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数码相机教学:CCD尺寸详细解

2012-08-05  sun12_2005

数码相机教学:CCD尺寸详细解

    CCD 和 CMOS 的制造过程和电子半导体技术息息相关,不同于传统底片采用化学制程,CCD 感光原件是在晶圆上藉由加工技术蚀刻出来(见上图)。

    由于 90年代初期 CCD 规格较为混乱,特别是各发展厂商希冀以不同的生产技术和切割方式,创造最佳利润,以致于部分规格在没有规范的情况下出现许多例外的发展。现今有能力量产 CCD 的公司只剩下:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp,相关技术和规格几乎已由日本厂商统一制订。

 

    过去,本站发表 数码相机测试时,最让一般读者困惑的应该是 CCD Size 尺寸的判读。一般观念认为 CCD 尺寸越大,所能容纳的像素应该越多;然而对照目前的生产技术,这个观念是『对』也是『不对』。事实上,像素开口面积大小与线路布局精细度也是影响 CCD 尺寸的关键因素之一,也就是说,当制程技术越精密,线路所需占得的空间就越小,相对像素开口面积固定下,可以靠得更紧密,也就可以达到进一步缩小面积的目的(参考上示意图:线路密度(间隙)0.9μm 与 0.4μm 的差异)。此一要素称为 Fill Factor (光填充率);在应用上不断的进步下,大尺寸高像素的 CMOS 已经可达到量产规模。      

 CCD Size 影响成本与设计

         越来越多的 LCD 宽屏幕为了满足人类视觉比例,跳脱传统 4:3 的规格走向 16:9 /16:10 更宽广的界线。然而,CCD 的长宽比却依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4:3的标准(少有 3:2 或中片幅、专业数字机背才享有特殊规格比的感光原件)。主要是这方面设计变更不仅会影响成本,也会牵动至后续相机与镜头的设计。

    对照上图中,我们可以明显的发现,CCD 像素开口的大小对于生产成本和感光度之影响。左方的晶圆规格为 2 Mega pixel, 13mm pixel,ISO 200-1600 Imager (31 per 6 inch wafer) / 右方的规格则是 CCD Size:1/2英吋 Format, 2 Mega pixel, 4.5mm pixel, ISO 50-100 Imager (300 per 6 inch wafer)。一来一往之间差距高达 269块 CCD ,而ISO 感光能力的差距也扩大至 16倍(同为两百万像素,单位像素开口大小不同)。由此可看出在同样 6吋晶圆之制程之中,不同设计所能节省下的成本和增加的产能。

    不过,这些 CCD Size 数据和说明多半都不会列在数码相机的规格表之中,因为这牵涉到更深一层的相机成本制订和性能表现(单CCD 的基本规格并不一定能决定后续制作出数码相机的表现,还必须视数码相机内部的韧体设计与计算回路而定)。所能提供给消费者的仅有基本像素(总像素)和尺寸大小的缩称!然而,聪明的学子们还是有可能透过公式直接演算回原始数据,但大多数的人就不一定会有此闲情逸致去深究这样的讯息。

 规格表中的 CCD Size 信息


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        简单的说 『CCD Size』并不是什么新名词,其使用的单位与用来解释你家中14、30吋电视屏幕大小之面积比例道理是完全一致。基本上,常用的 CCD 尺寸并不是『单位』而是『比例 』!要了解 CCD Size,首先必须先认识在工程师眼中 『1英吋』的定义是什么?业界通用的规范就是 1英吋 CCD Size = 长 12.8mm X 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积。透过国中数学中的『勾股定理』,可得出该三角之三边比例为 4:3:5;换句话说,我无须给你完整的面积参数,只要给你该三角形最长一边长度,你就可以透过简单的定理换算回来。有了固定单位的 CCD 尺寸就不难了解余下 CCD Size 比例定义了,例如: 1/2" CCD Size 的对角线就是 1"的一半为8mm,面积约为 1/4,1/4" 就是 1"的1/4,对角线长度即为 4mm。

 CCD Size 的表达惯例

        目前市面上消费型数码相机的数量几乎占掉了总产量的7成,这一类型的特色多是轻薄短小,使用 Aspect Ratio 长宽比皆为 4:3,清一色都是 1" 以下的设计;比较常见的有:1/3.2"、1/3"、1/2.7" 、1/2"、1/1.8"、2/3"等。至于,等同传统底片面积的 CCD 或 CMOS 因为所使用的长宽比由 4:3放成3:2,就不以『英吋』作为表达方式,而改为 Full Frame 或 35mm Film Size (面积:36×24mm)直接称呼,比这小一号的或称为 APS(25.1×16.7mm)  / APS-C size(23.7×15.6mm)也是同样的道理。近来,为了补足 APS-C 以下的 CCD 尺寸空间,由日本 Olympus 主导的 4/3 系统(比一般消费型数码相机的 1吋型CCD 再大上 1/3 (22.5 ÷ 16mm)),但比例不是 3:2 而是 4:3 ,是故沿用『英吋』的称法,命名为 4/3 或是 1又 1/3 系统(见下图比例说明)。

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