CCD技术大盘点——从富士SUPER CCD谈起

     数码时代，民众对于数码相机产品的热情达到了空前的高度，回想起3-4年前到一些热门的景点去看，大多数的旅游者手里的拍摄设备除了刚刚开始流行的拍照手机，就是各色的胶片相机了，无论是傻瓜相机或是稍专业一些的具备变焦功能的胶片相机，都可以让大家对拍摄“到此一游”照片乐此不疲。
     无论是大家对数码影像产品的接受程度，还是借着奥运会的春风更新一下自己手中的拍摄设备，都让各类卖场里的数码相机销售很是火爆。大家在享受着数码影像带来的便利的同时，也是会有一部分的消费者提升了自己的影像知识，发觉到自己手中的相机的一些不是很完美的地方，比如说画面质量。除了相机的重要光学组件的镜头素质外，还有一个最重要的就是数码相机的核心部件——图像传感器，其素质直接影响到照片的画面质量，所以很有必要来探讨一下。
一、数码相机的核心部件图像传感器介绍
图像传感器的类别
在开始介绍图像传感器之前，还是先向大家介绍一下当今图像传感器的分类，与之前的CCD领衔、CMOS逐渐渐入佳境的情况不同的是，现在的民用数码相机的图像传感器已经被分为了几类，分别为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）、适马倡导的Foveon X3、4/3联盟的Live MOS等，但大部分数码相机里装备还是CCD传感器，只有比较专业的数码单反相机才会装备高素质的CMOS传感器。所以在本文中，我们所讲述的电荷耦合元件图像传感器会被简称为“CCD”。
图像传感器存在于数码相机中的意义

构成图像的主要三个部件示意图

    无论是CCD还是CMOS等类别的图像传感器的作用只有一个，就是记录透过镜头的光线，把这些光线转化为带电粒子——电荷，然后通过模数转换器也就是我们常说的影像处理器转化成数字信号，然后存储在闪存卡等介质上，这个相当于传统相机中“胶卷”的地位。
    一般常见的消费级数码相机的画面比例都是4：3，也有极个别的采用了16：9的宽幅设计，这样可以使画面尽可能的接近传统照片的比例，以便更容易让用户接受。
二、CCD同数码相机成像质量的关系
设计和制造上的
    截止到2008年，仍然在继续生产消费级数码相机CCD的厂商就不外乎索尼、富士、三洋、夏普、松下、三星和柯达等，掌握了CCD制造技术，就相当于是能够控制数码相机的核心，可以根据市场的需求出品适合的CCD产品。
    制造的厂商一多，难免就会有各种设计和制造上的差异，其实这个基本和具体的CCD产品定位有关系，我们也不能一概而论的就说某个厂商的CCD产品不如别人的，但从各自的定位来看，我们还是能够分析出各家CCD的特点：
索尼：大而全的图像传感器设计和生产商，早年遭遇大范围的“CCD门”事件，但毕竟家大业大，所幸没有造成巨大的损伤；
富士：另辟蹊径的采用蜂窝状排列的CCD设计，走中高端路线；
三洋和夏普：虽然不是一家公司，但它们在影像方面主要是靠CCD制造来维持，所针对的产品也以中低端为主；
    松下、三星和柯达也都是一直坚持图像传感器的研发制造，产品也都是各有特色，特别是柯达，以严谨的色彩还原闻名。
CCD尺寸和成像质量

CCD尺寸比对

    CCD这个采集光线的电子元件，很大程度上决定了相机的成像质量，当你需要把看到的景物真实记录下来的时候， CCD的关键性显而易见，其实CCD的好坏可以从下面几点看出来：CCD尺寸、实际有效像素、单位像素密度和透光率、灵敏度和信噪比。
    CCD尺寸是最终成像品质的一个比较重要的条件，在理论条件小，同样分辨率的CCD，尺寸大的表现会优于小尺寸的，现在常见的CCD尺寸有1/2.5英寸、1/1.8英寸、1/1.7英寸、1/1.6英寸等，像高阶的型号会使用更大的2/3英寸的CCD。
     实际有效像素，就是大家常说的像素值了，这个虽说在现在已经不是特别重要了，500-600万像素也是完全可以满足一般消费者的需求了，但有点要肯定的是，随着技术的进步，1000万乃至更好像素的CCD在制造工艺上已经不能与之前200-300万像素时代同日而语了，分辨率的提升对画质的提升也是有很大的帮助的。
    单位像素密度和采光率，这个也牵扯到CCD尺寸的问题，在目前技术下，单位像素的采光率，也就是光线可以覆盖到每个像素上的时候，受光面积越大，所得到的感应就越多，就可以获得更好的画面细节；本来密度和采光率就是一个矛盾点，但部分厂商先进的技术也是可以平衡两者的关系——比如可以改进制造工艺，在生产CCD的时候，使用算法更科学的微透镜，也是可以在很大程度上抵消单位像素面积的减小而带来的负面影响。
    当然了，可能大家在购买数码相机产品的时候，无法从媒体或厂商的资料中得到这么多的信息，但可以主要注意一下CCD的大小和所采用的技术。
镜头、影像处理器和CCD的匹配
    在数码相机中，CCD的品质再高，若所匹配的镜头素质和影像处理器比较“弱”的话，同样会对最终效果产生不利的影响，拿富士主流数码来说，高品质的SuperCCD和高素质的富士龙镜头，配合高质量的RP（Real Photo）影像处理器，造就了一批用户口碑极好的数码相机产品，这个下面的部分我们逐一列出。

