超级CCD的基本原理与关键技术
摘要：超级ccd是新近推出的一种新型的图像传感器，在充分研究人眼视觉形成的工作机理和图像信息空间频率分布特点的基础上，配合其它光电信息处理技术，通过采用八角形光电二极管以及改变ccd像素排列结构等独特的设计思想，使得ccd在动态范围、分辨率、感光度、色彩处理等方面都得到了显著的提高。本文对超级ccd与传统ccd进行细致的分析和比较，深入研究和探讨了超级ccd的基本原理和关键技术，并结合实际对超级ccd的应用进行了介绍。
关键词：超级ccd；矩形像素；蜂窝排列；分辨率；信噪比；动态范围
一、概述
在人的眼睛里，当光线穿过角膜和晶状体在视网膜上形成影像后，影像会被转化为神经信号经视神经传送到大脑，大脑最终会识别这些信息，这就是视觉成像的过程。数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似，镜头相当于眼球，ccd就象视网膜，而lsi信号处理器起着大脑的作用。这其中，视网膜是决定接收到的图像的质量好坏与否的关键部件，相对应地，数码相机中的ccd也是数码相机的核心组成部分。
ccd作为图像传感器，已广泛应用于数码相机、数码摄像机等图像处理领域。但ccd的工作性能与其单位面积上的感光像素始终存在着一种固有的矛盾，这就是，一方面要确保ccd的工作性能，单位面积上ccd像素数就不能无限增加，因为单位面积像素数越多，意味着像素尺寸越小，导致感光度降低、信噪比下降、动态范围减小，影响其性能；而另一方面，为了提高ccd的工作性能，如提高ccd的分辨率、动态范围等，又需要增加ccd的像素数，因此只能通过增大ccd的面积来提高ccd的性能。但是增大ccd的面积虽然可以增加像素数，却会导致ccd的制造成本剧增，显然也不是一个行之有效的解决办法。因此只有突出传统ccd的思路，改变ccd的设计结构，才能从根本上提高ccd的工作性能，满足现代摄像摄影对ccd更高的要求。
人眼视网膜由一亿二千六百万个左右的视觉细胞组成，其中一亿二千万个左右细胞在黑暗时工作，而其它六百万个细胞在明亮时工作，并能对颜色做出反应。尽管这些细胞以镶嵌的方式均匀分布在视网膜表面，但是在水平轴和垂直轴上的高频信息感光度要比在45°对角线上高得多。通过对数百个自然景色的平均空间频率特性进行分析后可知，这是因为地心引力把空间频率的功率都集中在水平和垂直的方向，而45°对角线上功率最低的缘故。因此，为了更有效地捕获视觉信息，我们的眼睛在水平和垂直方向上就较为灵敏[1]。超级ccd正是巧妙地借用了人眼的这一工作机理和图像在信息空间频率的分布特点，摆脱传统ccd设计思想的束缚，使得ccd的工作性能得到了极大的提高。
二、超级ccd基本原理
 上面提到，在图像信息处理过程中，由于地球引力等因素的影响，图像信息空间频率的功率主要聚集于水平轴、垂直轴，而45°对角线上功率最低。超级ccd利用这一特点，放弃了普通ccd中所广泛采用的矩形光电二极管，而代之以较大的八角形光电二极管，同时也改变了普通ccd
像素的排列结构，在像素之间采用蜂窝状的排列方式（如图1所示）。八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性，相对于有同样数量像素的传统ccd而言，它有更高的灵敏度、更高的信号噪声比和更广泛的动态范围。下面从像素的形状以及像素的排列结构两方面对超级ccd的基本原理及主要特点进行介绍。
1、像素的几何形状
普通ccd各像素由光电二极管、控制信号通道、电荷传输通道组成，要提高图像质量就需增加像素数，但光电二极管矩形外形限制了像素数的增加。尽管减小像素尺寸能增加像素数，但像素尺寸和二极管面积的缩小必然降低光吸收效率，不利于提高感光度、信噪比、动态范围。而且，矩形状二极管采用圆形微透镜，这种不同形状的组合也会降低光吸收效率。
超级ccd取消了控制信号通路，并利用多余空间增加光电二极管感光面积，扩充的面积相当于传统ccd二极管的2倍。同时，用新型大八角性二极管取代传统ccd矩形状管，使像素空间效率显著提高，密度达到最大，极大增加了感光度。超级ccd八角形光电二极管非常接近微透镜的圆形，有效面积的增加大大提高了光吸收效率。经过上述处理，超级ccd会把无助于图像记录的空间减少到最低限度，并显著提高光吸收效率，使感光度、信噪比、色彩再现性都得到改善、动态范围亦会扩大，图像质量大为提高[2]。
