数字相机（DSC）是目前成长速度最快的消费性电子产品之一，几年前，数字相机就已经超过传统的胶卷相机，有很多制造商目前已经完全停止生产胶卷相机。2004年数字相机的销售量为7700万台，而在2005年，更达到约1亿台（数据源：Future Image）。当然，照相手机（销售量5亿台）囊括了这个数字的一部分，不过那也可以说是另一个不同的市场。
数字相机根据影像传感器的不同可分为两种成像技术，分别为电荷耦合组件（CCD）和互补性金属氧化半导体（CMOS）影像传感器。CMOS技术目前占据着低阶应用市场，CCD仍然把持着高阶应用市场，但并未没有完全占领该市场，如佳能（Canon）就有几款采用CMOS影像传感器的高阶机型，包括EOS 5D等，采用1280万画素全幅（24×36 mm）CMOS影像传感器。未来针对此种传感器预计也将会有许多分析报告相继问世。
| 《图一 画素数组的一个角，图中可以看到画素呈对角排列》 |
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超级CCD与CCD
本文中，将选择进行反向还原分析的CCD传感器，来自于富士Finepix E550 630万画素数字相机，该相机之CCD感光组件采用了该公司专用的「超级CCD」设计。在定点照相机中，其分辨率让人留下很深的印象，感亮度为ISO 800，快门速度可达1/2000秒。
设计概念
人眼视网膜由1.26亿左右的视觉细胞所组成，其中1.2亿个左右的细胞在黑暗时工作，而其他600万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亮度要比在45度的对角在线高得多。透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度对角在线功率最低的缘故。因此为了更有效地捕获视觉信息，眼睛在水平和垂直方向上就较为灵敏。只要了解这点，就能掌握解决今日使用CCD感光器时的多种缺陷，进而设计出影像效果更佳的超级CCD。
普通CCD里所使用的光电二极管都是矩形的，而其上面的微透镜则是圆形。二者不同的形状必然会限制CCD芯片的尺寸，进而影响到光吸收效率，而光吸收的低效率正是提高感亮度、信噪比和动态范围的极大障碍。并且在普通CCD中，因为画素是垂直排列，所以45度对角在线的分辨率要比水平轴（X轴向）和垂直轴（Y轴向）上的高，但如上所述，这一点恰恰违背了自然规律。这些因素综合起来，使得普通CCD如果要进一步提高分辨率而不加大数字相机的CCD芯片，就只能采取减小画素中光电二极管尺寸的方式，而这一做法又将导致感亮度的降低、信噪比下降与、动态范围的缩小。这种情况也导致了如果想进一步提高分辨率，就不得不减低性能。
富士的研发人员根据对人类视觉的研究，在综合考虑各种因素后开发出了采用超级CCD技术的数字相机产品，获得了更佳的影像效果。由于水平轴和垂直轴上的高分辨率是提高分辨率的关键，而对角在线高频特性的损失对影像质量几乎没有影响，所以在解决分辨率和CCD芯片尺寸的矛盾时，超级CCD采用了一个较好的解决办法，也就是将所有画素都按45度角排列，形成一个蜂窝状的图形。
这种排列结构透过最初的信号处理及画素45度旋转，使水平和垂直分辨率提高，比普通CCD高了60％。同时由于这一改变，控制讯号信道被取消了，而专为蜂窝形结构开发并和超级CCD 配套的LSI信号处理器只由光电二极管和命令传输路径组成，这可为光电二极管留出了更多的空间，这使得超级CCD可以使用形状非常接近圆形微透镜的大八角形光电二极管。把不利于影像记录的未利用空间减少到最低，使每个画素上光电二极管的密度达到最大，进而更有效吸收光线。这样一来，每单位面积的超级 CCD与普通CCD相比，其吸收光线的能力增强，集光效率提高。随着集光效率的提高，感亮度、信噪比与色彩的再现性都得到改善，动态范围也得到扩大，影像质量达到了新的水平。
超级CCD与一般CCD之差异
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讯频率，这就造成了影像质量的降低。
