CCD與CMOS感光元件~~原理解析~~

bobo1319

CMOS和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體 ，外觀上幾乎無分軒輊。但，CMOS的製造技術和CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。CMOS 的材質主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶 – 電） 和 P（帶 + 電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS因為在畫素的旁邊就放置了訊號放大器，導致其缺點容易出現雜點 ，特別是處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象，更使得雜訊難以抑制。
 
　　
CMOS 對抗 CCD的優勢在於成本低，耗電需求少, 便於製造, 可以與影像處理電路同處於一個晶片上。但由於上述的缺點，CMOS 只能在經濟型的數位相機市場中生存。 不過，新一代 『Fill Factor CMOS』 成為解決這個難題的救星，Fill factor CMOS 屬於此型感測器中最先進的製程技術。最大的差別在於提高 Fill Factor（單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例），有效做到提升敏感度、放大CMOS面積（全片幅）和降低雜訊的影響。再將 Fill Factor CMOS 與 CCD 感光器比較發現，CCD 受限於良率和結構製程，面積越小，畫素越高，相對成本也就越低；Fill Factor CMOS 剛好相反，由於感光開口加大，FF CMOS 可以挑戰更高畫素，更大面積（全片幅），甚至就產出比例來說，FF CMOS 單一晶圓的附加價值更大。
 
搭載於 Canon EOS 350D 數位機身上之 CMOS 元件特寫
　　
由於 Fill Factor CMOS 技術的特殊性，自身擁有晶圓生產設備的日本 Canon 可以說是最早體悟到 Fill Factor CMOS 的市場潛力。Canon EOS D30 是該公司最早選擇以 FF CMOS當感光元件數位 DSLR 產品，低廉的價格頗受消費者支持。雖然，EOS D30的畫質表現普通，不過，後續的研究整合了完整的圖像處理引擎等，更高速且尖端的影像技術，今日，採用大畫素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已經成為主流，高階旗艦級全片幅數位機身包括：Canon 1DsMarkII、Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。


CCD 與 CMOS 感光元件結構透視
CCD 和 CMOS 感光元件的區別
 
Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除塵器）
　　
對於大多數的同學來說，看得到的卻是一顆顆已經整合好的晶片組合！內部詳細的結構，以及到底是如何運作產生我們看到的一幅幅數位照片，且我們撇開複雜的技術文字，透過圖片比較，來看這兩種不同類型，作用卻又相同的影像感光元件。
放大器位置和數量
 
　　
比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處，CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部時脈自動斷線（電子快門）後，即進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器（電荷儲存器）』中，由底端的線路導引輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（類比數位資料轉換器） 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數位資料。
兩者優缺點的比較
　　　　　CCD 　　　　　　　　CMOS
設計 　　單一感光器 　　　　　感光器連結放大器
靈敏度 　同樣面積下較高 　　　感光開口小低
　　　　　　　　　　　　　　　（Fill Factor 因感光開口大，較高）
成本 　　線路品質影響良率　　 整合製程
         高                   低
解析度   結構複雜度低         傳統技術較低
         高                   新技術擺脫面積限制，可達全片幅
雜訊比   單一放大器主控       多元放大器，誤差大
         低                   高
耗能比   需外加電壓導出電荷   畫素直接放大
         高                   低
反應速度 慢                   快
IPA      無                   有
製造機具 特殊訂製機台         可以使用記憶體或處理器製造機
   
由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。
 
CCD 與 CMOS 電路結構之完整比較（摘錄自 SHARP 月刊）
  
差異分析
　　
整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、雜訊與耗電量等，不同類型的差異：
1 ISO 感光度差異：
   
由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在 相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。
2 成本差異：
　　
CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個畫素故障（Fail），就會導致一整排的 訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。
3 解析度差異：
　　
在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬 畫素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。
4 解析度差異：
　　
由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的雜訊就比較多。
5 耗電量差異：
　　
CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。
6 其他差異：
　　
IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數位變焦放大之中，CMOS 必須仰賴 x,y 畫面定位放大處理，否則由於個別畫素放大器之誤差，容易產生畫面不平整的問題。製造機具上，CCD 必須特別訂製的機台才能製造，也因此生產高畫素的 CCD 元件產生不出日本和美國，CMOS 的生產一般記憶體/處理器機台即可擔負。
Fill Factor CMOS 開創新未來
 