2、像素的排列结构
在像素的排列结构上，普通ccd像素排列呈矩形，像素间水平、垂直距离比像素本身对角线长，这种结构使ccd在像素对角线方向获得好的图像质量。但是根据人眼的工作机理，水平轴、垂直轴方向的分辨率才是影响ccd分辨率的关键，对角线高频特性损失对图像质量影响极小。显然，普通ccd矩阵排列限制了有效面积中提升分辨率的能力。
超级ccd不仅改变ccd像素的形状，而且改变ccd像素的排列结构。如图2所示，超级ccd将ccd像素（八角形光电二极管）按45°排列为蜂窝状，使像素间水平、垂直距离比像素本身对角线距离短，这种更符合人类视觉特点的结构不但有效提高封装密度，同时，由于垂直轴上间隙较大，其垂直、水平方向分辨率也会高于对角线分辨率。
超级ccd这种排列结构，感光时可达到传统ccd两倍分辨率，而相同数量感光单元，则产生相当于传统ccd 1.6倍的影像。这样，190万像素超级ccd图像质量与300万像素普通ccd相当。体现在图像质量上就是超级ccd这种结构既显著提高灵敏度、信噪比，又具有更高动态范围，产生的图像具有更丰富、更逼真的色彩和清晰度[3]。
三、超级ccd关键技术
1、视频输出读取方式
 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，因为读出所有垂直行要花太长的时间并减慢视频率，但这造成了影像质量的不可避免的降低。同时，因为所有的像素都必须水平读出，其视频率就会很慢�；褂幸桓鑫侍猓疵恳凰叫兄挥�g、b像素或r、g像素，为了产生每个像素必需的rgb彩色信号，必须读出相邻两行，这也是会造成视频输出的延时。
而超级ccd进行视频输出时，其跳跃读出不再局限于垂直轴，在两个方向上都可以，这是获得高质量视频输出的关键。另外，超级ccd在每一水平行上都有rgb信号，从而解决了普通ccd所无法解决的难题[4]。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，使获得高质量的、每秒30帧全动视图像成为可能。
2、单一电子快门
普通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各像素的光电二极管有四个包，构造相对简单且电荷传输通道足够宽，每个像素都可以一步读出，能实现二极管所形成电荷的高速传输。这种结构使所有像素的数据能一次读出，因此，只需一个电子快门。这样，不但有效提高像素数据传输速度和精度，而且具有快速准确连续拍摄功能的潜在能力。
3、其它关键技术
普通ccd提高ccd感光度的同时，噪声随之增加，影响器件性能指标。而超级ccd用硬件控制取代普通ccd的软件控制方式以提高感光度，能有效降低感光噪声，信噪比得到显著提高，图像质量也得到明显改善。超级ccd还通过像素加算信号处理技术（ccd处理信号得到像素数的基础上加算4像素），提高光感度，减低颜色和光亮度的干扰，使图像更清晰。同时，在采用超级ccd芯片的产品中运用自动曝光技术ae和自动白色平衡技术awb，对色彩再现和明亮度进行最佳控制，对目标进行平衡再现，使图像质量大幅度提高。
上述技术的运用，使超级ccd性能指标有质的飞跃。主要表现为：
（1）分辨率显著提高。独特的像素45°蜂窝状排列，配合大规模集成电路lsi作为信号处理器，使超级ccd分辨率比传统ccd高60％；
（2）感光度、信噪比、动态范围明显改善。二极管光吸收效率的提高使这些指标明显改善。在300万像素时，这些指标会提升130％，且高光部分层次更丰富；
（3）彩色还原能力提高。由于信噪比提高，采用专门lsi信号处理器，彩色还原能力提高50％[5]。
四、超级ccd色彩处理
从本质上讲，ccd是不能感知光线的色彩(也就是光线的频率)的，其感光单元只能感知光线的强弱。对于黑白ccd而言，每个感光单元形成一个像素，记录下光值来就可以了。要记录彩色图像，问题就复杂了，人们通过在ccd感光单元前面加彩色滤镜的方法来解决色彩的处理问题，使一个感光单元，记录某种色彩的亮度。这样，感光单元与图像像素不再一一对应，滤色镜如何排列、信号如何综合成彩色图像就成了相当重要的问题。
