Fujifilm 富士胶片的特殊排布图像传感器尝试
富士胶片 Fujifilm 是一家制造胶片起家的企业，所以在迈入数码化领域后，对于各厂都在使用的“大路货”，也就是 Bayer Filter 拜耳传感器似乎并不是特别满意。
由此出发，也一直在进行自己的传感器排布的研究，并且在历史上确实做出了相当的一些量产型实例。
中文领域似乎没有一个较为完整的回顾，
本文对此做一个笔记梳理。
在CCD时代，关于新排布的尝试就已经开始。
特别的排布被视作一种高端元素，应用于其高阶产品上；
富士胶片也销售常见类型排布的产品。
在2000年富士展出了其FinePix S1 Pro产品，
スーパーCCD 即Super CCD这一类型在稍早的1999年10月公开。
富士胶片宣称其兼顾高感光度和高分辨率，
同样的传感器像素，可以生成1.6倍传统CCD的分辨率。
「Super CCD III」2002，S2 Pro
「Super CCD SR II」
スーパーCCDハニカムSR II ?2004，S3 Pro
「Super CCD SR Pro」2006，S5 Pro
到这里，大概是前半期的Super CCD的历程，
正好也与富士在这一阶段，与尼康合作打造的S机型，告一段落。
在2008年S100FS上，称作第8代；
同一年「Super CCD EXR」在2008年 Photokina 上公开，但在2009年的F200EXR上实装。
EXR可能可以分作两代，末代以实验性地加入了嵌入式的相位对焦点为尝试，
仅有 Z800EXR 和 F300EXR 两台机型。
富士可能还没有意识到，这一技术未来会极大的影响无反光镜取景条件下的自动对焦可用性。
以上机型列表，重点参考来自博客「大八洲徘徊記」关于使用Super CCD的机型统计。
迈入了CMOS时代，新的尝试也已经在酝酿中。
值得一提的是，在2011年，富士做出了具备APS-C规格的X100，
这一机型成为其日后跻身高端相机市场，乃至主流制造商的序幕。
初代的X100上用的还是12MP的拜耳传感器，
而在2012年推出的X-Pro1，也就是其可换镜头系统的第一款作品上，
推出了命名为 X-Trans CMOS 的图像传感器。
富士胶片的公开材料来看，
X-Trans本身可以认为是一种Bayer的传感器，但改变了排布。
原本的排布为2x2构成一组，而富士采用了6x6一组。
通过观察可以发现，
X-Trans的每一行、每一列都具有三类型子像素
而RGB的比例成为了8:8:20，相比常规1:1:2，绿色像素更多。
同样是富士胶片官方的说法，因为降低了阵列中的规律性，宏观上的无序更强，
所以在不应用低通滤镜 low-pass filter 的情况下，也对数码摄影中的摩尔纹 moiré 有比较好的抑制效果；
反过来，去除低通滤镜则增强在普遍环境下的成像锐利度。
2013年1月，X100S登场
「X-Trans CMOS II」，这一代最大的改变，是引入片上相位对焦点。
即传感器上部分像素用于相位对焦，这也是因应无反世代而引入的技术之一。
「X-Trans CMOS III」在2016年1月，伴随 X-Pro2 机型一同登场。
工艺上从铝布线更换到铜布线，整体提升了读取速度，在噪声抑制和自动对焦速度上均有一些提升。
这一代的像素数大概在24.3MP规格。
在2018发布的X-T3上，宣告推出了「X-Trans CMOS 4」传感器。
标题这里有一处虽然不大的变化，但不妨一提，
原即先使用的罗马数字的3，即 III 标识，改成了阿拉伯数字的4。
4代伴随的一个大的变化，即前3代的X-Trans，都属于「前面照射型传感器」，
而4代开始，变成了「背照式传感器」 BSI或BI, Back-illuminated sensor。
背照式传感器在索尼早年2009时以小尺寸进行实践，
之后其他厂商如OmniVision厂牌，更多应用于手机摄影的场合。
图像传感器制造的巨擘，三星半导体与索尼半导体将其推进到更大幅面传感器上；
三星在2014年9月推出了APS-C规格的BSI构造传感器，并应用于其NX1机型上；
索尼则在2015年，A7R2机身上配置了全画幅规格的背照传感器。
从图像传感器的技术发展路径来看，接下来就是应用堆叠式，
或日文汉字称呼的「積層型」的型号，来应用于 X-Trans 上。
在2022年，5代应时而至。
X Summit OMIYA 2022 上，5月31日发布的「X-H2S」搭载了称作「X-Trans CMOS 5 HS」的型号；
随后，「X-Trans CMOS 5 HR」的类型一并诞生，即在第5世代，出现了并行的两组。
其中称作HS的型号依然保持26MP的规格，而HR型号，推至40MP。
