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超級電荷耦合器 (Super CCD)

文:鄺大衡
特別鳴謝:攝影世界

像質素除取決於數碼相機的鏡頭外,其次的便是 CCD 了,CCD可算是數碼相機的靈魂。富士最新推出的數碼相機型號,計有 FinePix F601 、 FinePix S602 和 FinePix S2 Pro等,它們都採用了第三代 Super CCD 。到底新一代 Super CCD 如何提高影像質素呢?細看下文便自有分曉。

據該公司電子影像部要員永島先生稱,今次第三世代的 Super CCD 元件,比起舊有的大幅改良。它不單只是一面 CCD 元件,而且包括了訊號處理器在內,是技術層面上新的里程碑;並稱之為「 Super CCD Honeycomb 」。

第一代的 CCD 元件在基本構造方面打下了基礎,這世代的主要型號有 1/1.7 型配 240 萬像素的 CCD ,用於「 FinePix 4700Z 」;還有面積 23.3x15.6mm 、 340 萬像素的 CCD,用於單鏡機「 FinePix S1 Pro 」。隨之發展出的第二代加入了新的訊號處理器「 LSI 」,用於由有名的「保時捷設計所」設計的「 FinePix 6800Z 」,同是 1/1.7 型的 CCD 但有 330 萬像素,令感光度可大幅調低,訊噪比亦大為提高。這個時期數碼相機可以向 APS 菲林相機般細小的體積邁進。

現在第三代的 CCD 元件,雖然像素與第二代相同,但對訊號處理作出改良並投入了新規格。具體數字可在表1中反映出來。第一代的像素面積是 4.5um ,水平及垂直方向的像 pitch 3.18um;第二代像素面積 3.82um ,水平及垂直方向的像素 pitch 2.7um ,面積縮小了達 70% !像素粒子的間隔距離由 0.4um 至 0.3um ,這是粒子分隔範圍,再縮小就會將 photo diode 與垂直 CCD 的傳輸線路縮小產生抑制。第三代的基本構造與第二代相同,但感光度大幅改良,原因是將「 CCD 內部的微型鏡片」的特性提高。這樣又將第二代的感光度提高了 20-30% 。

CCD 混合水平及垂直像素
傳統 CCD元件的像素粒子是垂直排列的,而第三代 Super CCD 則是採用 45° 角排列(見下圖),形狀就像蜜蜂巢。由於斜線之間有間隙,為有利於訊號的處理,對這些間隙進行「 Honey comb處理」(補間處理),於是出現了一個反相像素,並與實際的像素組合形成被攝體的影像訊號。具體而言,F601 有效像素 310 萬,實際像素 301.5 萬,但記錄像素經過補間處理後就成為 603 萬 (2,832 x 2,128) ,這就是 CCD 內水平及垂直像素混合技術的成果。由於像素增加亦令電荷加大,電流量亦提昇,CCD 驅動的周波數必然上昇,令硬照和短片的解像度都提升,這就是第三代 Super CCD Honeycomb 的好處。第三代 CCD 還有的好處是增強三色的輸出電荷,例如水平及垂直排列的綠色像素,其左右及上下都是同色的,兩個串連可令訊號增強 2 倍,橫直相加就是四倍,訊噪比就成為 4 比 2 了。

Honeycomb 排列:像素粒子作蜂巢式排列提高訊號電荷輸出量;這就是經過「補間處理」的優點。

有利硬照的像素加算技術
F601 採用了「像素加算訊號處理」的第三代 Super CCD Honeycomb 元件,它的特點是記錄像素達到 2,832 x 2,128 枚。用於拍攝硬照時,採用 4 合 1 的方法,即四枚像素串連集成一個訊號,這個負載了影像訊號的輸出電壓就增強了四倍。經過像素加算訊號處理後,原有 ISO 200° 就提昇為 800° , 400° 就變成 1600° 了,但由於採用這方法,記錄像素就是1,280 x 960 了。說到配合短片方面的技術, VHS Video 要求是 640x480 像素,有 35 萬像素已經足夠,若將 310 萬像素的訊號全部壓縮,將短片的畫質大幅提高絕無問題。看來富士的第三代 Super CCD Honeycomb 將令數碼相機的畫質大幅提高,並向傳統菲林的畫質水平邁進一大步呢!

 
 
第一代 4.5umCCD
第二代 3.8umCCD
第三代 3.8umCCD
面積
9.45 x 7.80mm
總像素量 2.47M 3.33M 3.33M
有效像素 2.30M 3.04M 3.04M
Honeycomb處理後 4.60M 6.08M 6.08M
Pitch大小 4.52um 3.82um 3.82um
間隙 3.2um 2.7um 2.7um
影像範圍 7.94 (H) x 5.96 (V) mm 7.69 (H) x 6.76 (V) mm 7.69 (H) x 6.76 (V) mm
飽和電壓 700mV 700mV 700mV (推定)
G感度 340mV 306mV 370mV (推定)
訊噪 71dB 70dB 70dB (推定)
驅動周波 16.36MHz 24.54MHz 24.54MHz (推定)


CCD 內水平及垂直像素的混合

CCD 元件內像素作水平及垂直的混合,上下各層互相配合令訊號加強 4 倍,而訊噪比達到 2 倍。反觀普通的 CCD 元件像粒排列是三色互相間隔,電路不能串連令訊號輸出薄弱,色度及亮度都打了折扣。

像素加算訊號處理

這種技術是將所有訊號加在一起的方法,就是將近數像素的數值加在一起,目的是增加相同訊號的輸出電壓,上下左右四點加在一起訊號電壓就大了四倍,有利提高畫面。

像素加算技術的效果

像素加算技術的優點是在暗弱的環境時 LCD 屏會較明亮。拿 6800Z 來比較在理論上是 ISO 感光度提高了兩倍,觀看時亦較舒服。

留意 FinePix 6800Z LCD屏的亮度

留意 FinePix F601 LCD 屏的亮度