传统彩色ccd感光单元及滤色镜的排列是方形的，以g-r-g-b型ccd为例，如图3（a）所示，在进行信号处理时，由a-b-g-h四点计算出一个rgb值，作为一个像素记录下来，同时，b-c-h-i，g-h-m-n，h-i-n-o又各计算出一个像素，可以简单的理解为4个感光单元的中心点构成一个“像素点”，这样，每个感光单元的光值都是复用的，使用了4次（边缘部位除外）。由于复用，每4个感光单元计算出4个像素，这就是200万像素（严格的说是200万感光单元）的ccd分成4类颜色（两个绿色算两类），仍产生200万像素的图像的原因。
感光单元呈方形排列的一个问题就是，无论怎样排列组合，都不能均匀排列，每个“像素点”周围的色彩都有重复，不能使三个单色的感光单元正好形成一个像素，造成了感光单元的浪费。c-y-g-m型ccd虽使用了均匀排列的4种颜色，仍是4个感光单元计算出一个像素的rgb值。而超级ccd正是解决了这个问题，其上感光单元的排列是交叉的，这样，在排布滤色镜时就可以均匀排列（如图3（b）所示）。在进行数据处理时，g-b-h三点计算出一个rgb值，作为一个像素记录下来，同时，b-c-h，c-i-h，i-n-h，m-n-h，g-m-h又各计算出一个像素，即每三个感光单元的中心构成一个“像素点”。这种计算方法，每个感光单元的光值复用了6次，感光单元又只有3类，所以，虽然感光单元没有增加，产生的像素数却多了一倍。240万个感光单元，舍弃无效数据后，仍能够生成615万个有效像素，这就是“超级”ccd与在色彩处理上与传统ccd不同所在。
正像ccd的物理分辨率不能完全代表ccd的成像质量一样，无论何种计算方法，都不能完全说明ccd孰优孰劣，影响成像质量的因素还很多。每个感光单元感光时的噪音干扰、电源干扰、数据随机分散性、滤色镜的色纯度等等，都会影响成像的质量，这需要专门的电路设计、材料设计以及工艺控制来解决，不是排列和计算问题所能完全概括的。但无论怎样，超级ccd中构成每个“像素点”的三个感光单元恰好是不同的三个原色，提高了感光单元的利用率，应该说是一个不小的进步[6]。
五、结束语
超级ccd开发给诸多领域带来新的机遇，首推这项技术的富士公司更是不遗余力将其应用于产品。当然，这种技术是否真正能提高分辨率还有待研究。实际使用证明，超级ccd最大分辨率时图像质量没有标称的好。如fine pix-40i实际像素为240万，用超级ccd技术处理后提升至432万。但即使是最高图像模式，除色彩还原较艳丽外，仍可在输出图像细节发现明显噪音，图像解晰力亦略模糊，不符合430万像素时应有的高分辨率。一般认为，超级ccd像素利用率较普通ccd高33％，因此输出像素也应比传统ccd高33％。即240万像素普通ccd采用该技术处理后，实际输出像素为320万。
同时，ccd也面临严峻挑战。除ccd外，互补金属氧化物半导体cmos、接触式图像传感器cis、光学倍增管pmt等均是目前流行的感光器件。特别是新一代cmos器件灵敏度、信噪比、动态范围等主要性能指标均显著提高，其低廉的价格、简单的外围电路尤其具有竞争力�？梢韵嘈牛孀偶际醴⒄�，在影像市场将不断推出性能更优异产品，满足日益提高的要求[7]。
参考文献：
[1] ccd与超级ccd:两个时代间的差异[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] 富士数码影像网.super ccd技术 [db/ol]. http://www.finepix.com.cn/superccd/jsgn.htm,2001-12-09
[6] 富士第四代超级ccd的奥秘·http://www.dpnet.com.cn /school/
[7] 尤天.超级ccd优劣考 [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: super ccd；rectangle unit；alveolate arrangement；resolution；singnal/nosie ratio；dynamic range
作者简介：
杨博雄，博士研究生，高级工程师，中国地震局地震研究所地壳运动与地球观测实验室，主要从事大地观测与精密光电检测的研究工作。
通讯地址：武汉武昌洪山侧路40＃ 邮编：430071
电话：027－87863954 e-mail:ybxemail@sina.com
肖莺，讲师，湖北咸宁学院，主要从事光电技术的实验与教学工作。
通讯地址：湖北咸宁学院 邮编：437005
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