Super CCD在其出现的时候是一个异端，但以其存续时期，也确实提及了当时传感器，乃至数码相机发展的痛点。
在4代目出现的SR和HR分野，明确指出了关于分辨率和灵敏度的需求。
特别是SR，以今天的视角来看，片上WDR、高感光可用性等均有涉及，甚至本博客讨论的双原生感光度，也可以将后期SR类型的SuperCCD作为一种先锋探索的案例。
在CMOS的优势被不可阻挡地由业界认可后，SuperCCD短暂的尝试将其扩展到CMOS类型上，但未获成功；
原因可能是多方面的，例如富士胶片的财务情况。
在2011年X100大获成功后，富士应该是步入了良性财务反馈循环，
抓紧推出了自己的可换镜头卡口系统，而X-Trans应该就是富士为自己设立的一种保护性技术壁垒。
其后的发展可以发现，其也有如SuperCCD在HR、SR的分野。
制造方面，高可信度的消息，推测是具体由索尼半导体(SSS)进行代工制造；
这种模式差不多要求索尼为X-Trans特殊排布保留一条同时期的产线，或至少为同产线上略为不同的工序段。
富士胶片同期也销售非X-Trans排列的款式，列为低端的如X-A子序列，
又或是改工序复杂而采用通用款的GFX机型。
以2018～2023视点来说，图像传感器除了 背照 - 堆栈 的普及，也会在改变排列的Quad Pixel方向上变化。
但是Quad Pixel的变化方案，恰好与，至少说现有的X-Trans存在冲突。
像40MP的X-H2款，并不能切换10MP模式来实现高灵敏度，颇为可惜。
之乎
于2024-02-22
由此出发，也一直在进行自己的传感器排布的研究，并且在历史上确实做出了相当的一些量产型实例。
中文领域似乎没有一个较为完整的回顾，
本文对此做一个笔记梳理。
目录
- Super CCD
- X-Trans CMOS
- 得失讨论
- 参考与引用
Super CCD
在CCD时代，关于新排布的尝试就已经开始。
特别的排布被视作一种高端元素，应用于其高阶产品上；
富士胶片也销售常见类型排布的产品。
在2000年富士展出了其FinePix S1 Pro产品，
スーパーCCD 即Super CCD这一类型在稍早的1999年10月公开。
富士胶片宣称其兼顾高感光度和高分辨率，
同样的传感器像素，可以生成1.6倍传统CCD的分辨率。
「Super CCD III」2002，S2 Pro
「Super CCD SR II」
スーパーCCDハニカムSR II ?2004，S3 Pro
 |
| S3 Pro |
「Super CCD SR Pro」2006，S5 Pro
到这里，大概是前半期的Super CCD的历程，
正好也与富士在这一阶段，与尼康合作打造的S机型，告一段落。
在2008年S100FS上，称作第8代；
同一年「Super CCD EXR」在2008年 Photokina 上公开，但在2009年的F200EXR上实装。
EXR可能可以分作两代，末代以实验性地加入了嵌入式的相位对焦点为尝试，
仅有 Z800EXR 和 F300EXR 两台机型。
富士可能还没有意识到，这一技术未来会极大的影响无反光镜取景条件下的自动对焦可用性。
| 代表机型 | 特性 |
|---|---|
| 初代 2000~2001 | |
| FinePix 4700Z FinePix 40i FinePix 4900Z FinePix 4500 FinePix 4800Z FinePix 50i FinePix S1 Pro | 1/1.7，与APS-C 前者原始像素240万 |
| 第2代 2001 | |
| FinePix 6800Z FinePix 6900Z | 1/1.7 原始像素提升到330万 信号处理能力加强 |
| 第3代 2002 | |
| FinePix F601 FinePix S602 FinePix F401* FinePix F402* FinePix M603 FinePix S2 Pro | 原始像素降低 多数为1/1.7， 还有视频特化的M603 S2 Pro为这一世代 |
| 第4代 2003~2004 | |
| IV HR | |
| FinePix F410 FinePix S5000 FinePix F420 FinePix S7000 FinePix F610 FinePix F810 FinePix E550 | 首次出现HR、SR分流 HR强调高分辨率 原始630万，输出1230万 |
| IV SR | |
| FinePix F700 FinePix F710 | |
| 第5代 2005~2006 | |
| V HR | |