三、1-7代SuperCCD发展历程
    早在1999年，富士胶片就研制出了SuperCCD并很快将其推向了市场。富士推出SuperCCD的初衷就是为了改善每个像素单元中的光电二极管的空间有效性，从而提高成像质量。时值富士FINEPIX数码相机品牌诞生十年，SuperCCD也经历了九年的发展，那在这9年中SuperCCD如何把FINEPIX演绎的更加FINE（完美）呢，下面我们向大家细细道来。

部分富士SuperCCD的展示

另辟蹊径 第一代SuperCCD
技术关键：首创蜂窝式像素排列/高感光度引入
代表产品：富士FINEPIX 4700Z（240万像素）
    关于第一代SuperCCD，很多关注影像行业的朋友应该都还记得，当时这是一个有争议的技术，大家对其的评价也有褒贬不一。虽说经现在看，第一代的SuperCCD不算是很成功，但它还是开创了一条让富士数码相机走上辉煌的道路，毕竟是第一代产品，我们还是要包容一下。
    富士的开发人员比较大胆的在第一代SuperCCD上将CCD上的像素点以斜45度呈八边形，使用了蜂巢式的排列像素点的设计，从而充分利用了CCD的使用面积，所以当时240万像素的分辨率已经能算是比较高的了，而且这样设计也能让每个像素点都能获得很大的受光面积，获得更好的解像力。
    富士当时显然不满足于这些，还领先的设置了ISO 800的高感光度，要知道在那个ISO200的时代，敢用ISO800是一个什么样的举动，就是因为在ISO800下会产生让人难以接受的噪点，让大家对第一代SuperCCD不是很感冒。
崭露头角 第二代SuperCCD
技术关键：机内插值技术的提升
 代表产品：富士FINEPIX 6800Z（300万像素输出600万像素）
    到了2001年，富士在第一代SuperCCD的基础上推出了第2代产品，这代产品在推出后就受到了使用者的好评，从而让富士数码相机逐渐被更多的用户喜爱。
    第二代SuperCCD的像素分辨率比第一代有了巨大的提升，出处像素能达到在当时领先的600万，这是因为当时大家对CCD像素分辨率的需求还比较迫切，富士也在数码相机中应用了图像插值技术，也就是通过机内软件将实际拍摄到的330万像素的照片“放大”到600万。
    由于放弃了ISO 800这样的极端高感光度，同时富士也改进了处理算法，让第二代SuperCCD的画面表现十分优秀，也就是这个时候开始，富士的S级准专业数码相机越来越受到中高端消费者的追捧。
锋芒正劲 第三代SuperCCD
技术关键：高画质的表现/图像插值技术继续提高
代表产品：富士FINEPIX S602（300万像素输出600万像素）
    2002年，不甘于在高感光度上碰壁的富士又推出了第三代Super CCD产品，也是属于改进型的产品。它可以让当时的顶级消费级S602在300万像素模式下实现ISO 1600的超高感光度，并且领先业界的在VGA分辨率下实现以30帧每秒拍摄有声视频的功能。
    S602可以说是富士历史上最经典的数码相机之一了，丰富的功能加上强悍的配置，让S602被很多希望尝试数码的摄影师装备使用，而300万像素插值到600万像素的画面品质在当时看来也是可以接受的，这无疑也提高了S602在的综合竞争力。 
 

