻輸出的延時。

而超級CCD進(jìn)行視頻輸出時，其跳躍讀出不再局限于垂直軸，在兩個方向上都可以，這是獲得高質(zhì)量視頻輸出的關(guān)鍵。另外，超級CCD在每一水平行上都有RGB信號，從而解決了普通CCD所無法解決的難題^{[4]CCD的垂直跳躍讀出可以按1/2、1/3或者任何其它比率進(jìn)行，也可以進(jìn)行水平1/3跳躍讀出，使獲得高質(zhì)量的、每秒30幀全動視圖像成為可能。}。根據(jù)像素總數(shù)的不同，超級

2、單一電子快門

普通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(jī)械遮光器，分兩步讀出像素。

超級CCD各像素的光電二極管有四個包，構(gòu)造相對簡單且電荷傳輸通道足夠?qū)?，每個像素都可以一步讀出，能實現(xiàn)二極管所形成電荷的高速傳輸。這種結(jié)構(gòu)使所有像素的數(shù)據(jù)能一次讀出，因此，只需一個電子快門。這樣，不但有效提高像素數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，而且具有快速準(zhǔn)確連續(xù)拍攝功能的潛在能力。

3、其它關(guān)鍵技術(shù)

普通CCD提高CCD感光度的同時，噪聲隨之增加，影響器件性能指標(biāo)。而超級CCD用硬件控制取代普通CCD的軟件控制方式以提高感光度，能有效降低感光噪聲，信噪比得到顯著提高，圖像質(zhì)量也得到明顯改善。超級CCD還通過像素加算信號處理技術(shù)（CCD處理信號得到像素數(shù)的基礎(chǔ)上加算4像素），提高光感度，減低顏色和光亮度的干擾，使圖像更清晰。同時，在采用超級CCD芯片的產(chǎn)品中運用自動曝光技術(shù)AE和自動白色平衡技術(shù)AWB，對色彩再現(xiàn)和明亮度進(jìn)行最佳控制，對目標(biāo)進(jìn)行平衡再現(xiàn)，使圖像質(zhì)量大幅度提高。

上述技術(shù)的運用，使超級CCD性能指標(biāo)有質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)為：
（1）分辨率顯著提高。獨特的像素45°蜂窩狀排列，配合大規(guī)模集成電路LSI作為信號處理器，使超級CCD分辨率比傳統(tǒng)CCD高60％；
（2）感光度、信噪比、動態(tài)范圍明顯改善。二極管光吸收效率的提高使這些指標(biāo)明顯改善。在300萬像素時，這些指標(biāo)會提升130％，且高光部分層次更豐富；
（3）彩色還原能力提高。由于信噪比提高，采用專門LSI信號處理器，彩色還原能力提高50％^[5]。

四、超級CCD色彩處理

從本質(zhì)上講，CCD是不能感知光線的色彩(也就是光線的頻率)的，其感光單元只能感知光線的強(qiáng)弱。對于黑白CCD而言，每個感光單元形成一個像素，記錄下光值來就可以了。要記錄彩色圖像，問題就復(fù)雜了，人們通過在CCD感光單元前面加彩色濾鏡的方法來解決色彩的處理問題，使一個感光單元，記錄某種色彩的亮度。這樣，感光單元與圖像像素不再一一對應(yīng)，濾色鏡如何排列、信號如何綜合成彩色圖像就成了相當(dāng)重要的問題。

傳統(tǒng)彩色CCD感光單元及濾色鏡的排列是方形的，以G-R-G-B型CCD為例，如圖3（a）所示，在進(jìn)行信號處理時，由a-b-g-h四點計算出一個RGB值，作為一個像素記錄下來，同時，b-c-h-I，g-h-m-n，h-i-n-o又各計算出一個像素，可以簡單的理解為4個感光單元的中心點構(gòu)成一個“像素點”，這樣，每個感光單元的光值都是復(fù)用的，使用了4次（邊緣部位除外）。由于復(fù)用，每4個感光單元計算出4個像素，這就是200萬像素（嚴(yán)格的說是200萬感光單元）的CCD分成4類顏色（兩個綠色算兩類），仍產(chǎn)生200萬像素的圖像的原因。

感光單元呈方形排列的一個問題就是，無論怎樣排列組合，都不能均勻排列，每個“像素點”周圍的色彩都有重復(fù)，不能使三個單色的感光單元正好形成一個像素，造成了感光單元的浪費。C-Y-G-M型CCD雖使用了均勻排列的4種顏色，仍是4個感光單元計算出一個像素的RGB值。而超級CCD正是解決了這個問題，其上感光單元的排列是交叉的，這樣，在排布濾色鏡時就可以均勻排列（如圖3（b）所示）。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，g-b-h三點計算出一個RGB值，作為一個像素記錄下來，同時，b-c-h，c-i-h，i-n-h，m-n-h，g-m-h又各計算出一個像素，即每三個感光單元的中心構(gòu)成一個“像素點”。這種計算方法，每個感光單元的光值復(fù)用了6次，感光單元又只有3類，所以，雖然感光單元沒有增加，產(chǎn)生的像素數(shù)卻多了一倍。240萬個感光單元，舍棄無效數(shù)據(jù)后，仍能夠生成615萬個有效像素，這就是“超級”CCD與在色彩處理上與傳統(tǒng)CCD不同所在。

