슈퍼 CCD

1. 개요

슈퍼 CCD는 후지필름이 개발한 이미지 센서 기술로, 기존 CCD 센서와 달리 팔각형 픽셀을 45도 회전시켜 배치하여 집광 면적을 넓혔다. 1999년에 처음 발표되어 2011년 생산 중단될 때까지 여러 세대에 걸쳐 발전했으며, 고감도, 저노이즈, 넓은 다이내믹 레인지를 특징으로 한다. 슈퍼 CCD는 고해상도(HR), 슈퍼 다이내믹 레인지(SR), EXR 등 다양한 형태로 개발되었으며, 후지필름의 디지털 카메라와 일부 휴대폰에 적용되었다. EXR 센서는 HR과 SR 기술을 결합하여 상황에 따라 고해상도, 넓은 다이내믹 레인지, 고감도 저노이즈 모드를 선택할 수 있도록 했다.

2. 역사

1999년 10월, 후지필름은 슈퍼 CCD 개발을 발표했다. 이듬해 2000년 4월에 출시된 디지털 카메라인 FinePix4700Z에 처음으로 탑재되었다. 2001년 4월에는 제2세대, 2002년 1월에는 제3세대, 2003년 1월에는 제4세대 슈퍼 CCD가 출시되었다. 제4세대부터는 고해상도(HR)와 슈퍼 다이내믹 레인지(SR)의 두 가지 유형으로 나뉘어 출시되었다.

2005년 2월에는 제5세대, 2006년 3월에는 제6세대 슈퍼 CCD가 출시되었다. 2007년에는 제7세대, 2008년에는 제8세대 슈퍼 CCD가 출시되었으며, 제8세대 HR계 기술을 활용한 슈퍼 CCD 허니컴 EXR이 개발되었다. 2009년 2월 21일에는 슈퍼 CCD 허니컴 EXR을 탑재한 FinePix F200EXR이 출시되었다. -- 2010년 7월 21일에는 위상차 화소를 내장하여 오토 포커스를 고속화한 슈퍼 CCD 허니컴 EXR을 탑재한 FinePix F300EXR과 FinePix Z800EXR이 발표되었다.

2002년에는 휴대 전화용 슈퍼 CCD 허니컴이 발표되었다. 같은 해 미쓰비시 전기가 개발하여 NTT 도코모에서 출시된 휴대 전화 D251i에 유효 화소수 17만 화소(기록 화소수 31만 화소)의 슈퍼 CCD 허니컴이 처음 채택되었다. 이후 D505i(2003년, 유효 화소수 약 63만 화소, 기록 화소 123만 화소), D901i(2005년, 유효 및 기록 화소 모두 200만 화소) 등 여러 NTT 도코모 휴대폰에 탑재되었다.

2011년, 후지필름은 이면조사형(BSI) CMOS 센서로 전환하면서 슈퍼 CCD 생산을 중단했다.

3. 기술적 특징

슈퍼 CCD는 기존 CCD 센서의 정사각형 픽셀 대신 팔각형 픽셀을 사용하고, 이를 45도 회전시켜 배치한다. 이러한 배열은 집광 면적을 넓혀 고감도, 저노이즈, 넓은 다이내믹 레인지를 구현한다. 또한, 세로 및 가로 방향의 유효 화소 피치를 1/√2배로 짧게 가상할 수 있는 화소 보간 계산을 병용함으로써, 이론상으로는 동일 화소수의 일반적인 CCD에 비해 2배의 유효 화소수(격자형 데이터)를 얻을 수 있다. 예를 들어, 실효 200만 화소의 경우, 최대 400만 화소까지 유효 화소수를 얻을 수 있다.

4세대 슈퍼 CCD HR은 센서를 45도 회전시킨 후, 픽셀 보간을 통해 해상도를 높였다. 4세대 슈퍼 CCD SR은 픽셀당 두 개의 포토다이오드(하나는 크고, 하나는 작음)를 배치하여 다이내믹 레인지를 확장했다. 슈퍼 CCD EXR은 동일한 색상의 픽셀을 비닝(결합)하는 새로운 컬러 필터 배열을 사용하여 HR 및 SR 센서의 장점을 결합했다.