而超级CCD进行视频输出时，其跳跃读出不局限于垂直轴，在两个方向上都可以，这是获得高质量视讯输出的关键。另外超级CCD在每一水平行上都有RGB信号，可解决普通CCD之问题。根据画素总数的不同，超级CCD的垂直跳跃讯号读取可以按1/2、1/3或者任何其他比率进行，也可以进行水平1/3跳跃读出，而获得每秒30帧视讯影像的质量。
超级CCD构造相对简单，电荷传输信道宽，每个画素都可以一次读取讯号，这不仅提高速度和精确度，同时因为便于高速传输光电二极管所形成的电荷，它还具有进行快速连续拍摄的能力。
| 《图四 扫描电容（SCM）截面图显示了基底的掺杂结构》 |
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超级CCD之结构分析
超级CCD设计将传统的x-y数组旋转了45度角，使画素呈对角线排列，这样能够让八角形光电二极管面积尽可能增大，且更加靠近。富士声称这样的布局可以使分辨率、感亮度、动态范围、信噪比以及色彩拟真度达到均衡。此外该组件还采用了信号处理技术，可在光电二极管之间生成虚拟画素，因此存储的像素实际上是一个1230万像素的方形格栅x-y数组。
本文所要介绍的富士MS3895A是一种「超级CCD HR」，属于这种技术的第四代产品，该技术最早发布于1999年。其像素尺寸减小到2.7μm，可进一步提高分辨率。此技术是在富士微电子位于日本仙台的工厂里制造的，采用0.35μm双金属双层多晶硅制程，在N基板上用P井制造。裸片尺寸为7.7×9.0mm（69.3 mm2），总共有663万画数，有效画素则为630万。由于采用新的信号处理技术增加了虚拟画素数量，所以能够储存的总画素可增至1230万。
(图一)是画素数组的一个角，从图中可以看到画素呈对角排列，(图二)是该结构的截面图。截面在整个裸片上也是呈对角排列，如此便可清楚看到该结构实际的布局情况。从图中可以在顶部看到组织得很好的半球形透镜，然后是平面层上的系统彩色滤光层，下面是氮化硅透镜，再往下观察则可发现光电二极管和CCD电荷转移电极。
(图三)放大了硅结构，可看到氮化透镜由两个氮化合物层组成，底下的一个沉积在CCD结构上，然后将之平整化处理，上面一层沉积在平整层上，然后再蚀刻成半球形状。下面的两个多晶转移电极覆盖有钨光屏蔽层。
(图四)中的扫描电容（SCM）截面图显示了基底的掺杂结构。从下面往上，亮的部分是N基板，然后逐渐进入P井数组，基板表面的暗区是光电二极管与二极管表面P层之间的P隔离层，P隔离层中的亮点是N掺杂电荷转移信道，而表面下部薄薄的光亮层是光电二极管。在表面上部，转移电极和电介质显示为空白区域，被一个完整的金属层覆盖（这部分取自于芯片的暗画素区域，其光线屏蔽层是连续的）。
接着再回到平面视图，(图五)是去除有机层露出氮化合物透镜的情形。其对角形状排列非常清楚，在分析的过程中加了一些圆圈用以指示出信号处理生成的虚拟画素的位置。
(图六)是经过修整后的数组图，显示出多晶硅转移电极在数组的垂直方向运动。紧接在钻石型孔穴上部的线就是第一个多晶硅层。在两个孔穴里面有一些钨的残留物，表示有通过圆孔的光线达到光电二极管。
(图七)是数组SCM图的平视效果，右下部的空白区域是硅的表面，往上可以看到锯齿状的N掺杂转移信道，围绕在画素内暗淡的P层周围。再进一步往上（深入到基底内部）可以看到菱形的光电二极管，这并不是富士先前所介绍的八角形光电二极管。转移电极使用电荷转移信道，将被选中的电荷从每个光电二极管中移出，并送到CCD数组的边缘，在那里有次级CCD将电荷转移到第一级放大器，然后进入讯号处理电路。
P-Si的直线偏亮度异方特性
是数组SCM图的平视效果
仔细分析该组件的周边结构也是很有意思的，但由于空间上的限制目前只能观察CCD本身结构。而根据此次反向还原分析的结果发现，在奈米领域中利用一个相对简单的结构，在经过优化处理后可以满足1200万画素照相机的要求，而其零售价仅为为325美元，这也给喜爱数字相机的照相机爱好者们留下很深的印象。显然，超级CCD之影像撷取效果是非常不错。
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