正像CCD的物理分辨率不能完全代表CCD的成像質(zhì)量一樣，無論何種計算方法，都不能完全說明CCD孰優(yōu)孰劣，影響成像質(zhì)量的因素還很多。每個感光單元感光時的噪音干擾、電源干擾、數(shù)據(jù)隨機(jī)分散性、濾色鏡的色純度等等，都會影響成像的質(zhì)量，這需要專門的電路設(shè)計、材料設(shè)計以及工藝控制來解決，不是排列和計算問題所能完全概括的。但無論怎樣，超級CCD中構(gòu)成每個“像素點”的三個感光單元恰好是不同的三個原色，提高了感光單元的利用率，應(yīng)該說是一個不小的進(jìn)步^[6]。

五、結(jié)束語

超級CCD開發(fā)給諸多領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇，首推這項技術(shù)的富士公司更是不遺余力將其應(yīng)用于產(chǎn)品。當(dāng)然，這種技術(shù)是否真正能提高分辨率還有待研究。實際使用證明，超級CCD最大分辨率時圖像質(zhì)量沒有標(biāo)稱的好。如Fine Pix-40i實際像素為240萬，用超級CCD技術(shù)處理后提升至432萬。但即使是最高圖像模式，除色彩還原較艷麗外，仍可在輸出圖像細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn)明顯噪音，圖像解晰力亦略模糊，不符合430萬像素時應(yīng)有的高分辨率。一般認(rèn)為，超級CCD像素利用率較普通CCD高33％，因此輸出像素也應(yīng)比傳統(tǒng)CCD高33％。即240萬像素普通CCD采用該技術(shù)處理后，實際輸出像素為320萬。

同時，CCD也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。除CCD外，互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS、接觸式圖像傳感器CIS、光學(xué)倍增管PMT等均是目前流行的感光器件。特別是新一代CMOS器件靈敏度、信噪比、動態(tài)范圍等主要性能指標(biāo)均顯著提高，其低廉的價格、簡單的外圍電路尤其具有競爭力?？梢韵嘈?，隨著技術(shù)發(fā)展，在影像市場將不斷推出性能更優(yōu)異產(chǎn)品，滿足日益提高的要求^{[7]參考文獻(xiàn)：}。

[1] CCD與超級CCD:兩個時代間的差異[DB/OL]. http://www.pconline.com.cn/market/sh/shoppingguide/changshang/10212/117446.html
[2] Fujifilm Digital Inc. Super CCD Technology [DB/OL].http://www.fujifilm. o.nz//superccd.htm,2001-06-24
[3] Fujifilm Technology Inc. FinePix Super CCD Technology [DB/OL].http://fuji-s1pro.com/superccd.thm,2001-06-24
[4] Fujifilm Digital Inc. Super CCD Technology [DB/OL]. http://www.fujifilm.co.nz//superccd.htm,2001-06-24
[5] 富士數(shù)碼影像網(wǎng).Super CCD技術(shù) [DB/OL]. http://www.finepix.com.cn/superccd/jsgn.htm,2001-12-09
[6] 富士第四代超級CCD的奧秘·http://www.dpnet.com.cn /school/
[7] 尤天.超級CCD優(yōu)劣考 [DB/OL]. http://hardware. pchome.net/2002/10 /16/2476.htm,2001-10-16.

Fundamental And Key Technology Of Super CCD

Abstract:Super CCD is a kind of new-type image sensor that is introduced recently. On the basis of the mechanism research of eyes vision formed and the characteristic of image information space frequency distribution, the performance of super CCD is sharply improved adopting octangle photoelectrical diodes and changing CCD units arrangement, etc. The fundamental and key technology of super CCD are further researched and discussed by comparison with traditional CCD, and its application is introduced in this paper.

Keywords:；rectangle unit；alveolate arrangement；resolution；singnal/nosie ratio；dynamic rangesuper CCD

作者簡介：

楊博雄，博士研究生，高級工程師，中國地震局地震研究所地殼運動與地球觀測實驗室，主要從事大地觀測與精密光電檢測的研究工作。
通訊地址：武漢武昌洪山側(cè)路40＃ 郵編：430071
電話：027－87863954 E-mail:ybxemail@sina.com
肖鶯，講師，湖北咸寧學(xué)院，主要從事光電技術(shù)的實驗與教學(xué)工作。
通訊地址：湖北咸寧學(xué)院 郵編：437005
E-mail:ceticn@163.net