| FinePix F10 FinePix Z1 FinePix S9000 FinePix S5200 FinePix F11 FinePix Z2 FinePix V10 FinePix Z3 FinePix S9100 FinePix A600 FinePix A900* | |
| SR II | |
| FinePix S3 Pro | 特供S3 Pro 5世代的SR变体里唯一款式 |
| 第6代 2006~2007 | |
| VI HR | |
| FinePix F30 FinePix S6000fd FinePix F31fd FinePix Z5fd FinePix A610* FinePix A800 FinePix F10 FinePix F40fd | |
| SR Pro | |
| FinePix S5 Pro | 特供S5 Pro 后为绝唱 |
| 第7代 2007~2008 | |
| FinePix F50fd FinePix F60fd | |
| 第8代 2008 | |
| FinePix S100FS FinePix F100fd | |
| SuperCCD EXR 2009~2010 | |
| FinePix F200EXR FinePix F70EXR FinePix S200EXR FinePix Z700EXR FinePix F80EXR | |
| EXR 相位检测 2010 | |
| FinePix F50fd FinePix F60fd | |
- 在第4世代出现了HR、SR两种特化类型，强调高分辨率和高灵敏度的类型
在随后的日子中，SR类型似乎较难制作，或富士认为其不适合小尺寸市场，而仅在APS-C类型的系列上出现 - S5 Pro的SR Pro没有列作第6代
- 7代其实回归了传统拜耳的方形阵列
- 在EXR世代，不按照代际，但也可以认为是9、10代际。
- 最后的EXR其实是F550EXR，但是其基底是CMOS
以上机型列表，重点参考来自博客「大八洲徘徊記」关于使用Super CCD的机型统计。
X-Trans CMOS
迈入了CMOS时代，新的尝试也已经在酝酿中。
值得一提的是，在2011年，富士做出了具备APS-C规格的X100，
这一机型成为其日后跻身高端相机市场，乃至主流制造商的序幕。
初代的X100上用的还是12MP的拜耳传感器，
而在2012年推出的X-Pro1，也就是其可换镜头系统的第一款作品上，
推出了命名为 X-Trans CMOS 的图像传感器。
富士胶片的公开材料来看，
X-Trans本身可以认为是一种Bayer的传感器，但改变了排布。
原本的排布为2x2构成一组，而富士采用了6x6一组。
 |
| 厂商公开图像 |
 |
| 左为拜耳阵列的6x6规模，右为X-Trans的6x6规模 |
通过观察可以发现，
X-Trans的每一行、每一列都具有三类型子像素
而RGB的比例成为了8:8:20，相比常规1:1:2，绿色像素更多。
同样是富士胶片官方的说法，因为降低了阵列中的规律性，宏观上的无序更强，
所以在不应用低通滤镜 low-pass filter 的情况下，也对数码摄影中的摩尔纹 moiré 有比较好的抑制效果；
反过来，去除低通滤镜则增强在普遍环境下的成像锐利度。
2013年1月，X100S登场
「X-Trans CMOS II」，这一代最大的改变，是引入片上相位对焦点。
即传感器上部分像素用于相位对焦，这也是因应无反世代而引入的技术之一。
「X-Trans CMOS III」在2016年1月，伴随 X-Pro2 机型一同登场。
工艺上从铝布线更换到铜布线，整体提升了读取速度，在噪声抑制和自动对焦速度上均有一些提升。
这一代的像素数大概在24.3MP规格。
在2018发布的X-T3上，宣告推出了「X-Trans CMOS 4」传感器。
标题这里有一处虽然不大的变化，但不妨一提，
原即先使用的罗马数字的3，即 III 标识，改成了阿拉伯数字的4。
 |
| 图片来自于 DC Watch Impress |
4代伴随的一个大的变化，即前3代的X-Trans，都属于「前面照射型传感器」，
而4代开始，变成了「背照式传感器」 BSI或BI, Back-illuminated sensor。
背照式传感器在索尼早年2009时以小尺寸进行实践，
之后其他厂商如OmniVision厂牌，更多应用于手机摄影的场合。
图像传感器制造的巨擘，三星半导体与索尼半导体将其推进到更大幅面传感器上；
三星在2014年9月推出了APS-C规格的BSI构造传感器，并应用于其NX1机型上；
索尼则在2015年，A7R2机身上配置了全画幅规格的背照传感器。