다만, 동일한 유효 화소수라면 CCD 실효 화소수를 낮게 억제할 수 있으므로 CCD 동작 전력이 비교적 적다는 특징도 있지만, 그 후의 데이터 처리가 복잡해짐에 따른 전력 소비 증가를 고려하면 장점이라고는 할 수 없다.

3.1. 픽셀 배열 및 보간

일반적인 CCD 센서는 픽셀이 수평 및 수직으로 배열되어 있다. (베이어 필터) 슈퍼 CCD는 픽셀을 45도 회전시켜 배치하고, 팔각형 형태로 만들어 픽셀 간 간격을 줄이고 집광 효율을 높였다.
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CCD 센서 자체의 형태를 8각형으로 하고 45도 기울여 배치함으로써, 집광 면적이 넓어져 고감도, 저노이즈, 높은 다이내믹 레인지를 얻을 수 있다고 한다.

초기 슈퍼 CCD는 보간 알고리즘을 사용하여 45도 회전된 픽셀 배열에서 이미지를 생성했다. 예를 들어, 4세대 슈퍼 CCD HR은 센서를 45도 회전시키고, 센서 쌍 사이에 하나의 픽셀을 보간하여 600만 유효 화소로부터 1200만 화소의 이미지를 생성했다. 후지필름은 5세대 슈퍼 CCD HR 센서도 45도 각도로 배치하지만 보간하지 않는다고 발표했지만, 이 센서가 보간 없이 이미지를 수평/수직 픽셀로 변환하는 방법은 설명하지 않았다.

3.2. 다이내믹 레인지 확장 (SR)

슈퍼 CCD SR은 하나의 픽셀에 크기가 다른 두 개의 포토다이오드를 배치한다. 하나는 일반적인 크기이고 다른 하나는 훨씬 크다. 이 두 포토다이오드에서 얻은 정보를 함께 처리하면 더 넓은 흑백 밝기 범위(다이내믹 레인지)를 가진 이미지를 만들 수 있다. 후지필름은 2003년 1월 21일에 4세대 슈퍼 CCD 센서의 한 종류로 슈퍼 CCD SR을 발표했다.

3.3. 슈퍼 CCD EXR

2008년 9월, 후지필름은 새로운 유형의 슈퍼 CCD 센서인 슈퍼 CCD EXR을 발표했다. 이 센서는 하나의 칩에서 HR 및 SR 센서 유형의 장점을 결합하는 것을 목표로 한다. 동일한 색상의 픽셀을 비닝(결합)할 수 있는 새로운 컬러 필터 어레이 레이아웃을 사용한다.

슈퍼 CCD EXR은 상황에 따라 세 가지 모드를 선택적으로 사용할 수 있다.
* 고해상도(HR) 모드는 모든 픽셀을 사용하여 최대한의 디테일을 살린다.
* 넓은 다이내믹 레인지(SR) 모드는 두 개의 동일한 색상 픽셀을 결합하여 더 넓은 밝기 범위를 표현한다.
* 고감도 저노이즈(SN) 모드는 인접한 동일 색상 픽셀들을 결합하여 노이즈를 줄인다.

이 센서는 F200EXR, F70EXR 및 F80EXR 콤팩트 카메라와 S200EXR 브리지 카메라에 사용된다. F200EXR과 S200EXR은 모두 동일한 12 메가픽셀 1/1.6" 크기 센서를 사용하고, F70EXR과 F80EXR은 각각 10 메가픽셀과 12 메가픽셀 1/2" 센서를 사용한다.