CMOS 完整 3D透視 與 平面結構，位於最上層的為 MicroLens 微型聚光鏡片

　　
儘管 CCD 在影像品質等各方面均優於CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。 由於數位影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩定供貨，成為廠商的最愛，也因此其製造技術不斷地改良更新，使得 CCD 與 CMOS 兩者的差異逐漸縮小 。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統合，藉由後續的影像處理修正雜訊以及畫質表現， 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足見高速影像處理晶片已經可以勝任高畫素 CMOS 所產生的影像處理時賀能力的縮短；另外，大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 這一系列的數位機身為號召，CMOS未來跨足高階的影像市場產品，前景可期。
 
　　
Fill Factor CMOS 由於感光開口加大，不需要MicroLens輔助聚光，改以平面玻璃覆蓋保護，
此一不同之處，使得 FF CMOS 的影像表現不會受制於微型鏡片的干擾，而能夠呈現更佳的影像效果




《 本帖最後由 瘋狂小龜 於 2008-10-9 13:38 編輯 》

bobo1319

CCD 細部構造完全解析
 
SONY DSC-T7 完整架構解剖，可以區分機身、鏡頭組、影像處理核心、TFT LCD背光版（機控組）等分部
CCD 元件總成
 
數位相機大量採用模組元件，圖右為 CCD 元件總成，圖左則是中央 CCD 放大特寫。

　　
同學們如果沒事可以回去把數位相機撬開仔細看看 CCD的長相！不過，Mr.OH!可不保證你一定裝得回去 ，即使裝回去了，如果沾染上了灰塵造成影像畫質降低，也是一件得不償失的事。 不過，從上面的圖例將一台數位相機由完整到分部，可以瞭解數位相機工業模組化相當的徹底。我們拆開了Minolta DiMAGE 7 所使用的 5.2百萬畫素 CCD 感光元件作近攝特寫，從大到小，以這種方式同學們可以瞭解對 CCD的描述，在某方面來說 CCD 是一塊『晶片』象徵！
CCD 與影像處理核心整合示意圖
 
上圖是 CCD 本體與 QV、放大器、類比數位轉換器和記憶緩衝區做構成之完整元件。元件設計可以讓數位相機降低維修和檢查的成本 ，透過運用電腦偵測元件運作，檢查出特定元件問題，直接更換整個部件，達到快速維修的目的。
CCD 三明治架構
 
 
　　
如果同學利用雷射切開CCD，你將會發現CCD的結構就像三明治一樣，第一層是『微型鏡頭』，第二層是『分色濾色片』以及第三層『感光匯流層』。同學們一定很奇怪，為什麼『鏡頭』 要直接做在CCD上呢？
　　
其實，這是一個英語 語譯上的語誤：『ON-CHIP MICRO LENS』（見右上圖，CCD 顯微鏡下橫切面透視）是1980年初，由SONY領先發展出來的技術。 這是為了有效提升CCD 的總畫素，又要確保單一畫素持續縮小以維持CCD的標準體積。因此，必須擴展單一畫素的受光面積。但利用提高開口率來增加受光面積，反而使畫質變差。所以，開口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個問題 SONY率先在每一感光二極體上（單一畫素）裝置微小鏡片。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一畫素的大小，又可在規格上提高了開口率，使感光度大幅提升。
原色 CCD / 補色 CCD
 
　　
CCD的第二層是『分色濾色片』，這個部份的作用主要是幫助 CCD 具備色彩辨識的能力。回到源頭，CCD 本身僅是光與電感應器，透過分色濾片，CCD 可以分開感應不同光線的『成分』，從而在最後影響處理器還原回原始色彩。目前CCD有兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一個則是 CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補色CCD的產量比例約在 2：1左右，2003年後由於影像處理引擎的技術和效率進步，目前超過 80％都是原色 CCD 的天下。
 
　　
原色CCD的優勢在於，畫質銳利，色彩真實，但缺點則是雜訊問題。 早期採用原色CCD的數位相機，在ISO感光度上多半不允許超過400，不過新一代的影像處理引擎已經可以準確的消除雜訊問題，ISO值的限制已經不再是問題了。 不過，相對地，補色CCD由多了一個 Y 黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像解析度，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設定在 800以上。補色 CCD 逐漸被市場淘汰的另一個原因在於轉換色彩的複雜性，雖然 CMYG CCD 所拍出來的數位影像比較貼近傳統底片，適合於出版輸出使用，但，CMYG 需要轉換成 RGB 使其能在一般的顯示系統中預覽圖示，無形中也增加了失真的機會，終究不敵市場的現實。
 