SuperCCD结构层模型

两极分化 第四代SuperCCD
技术关键：机内插值技术的巅峰/高动态范围的概念的引入
代表产品：富士FINEPIX S7000（600万像素输出1200万像素）/FINEPIX S20 Pro（600万像素）
   到了2003年，富士公司推出了第四代的SuperCCD系列，分别将高分辨率和高动态范围发挥到了一个高度——第4代的SuperCCD HR能在一块1/1.7英寸的600万像素级SuperCCD上输出1230万记录像素；而第4代的SuperCCD SR的代表机型S20 Pro，则是没有采用插值技术，但其大小不同像素配对组合的好处是让SuperCCD SR可捕捉的动态范围增加，以获得更好的细节和画质。
    显然，第四代的两款SuperCCD 是富士在遇到一个画质和分辨率难以兼得的时候作出的无奈之举：HR注重分辨率，SR可以获得更好的画面细节。但在2003-2004年的那个分辨率至上的年代，能够输出1200万像素的S7000显然卖的比600万像素的S20 Pro好的多。不过从第四代SuperCCD后，富士正式放弃了插值技术，因为这个时候，更多的消费者开始注意画面效果而不是一味的追求名头上的高像素。
画质为本 第五代SuperCCD
技术关键：优异画质表现/ 放弃图像插值专心做高动态范围
    代表产品：富士FINEPIX F10（600万像素）/富士FINEPIX S9500（900万像素）
之前，富士在推出新一代的SuperCCD的时候，总是会在S系列的准专业机型上来采用，以此来显示其重要性。但2005年发布的F10则是一个小型的数码相机。F10送测到各媒体后，大家都对这个小机器在高感光度下的表现震住了，毕竟那时很多数码相机的ISO400下的表现都“惨不忍睹”，而F10则可以在ISO1600提供相对来说很好的画面表现，甚至比当时市面上绝大部分消费级数码相机的ISO400都要好很多。
总的来说，第五代SuperCCD使富士确立了图像传感器发展的方向，也是迄今最成功的SuperCCD产品之一，从第五代SuperCCD开始，富士的数码相机在人们的眼中就是高画质、高速响应、低噪点的代表——F10的惊艳出现，让消费者对第五代SuperCCD刮目相看，也让F10的销量创了富士数码相机里的新高；而同期的S9500推出，凭借超前的机身设计和出色的画质表现，重新站到了旗舰级消费数码相机的顶端。

富士S9500所使用的900万像素的未切割CCD晶圆

画面巅峰 第六代SuperCCD
技术关键：消费级数码相机成像质量的巅峰/高感光度下的噪点抑制能力
代表产品：富士FINEPIX F30（600万像素）
    第六代SuperCCD在将光转变为数字信号方面更为有效，特别是代表产品F30，它是在F11基础上改进打造的当时画质最高的小相机，无论是高感度下的成像、还是整体极快的响应速度，都是很长时间内无人能超越。
第六代SuperCCD成功的原因可以总结一下：
比当时主流消费级数码相机更大一些的CCD尺寸；（1/1.7英寸，比当时主流的1/2.5英寸要大）
    富士蜂窝式像素排列技术的高度成熟；（更加合理的配列，加上使用新型的微透镜，让每个像素单元都可以尽可能的被光线覆盖）
    配合使用第II代RP影像处理器，对从CCD捕捉的信号进行深层优化处理，使得最终的画面质量达到一个非常高的层次。
像素飞跃 第七代SuperCCD
技术关键：分辨率大幅提升/细节表现比前代更佳
代表产品：富士FINEPIX F50（1200万像素）
    SuperCCD从物理上达到1200万像素，除了把CCD尺寸从1/1.7英寸增大到1/1.6英寸外，显然是富士的技术人员找到了一个比较合理的应对像素密度和成像质量的平衡点。1200万像素的引入，虽然在大家看来有点“急功近利”，但整体的的画质表现水平也是远远高出大家的预期，毕竟像素值增加了一倍，画面的锐度并没有因此大幅下降，反倒分辨率的提升让细节的表现比前代更佳。
第八代SuperCCD的详解
    前面说了这么多1-7代的SuperCCD的方方面面，其实也是为了引出当今最新的第八代SuperCCD产品。第八代SuperCCD的代表作品就是FINEPIX S100FS和FINEPIX F100fd。
    虽然这两款机型分别采用了不同尺寸的SuperCCD设计，但其核心理念都是相同的，为的就是将画质表现提高一个非常高的层面。除了在第七代SuperCCD的基础上继续优化底层的设计和工艺等细节外，富士也把应用在专业数码单反相机上的“WDR超宽动态范围”功能拿来，分别配置在这两款机型上，这样的好处就是在SuperCCD本身的高素质的动态范围的前提下，继续在软件上予以优化，可以在高反差的拍摄场景中拍摄出高光到暗部区域的绝大部分细节，这样的设置很是利于风景的拍摄。也就意味着，在装备了SuperCCD HR的机型上额外的实现了SuperCCD SR的基本特性，是对高像素分辨率和高动态范围拍摄的一个理想的结合。
对SuperCCD后续的展望
    上面说到第八代SuperCCD，能做到这个地步的，在我们看来也是比较“完满”了，但富士的技术人员显然不会满足于现状，为了在激烈的竞争中取得不错的业绩，肯定要不断的创新，拿出更多让消费者惊喜的产品出来才是正道。在本文的最后，我们作为影像从业者和富士相机的老用户，也是希望能够在将来的第九代SuperCCD上看到更多的先进科技，比如可以在现有的1200万像素分辨率下让画面的解像力超越F30时代的水平、对WDR超宽动态范围功能支持的更好等等。
    若这些条件都促成的话，富士的技术人员肯定也要面对高密度像素时代SuperCCD的开口率、现有影像处理器的性能提升和富士龙镜头素质的再度提高等等。数码相机的一小步，一定会是技术上的一大步，我们只有期待的更多，才会促使厂商不断推陈出新以至于达到用户的终极需求。