4. 제품 적용

슈퍼 CCD는 1999년 10월에 후지필름에서 개발 발표되었고, 2000년 4월에 출시된 디지털 카메라 FinePix4700Z에 처음 탑재되었다. 이후 2001년부터 2006년까지 6세대에 걸쳐 발전했으며, 2008년에는 제8세대 슈퍼 CCD 허니컴 EXR이 개발되어 2009년2월 21일에 출시된 FinePix F200EXR에 탑재되었다. 2010년7월 21일에는 위상차 화소를 내장하여 오토 포커스를 고속화한 슈퍼 CCD 허니컴 EXR을 탑재한 FinePix F300EXR, FinePix Z800EXR이 발표되었다.

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2002년에는 휴대 전화용 슈퍼 CCD 허니컴이 발표되었고, 같은 해 미쓰비시 전기가 개발한 NTT 도코모의 D251i 휴대 전화에 처음 채용되었다. 이후 D505i(2003년), D901i(2005년) 등에도 탑재되었다.

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슈퍼 CCD는 주로 후지필름(富士フイルム)사 디지털 카메라의 기술적 특징 중 하나로 탑재되었다. NTT 도코모용 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric), 일본 전기(NEC), 후지쯔(Fujitsu)사 제조 휴대 전화에도 탑재되었으나, 903i 시리즈부터는 CMOS 이미지 센서를 채용하면서 슈퍼 CCD 채용 기종은 없어졌다. 의료용으로도 응용되고 있다.

5. 세대별 발전

후지필름은 2000년 1월에 슈퍼 CCD 센서의 첫 번째 세대를 발표했으며, 이는 후지필름 파인픽스 4700 줌과 S1 Pro DSLR에 탑재되었다.

2003년 1월 21일, 후지필름은 네 번째 세대 슈퍼 CCD 센서를 발표했는데, 여기에는 슈퍼 CCD HR과 슈퍼 CCD SR의 두 가지 종류가 있었다. HR은 "고해상도"를, SR은 "슈퍼 다이내믹 레인지"를 의미한다. SR 센서는 각 사진 사이트에 두 개의 포토다이오드를 가지고 있어 더 넓은 다이내믹 레인지를 얻을 수 있다.

4세대 슈퍼 CCD HR은 센서를 수평선에 대해 45도 각도로 배치했다. 일반적인 수평/수직 픽셀 방향으로 이미지를 만들기 위해 센서 쌍 사이에 픽셀을 보간하여 6백만 유효 화소에서 1200만 기록 화소를 생성했다. 5세대 슈퍼 CCD HR 센서도 45도 각도로 배치되었지만, 후지필름은 보간을 하지 않는다고 밝혔다.

2005년 7월 29일, 후지필름은 5세대 슈퍼 CCD HR 센서를 탑재한 FinePix S5200 (S5600)과 FinePix S9000 (S9500) 카메라를 발표했다. FinePix F10과 F11도 2005년 후반에 출시되었다.

2006년에는 6세대 슈퍼 CCD 센서가 출시되었으며, ISO 800에서도 좋은 이미지 품질을 제공했다. 이 센서는 FinePix S6500fd (2006) 브리지 카메라와 FinePix F-series F30, F20 (2006), F31fd 및 F40fd (2007) 소형 카메라에 사용되었다.

2007년 말에는 7세대 센서가 출시되었지만, 이전 세대에 비해 ISO 성능이 감소했다. 2008년 중반에 출시된 8세대 센서는 ISO 성능을 소폭 개선했지만, 6세대 센서만큼은 아니었다.

2008년 9월, 후지필름은 슈퍼 CCD EXR 센서를 발표했다. 이 센서는 HR 및 SR 센서의 장점을 결합하고, 동일한 색상의 픽셀을 결합(비닝)할 수 있는 새로운 컬러 필터 배열을 사용한다. 이 센서는 F200EXR, F70EXR 및 F80EXR 콤팩트 카메라와 S200EXR 브리지 카메라에 사용되었다.

2010년에 후지필름은 슈퍼 CCD 센서를 탑재한 마지막 카메라인 F300EXR 및 Z800EXR을 출시했다. 2011년, 후지필름은 이면조사형 (BSI) CMOS 센서로 전환하면서 슈퍼 CCD 생산을 종료했다.