感光層
 
　　
掀開 CCD的第三層是『感光匯流片』，這層主要是負責將穿透濾色層的光源轉換成電子訊號，並將訊號傳送到影像處理晶片，將影像還原。 這個部份可以說是 CCD 真正核心的部份，主要的 CCD 設計大致上分成幾個區塊。被稱為畫素 Pixel （Photodiodes）感光二極體，主要是應用於光線感應部份，Gate 區有一部份被用作電子快門，藍色區塊則是佈局為電荷通路，用來傳導電荷之用。白色區塊就是 Charge Drain，也有稱為 Shielded Shift Registers ，中文或可翻為電荷儲存區，主要功用為收集經二極體照射光線後所產生之電荷。

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CCD 感光元件的運作流程（上）
CCD的分層架構：
 
 
CCD 的三層結構：上：微型鏡片、中：色塊濾片、下：感應線路
　　
深入剖析 CCD 的工作流程，瞭解如何『組裝』和『拆解』完成一張數位照片！將 CCD和傳統底片相比，CCD 其實更接近於人眼視覺的工作方式。只不過，人眼的視網膜是由負責光強度感應的杆細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應，而 CCD 的底板則是一整片的感光二極體。
　　
CCD經過長達35年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 主要架構，我們在上一講時已經介紹過，由微型鏡頭、馬賽克分色網格，及墊於最底層的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產 CCD 的公司為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp等等，泰半是日本廠商。
 
 
圖左：階段一，CCD 接受光線的照射產生電荷 / 圖右：階段二，外加電壓將CCD 所『產生』的電荷移往緩衝區
　　
分解CCD 結構可以發現，為了幫助 CCD 能夠組合呈彩色影像，網格被發展成具有規則排列的色彩矩陣，這些網格以紅R、綠G和藍B濾鏡片所組成（三原色CCD），亦有補色CCD （為CMYG / Y＝黃色）。每一個CCD元件由上百萬個 MOS電容所構成（光點的多寡端看CCD 的畫素而定）。當數位相機的快門開啟，來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化矽材料釋放出電子〈負電〉與電洞〈正電〉。經由外部加入電壓，這些電子和電洞會被轉移到不同極性的另一個矽層暫存起來。電子數的多寡和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。
 
 
圖左：階段三，電荷轉換成電壓，電壓經 ADC 判讀數位訊號 / 圖右：階段四，依順序將訊號移往緩衝區組合
　　
以市面上常見的IL 型 CCD 為例，曝光之後所有產生的電荷都會被轉移到鄰近的移位暫存器中，並且逐次逐行的轉換成信號流從矩陣中讀取出來。這些強弱不一的電荷訊號，會先被送入一個 QV（Electron to voltage converte）之中，將電荷轉換成電壓；下一步再將電壓送入放大器中進一步放大，然後才是 A/D 類比數位訊號轉換器（ADC Analog to Digital Converter）。ADC轉換器能將信號的連續範圍配合色塊碼賽克的分佈，轉換成一個2D的平面表示列，它讓每個畫素都有一個色調值，應用這個方法，再由點組成網格，每一個點（畫素）現在都有用以表示它所接受的光量的二進位數據，可以顯示強弱大小，最終再整合影像輸出。
 
ADC 轉換電壓至數位訊號示意圖 ： 此 ADC 為8位元處理器可以將電壓訊號分成 256（0∼255） 個位階判讀
ADC 位元數的多寡將決定畫質的精細程度，目前 SONY 量產 14位元之ADC，多數的數位相機都可達到 12位元以上
四種類型的 CCD
　　
因應不同種類的工作需求，業界發展出四種不同類型的 CCD ：Linear 純線性、Interline 掃瞄、全景 Full-Frame和 Frame-Transfer 全傳。線型CCD是以一維感光點構成，透過步進馬達掃瞄圖像，由於照片是一行行組成，所以速度較使用 2維CCD的數位相機來得慢。這型CCD 大多用於平台式掃描器之上。
 