从图像传感器的技术发展路径来看，接下来就是应用堆叠式，
或日文汉字称呼的「積層型」的型号，来应用于 X-Trans 上。
在2022年，5代应时而至。
X Summit OMIYA 2022 上，5月31日发布的「X-H2S」搭载了称作「X-Trans CMOS 5 HS」的型号；
随后，「X-Trans CMOS 5 HR」的类型一并诞生，即在第5世代，出现了并行的两组。
其中称作HS的型号依然保持26MP的规格，而HR型号，推至40MP。
| 代表机型 | 特性 |
|---|---|
| X-Trans CMOS | |
| 2012~2013 | |
| X-Pro1 X-E1 | |
| X-Trans CMOS II | |
| 2013~ | |
| X100S X100T X20 X-Q1 | 嵌入相位对焦点 |
| X-Trans CMOS III | |
| 2016~2018 | |
| X-Pro2 X100F X-H1 X-E3 | 改进 |
| X-Trans CMOS 4 | |
| 2018~2022 | |
| X-T3 X-T4 X100V | 背照式 [] [] |
| X-Trans CMOS 5 HS X-Trans CMOS 5 HR | |
| 2022 | |
| X-H2S X100V | |
| X-H2 | |
得失讨论
Super CCD在其出现的时候是一个异端，但以其存续时期，也确实提及了当时传感器，乃至数码相机发展的痛点。
在4代目出现的SR和HR分野，明确指出了关于分辨率和灵敏度的需求。
特别是SR，以今天的视角来看，片上WDR、高感光可用性等均有涉及，甚至本博客讨论的双原生感光度，也可以将后期SR类型的SuperCCD作为一种先锋探索的案例。
在CMOS的优势被不可阻挡地由业界认可后，SuperCCD短暂的尝试将其扩展到CMOS类型上，但未获成功；
原因可能是多方面的，例如富士胶片的财务情况。
在2011年X100大获成功后，富士应该是步入了良性财务反馈循环，
抓紧推出了自己的可换镜头卡口系统，而X-Trans应该就是富士为自己设立的一种保护性技术壁垒。
其后的发展可以发现，其也有如SuperCCD在HR、SR的分野。
制造方面，高可信度的消息，推测是具体由索尼半导体(SSS)进行代工制造；
这种模式差不多要求索尼为X-Trans特殊排布保留一条同时期的产线，或至少为同产线上略为不同的工序段。
富士胶片同期也销售非X-Trans排列的款式，列为低端的如X-A子序列，
又或是改工序复杂而采用通用款的GFX机型。
以2018～2023视点来说，图像传感器除了 背照 - 堆栈 的普及，也会在改变排列的Quad Pixel方向上变化。
但是Quad Pixel的变化方案，恰好与，至少说现有的X-Trans存在冲突。
像40MP的X-H2款，并不能切换10MP模式来实现高灵敏度，颇为可惜。
参考与引用
- 富士フイルム、レンズ交換式一眼レフ「FinePix S2 Pro」
～有効画素617万、最大記録画素1,212万
https://pc.watch.impress.co.jp/docs/2002/0530/fuji2.htm - SuperCCD出现不具合的情况
https://dc.watch.impress.co.jp/cda/other/2005/10/04/2416.html - 富士フイルム、ボディが進化したデジタル一眼「FinePix S5 Pro」
https://dc.watch.impress.co.jp/cda/dslr/2006/09/25/4683.html - X-Trans CMOS技术
https://fujifilm-x.com/global/products/x-trans-cmos/ - 4Debunking 6 Myths About the Fujifilm X-Trans Sensor
https://petapixel.com/2018/02/02/debunking-6-myths-fujifilm-x-trans-sensor/ - Blind Test: Fujifilm X-Trans vs Bayer Filter, Which is Better?
https://petapixel.com/2020/05/29/blind-test-fujifilm-x-trans-vs-bayer-filter-which-is-better/
之乎
于2024-02-22
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