圖像傳感器Sensor尺寸表達及其與鏡頭LENS關系


      CCD 和 CMOS 的制造過程和電子半導體技術息息相關,不同於傳統底片采用化學制程,CCD 感光原件是在晶圓上藉由加工技術蝕刻出來。

 

 

      由於 90年代初期 CCD 規格較為混亂,特別是各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,以致於部分規格在沒有規范的情況下出現許多例外的發展。現今有能力量產 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。

      最讓一般讀者困惑的應該是 CCD Size 尺寸的判讀。一般觀念認為 CCD 尺寸越大,所能容納的像素應該越多;然而對照目前的生產技術,這個觀念是『對』也是『不對』。事實上,像素開口面積大小與線路布局精細度也是影響 CCD 尺寸的關鍵因素之一,也就是說,當制程技術越精密,線路所需占得的空間就越小,相對像素開口面積固定下,可以靠得更緊密,也就可以達到進一步縮小面積的目的(參考下圖:線路密度(間隙)0.9μm 與 0.4μm 的差異)。

 

 

      此一要素稱為 Fill Factor (光填充率)。在應用上不斷的進步下,大尺寸高像素的 CMOS 已經可達到量產規模。 CCD Size 影響成本與設計越來越多的 LCD 寬屏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,CCD 的長寬比卻依然沿襲 1950 年代電視規格標准剛制訂時 4:3的標准(少有 3:2 或中片幅、專業數字機背才享有特殊規格比的感光原件)。主要是這方面設計變更不僅會影響成本,也會牽動至后續相機與鏡頭的設計。

      對照上圖中,我們可以明顯的發現,CCD 像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(同為兩百萬像素,單位像素開口大小不同)。由此可看出在同樣 6吋晶圓之制程之中,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碼相機的規格表之中,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后續制作出數碼相機的表現,還必須視數碼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像素(總像素)和尺寸大小的縮稱。然而,聰明的學子們還是有可能透過公式直接演算回原始數據,但大多數的人就不一定會有此閑情逸致去深究這樣的訊息。

 

 

 

       簡單的說 『CCD Size』並不是什么新名詞,其使用的單位與用來解釋你家中14、30吋電視屏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 』。要了解 CCD Size,首先必須先認識在工程師眼中 『1英吋』的定義是什么?業界通用的規范就是 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『勾股定理』,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 尺寸就不難了解余下 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。

      目前市面上消費型數碼相機的數量幾乎占掉了總產量的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(比一般消費型數碼相機的 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)。

 

 

 

在相機模組中,往往還有一個與之高度配合的器件——鏡頭Lens,

鏡頭中Image Circle指的是:像圈

  像圈(image circle)是指入射光線通過鏡頭后,在焦平面上呈現出的圓形的明亮清晰的影像幅面,也稱像面大小。鏡頭像圈由鏡頭光學結構決定,一旦設計完成,其對應的像圈就確定了。

  在機器視覺中,由於感光器件為相機芯片,芯片尺寸即為成像靶面大小。由於鏡頭像圈為圓形,相機靶面為長方形,因此鏡頭與相機搭配時,必須使鏡頭的像圈直徑≥相機靶面的對角線長度(如右圖所示)。否則,相機靶面的四角會形成暗區(如左圖所示)從而影響成像質量,這種現象稱為漸暈

 

  如CMOSIS CMV2000芯片,對角線長度為12.8mm. 若鏡頭的像圈為Ф11mm(廠家或表述為:鏡頭最大兼容芯片尺寸為2/3'), 那此款鏡頭搭配使用該芯片的相機時,就會出現漸暈。

 

 

參考:https://wenku.baidu.com/view/0dfa7d95a800b52acfc789eb172ded630b1c98d9.htmlhttps://www.cnblogs.com/duwenqidu/p/13959227.html


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