 
圖左：FF CCD 運行方式示意圖 / 圖右：FT CCD 運行方式示意圖（感謝 Nikon 提供相關資料）
　　
Interline Transfer 掃瞄型 CCD 的曝光步驟就如同前面所介紹的相同，IL 型 CCD 的優點在於曝光後即可將電荷儲存於暫存器中，元件可以繼續拍攝下一張照片，因此速度較快，目前的反應速度以已經可達每秒 15張以上。相對性的缺點則是暫存區佔據了部份感光面積，因此動態範圍（Dynamic Range - 系統最亮與最暗之間差距所能表現的程度）較小。不過，由於速度快、成本低，市面上超過 8 成以上的數位相機都採用 IL 型 CCD 為感光元件。
　　
Full-Frame 全像 CCD 則是一種架構更簡單的感光設計。有鑑於 IL 的缺點，FF改良可以利用整個感光區域（沒有暫存區的設計），有效增大感光範圍，同時也適用長時間曝光。其曝光過程和 Interline 相同，不過感光和電荷輸出過程是分開。因此，使用 FF CCD的數位相機在傳送電荷資訊時必須完全關閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著 FF 必須使用機械快門（無法使用 IL 的電子 CLOCK 快門)，同時也限制了FF CCD的連續拍攝能力。Full-Frame CCD 大多被用在頂級的數位機背上。
　　
Frame-Transfer 全傳 CCD 的架構則是介於 IL 和 FF 之間的產品，它分成兩個部分上半部分是感光區，下半部則是暫時存儲區。整體來說 Frame-Transfer CCD 非常的類似 Full-Frame CCD，它的特點在於直接規劃了一個大型暫存區。一旦FT CCD 運作，它可以迅速將電荷轉移到下方的暫存區中，本身則可以繼續曝光拍照。這個設計，讓FT 同IL 一樣可以使用電子快門，但同時也可增加感光面積和速度。FT CCD 主要是由 荷蘭 Philips 公司開發，後來技術移轉給 SANYO 公司發展成 VPMIX 技術。三洋對 VPMIX 的改良相當成功，使它的數位相機能兼具靜態和動畫的拍攝能力（可達 30 fps 的拍攝速度 - 在動畫運用上非常出色）。此外，FT 型 CMOS 也被應用於 Fill factor CMOS，作為提高高階 SLR 連拍能力的設計。

CCD 感光元件的運作流程（下）
CCD如何分辨色彩：
 
　　
為什麼數位相機的色彩表現總是比傳統底片相比遜色？細看傳統底片的色彩表現方式，主要透過對不同顏色波長敏感的銀鹽顆粒，逐層感色。因此，白色太陽光可以一路到底，自動在底片層上完成分色動作。不過，CCD 受限技術和成本，只有一層感光基板！該如何分色考驗設計者的智慧！雖然左近，美國  Foveon 公司成功開發出 X3 CMOS Sensor ，採用全新技術成為史上第一個模擬底片分層分色法的感光原件。不過，X3 畢竟產量有限，且幾乎全裝配在 SIGMA 高階的 DSLR 之上，因此，全球幾乎九成以上的數位相機仍是採用單 CCD 分色。
各種分色技巧：
 
　　
單CCD分色馬賽克濾片成為數位相機分色主流前，許多電子影像的分色設計都是儘可能地模仿底片分色法則，其中 3 Sensors 分色技術是被視為昂貴但卻可行的方法之一。早期應用於DV數位攝影機之上，透過三組同時作業的感光元件分類辨識不同色光，再經由影像引擎處理還原為整合的畫面。然而，這種作法改應用於數位相機時，機體將變得巨大且笨重，電力耗損更是驚人，曾有測試用之數位相機原型機採用這種設計，但考量成本一直無法上市。由於低畫素之 CCD 成本降低，目前主要應用於電視攝影棚中的電子攝影機和家用專業型 DV 為主。
 
 
　　
同一時期，另一種分色理論 3 separate exposures 三色多重曝光設計被提出；不同於 3Sensors 同步感光，此種分法採用分段感光方式，固定 CCD，藉由，方法一：交換鏡頭前的濾色片；或方法二：逐行掃瞄鏡頭後 / CCD 前的色彩陣列，達到讀取畫面色彩的目的。可想而知，這種技術幾乎只能用於棚內的靜態攝影，拍攝要求穩定性相當高，拍攝速度也相對地較慢。
 
