大型集体经典诵读展示:第7講 CCD / CMOS 尺寸大小與說明

• Size大小 真的有差！

         CCD 和 CMOS 的製造過程和電子半導體技術息息相關，不同於傳統底片採用化學製程，CCD 感光原件是在晶圓上（Circular disk） 藉由加工技術『蝕刻』出來（見上圖）。90年代初期 CCD 規格較沒有統一，因此呈現混亂的局面，特別是發展廠商希冀以不同的生產技術和切割方式創造最佳利潤，以至於特殊規格出現導致例外的發展。市場優勝劣敗的淘汰下，現今量產 CCD 的公司只剩下：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，相關技術和規格幾乎已由日本廠商統一制訂。

• 畫素多寡與尺寸大小沒有絕對關係

        同學們觀看 DSC 相關技術和測試報告時，常困惑的問題在於 CCD Size 尺寸的判讀。大多數的直觀想法認為 CCD 的畫素越大，所需空間應該越多，相對的 CCD 的面積尺寸應該越大！對照目前的生產技術來說，這個觀念是『對』也是『不對』。事實上，畫素開口面積大小與線路佈局精細度才是影響 CCD 尺寸的關鍵因素；也就是說，當製程技術越精密，線路所需佔得的空間就越小，相對畫素開口面積固定下，可以靠得更緊密，也就可以達到進一步縮小面積的目的（參考上示意圖：線路密度（間隙）0.9μm 與 0.4μm 的差異）。

            此外，五百萬畫素的表現是否一定優於四百萬畫素，其實也不盡然，端看 CCD 的設計佈局。我們參考上圖畫素與 CCD 面積之相對關係，5MP:1/1.8英吋 v.s. 4MP：1/1.8英吋，四百萬畫素的開口率或稱為 Fill Factor （光填充率）就比 5MP 來得大，相對的感光能力上要比 5MP 來得強；不過，解像力上當然還是 5MP 畫素的感光元件較優。

• CCD Size 影響成本與設計

         越來越多的 LCD 寬螢幕為了滿足人類視覺比例，跳脫傳統 4：3 的規格走向 16：9 /16：10 更寬廣的界線。然而，大多數 DSC 消費型數位相機的 CCD 長寬比，依然沿襲 1950 年代電視規格標準剛制訂時 4：3的標準（3：2主要仍為 DSLR 數位單眼機身所採用，另中片幅、專業數位機背享有1：1之正方形特殊規格）。主要是這方面設計變更不僅會影響成本，也會牽動至後續相機與鏡頭的設計。

        對照頁首的右圖中，我們可以明顯的發現，CCD 畫素開口的大小對於生產成本和感光度之影響。左方的晶圓規格為 2 Mega pixel, 13mm pixel,ISO 200-1600 Imager (31 per 6 inch wafer) / 右方的規格則是 CCD Size：1/2英吋 Format, 2 Mega pixel, 4.5mm pixel, ISO 50-100 Imager (300 per 6 inch wafer)。一來一往之間差距高達 269塊 CCD ，而ISO 感光能力的差距也擴大至 16倍（同為兩百萬畫素，單位畫素開口大小不同）。由此可看出在同樣 6吋晶圓之製程之中，不同設計所能節省下的成本和增加的產能。

        不過，這些 CCD Size 數據和說明多半都不會列在數位相機的規格表之中，因為這牽涉到更深一層的相機成本制訂和性能表現（單CCD 的基本規格並不一定能決定後續製作出數位相機的表現，還必須視數位相機內部的韌體設計與計算回路而定）。所能提供給消費者的僅有基本畫素（總畫素）和尺寸大小的縮稱！然而，聰明同們還是有可能透過公式直接演算回原始資料。

• 規格表中的 CCD Size 資訊

        簡單的說 『CCD Size』並不是什麼新名詞，其使用的單位與用來解釋你家中14、30吋電視螢幕大小之面積比例道理是完全一致。基本上，常用的 CCD 尺寸並不是『單位』而是『比例 』！要瞭解 CCD Size，首先必須先認識在工程師眼中 『1英吋』的定義是什麼？業界通用的規範就是 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應面積。透過國中數學中的『畢式三角定理』，可得出該三角之三邊比例為 4：3：5；換句話說，我無須給你完整的面積參數，只要給你該三角形最長一邊長度，你就可以透過簡單的定理換算回來。有了固定『單位』的 CCD 尺寸就不難瞭解餘下 CCD Size 比例定義了，例如: 1/2" CCD Size 的對角線就是 1"的一半為8mm，面積約為 1/4，1/4" 就是 1"的1/4，對角線長度即為 4mm。

• CCD Size 的表達慣例

        目前市面上消費型數位相機的數量幾乎佔掉了總產量的7成，這一類型的特色多是輕薄短小，使用 Aspect Ratio 長寬比皆為 4：3，清一色都是 1" 以下的設計；比較常見的有：1/3.2"、1/3"、1/2.7" 、1/2"、1/1.8"、2/3"等。至於，等同傳統底片面積的 CCD 或 CMOS 因為所使用的長寬比由 4：3放成3：2，就不以『英吋』作為表達方式，而改為 Full Frame 或 35mm Film Size （面積：36×24mm）直接稱呼，比這小一號的或稱為 APS（25.1×16.7mm）  / APS-C size（23.7×15.6mm）也是同樣的道理。近來，為了補足 APS-C 以下的 CCD 尺寸空間，由日本 Olympus 主導的 4/3 系統（比一般消費型數位相機的 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』的稱法，命名為 4/3 或是 1又 1/3 系統（見下圖比例說明）。

• 此 inch 與 彼 inch？

        同學提問：已知 1英吋=2.54公分=25.4mm, 而一般吋數表示應為對角線 n 吋就是等於 n * 2.54 公分。但根據 Mr.OH! 講座中所述 : 『1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm.... 』並無法與 1英吋=25.4mm 之既定單位相產生關聯，理由為何呢？

       Mr.OH!要回答這個問題必須把鏡頭拉回去 1950 年代從第一代電視機剛從實驗室誕生的時候開始講起，那個時期的電視機和現在所使用的CRT 或稱映像管電視原理上大同小異，但有一個最大不同點就是那時候的螢幕是『圓』的！對於那個時候的電視工程師來說，從 Tube 中發射出來的電子線本就會繞著圓形軌道散佈，因此，將螢幕做成圓形是理所當然的事。如果，同學有機會回顧二次大戰的電影，那時候雷達螢幕，也就是 CRT 應用最多的地方，第一代電視也就是那樣的造型。不過，對於大多數的消費者來說，圓形螢幕實在太難適應了，最終還是將螢幕裁成『方』型，已爭取大眾的認同。而如何在『圓中取方』得到最大的面積，後來的工程學界看法不一定相同，但通常裁切比例維持在 1.4～1.6之間（見上表），這之中並沒有一定的數學關係式，主要的問題則是在避免圓形投射下，出現暗角的畫面。不過，在描述尺寸大小時，仍繼續維持 50年代的傳統，把『圓』形概念套用到『方』型螢幕上，以英吋來表達。久而久之，已經很少人能記得起最初圓形的概念，而持續將方形 16mm 的對角線作為『英吋』的代表單位了。