 
　　
分色濾色片的出現成功解決單一機體攜帶單一分色元件，又可達到較高的分色速度處理能力。這種方式大幅降低了每一個色彩的解析度，期待透過影像處理引擎補強色彩表現。對於，色彩程度要求不高的 DSC 和 DSLR 來說，這是兩權相害取其輕的作法。但對於，色彩要求較高的中片幅數位機背來說，這樣的色彩表現是不及格！不過，瑞典的仙娜相機公司找到了解決之道，利用 Moving RGB Sensor ，也就是『振』動 CCD 的方式，取得同一畫面下更多的色彩資料。這種作法在高畫素 CCD 價格還非常高昂的時候，可以非常有效的解決中大型數位機背畫素不足的問題。
分色與組合：
 
　　
馬賽克分色法，或稱為 Color Filter Array 是目前業界的主流。這項技術的誕生，部份歸功於人類視覺學家發現，人眼對綠色的敏感度其實是數倍於其他色彩，例如：『紅』和『藍』色。主要的原因至今仍是一個謎，部份學者認為是物競天擇的結果，使人類能夠從大量的綠色植物中辨別出可以食用的部份；另一種說法則是對於綠色敏感有助於人類於暗黑的環境下，提早發現危險（如果你從一個光亮的環境走進黑暗的房間或洞穴，你看到的第一個顏色通常是綠色）。不管真正的原因如何，數位色彩學家已經學會了，將濾色片分成了 25% 紅色和藍色，以及 50％的綠色，再藉由數位影像合成達到完整數位照片的目的！
CCD 看到了什麼顏色？
 
 
　　
許多原色 CCD 說明圖上以覆蓋 RGB 琉璃般馬賽克磚片是不正確的，這種作法主要是方便讀者瞭解這塊 CCD 的性能，但實際上，以 GRGB 原色色彩陣列來說，R 色濾光片其實內部包含了『洋紅』與『黃』兩種色調的濾片，透過補色機制（見下圖），使其底部的感光區可以感受到『紅』色的光線（上圖左）；相對地，補色 CCD（上圖右），同學們可以發現，其中只有一層染料色片，例如 ：Y 黃色，就阻擋了藍光的進入，由紅綠兩光形成紅色色塊，也因此補色CCD 可以吸收更多的光線，其感光能力也比原色 CCD 強得多，但處理起來因為還是要還原成 RGB 系，對於影像處理引擎的負擔較為沈重。
 
　　
回到分色計算程式的部份，如果一張數位圖片的色彩只有 25％的紅色和藍色與 50％的綠色，這三個素材疊合起來的完成圖能看嗎？答案當然不行！為了補強色彩不足的部份，CCD 取樣完成後，影像處理引擎必須進入『插值 Interpolation』工作階段，將不足的 75％的紅色與藍色和另外50％的綠色，透過『數據計算』的方式『加』進影像檔案之中，使其構成完整各 100％的 RGB 三原色檔案，最終合成為一數位照片。
　　
這種方法讓數位相機拍攝出來的照片，超過一半的顏色是由影像處理引擎虛擬（或稱為計算），早期這種顏色表現當然比不上老字號的傳統銀鹽底片。不過，隨著科技的進步，現階段的影像處理引擎具備了速度快、效率高；更重要的是許多數位相機廠商投入了相當的資本，用於開發各種新色彩計算法則，現今即使是數位相機虛擬出來的色彩，將更接近甚至超過原始影像的範疇。

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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，線路所需佔得的空賁越小，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（嗟）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？
　　
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？
 
　　
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。

v123

巨細靡遺的說明  感謝大大的分享

hamburg

樓主真是介紹詳細,不知道有無下一代來取代CCD與CMOS

zirt

這位大哥你人真好呀
講解了這麼多~~而且都是很重要的
重點是說得很清楚的啦~~謝謝啦

老色羊

大大:
      

非常謝謝您相當細膩的解說!看您這篇文章勝過兩本書!我玩DSC也玩DSLR從陸地上拍到海底!期盼有機會和您交換交流!

liu640

妳的介紹實在是太專業了 妳是做這一行的工程師阿