在咱們聊 CMOS 圖像傳感器尺寸之前，咱們先弄清楚一個(gè)最基礎(chǔ)的概念：你平時(shí)聽到的 1 英寸、1/2.3 英寸這些，到底是指什么？很多人第一反應(yīng)就是：“哦，這是傳感器的對(duì)角線長度吧？”

但實(shí)際上，它并不是傳感器的實(shí)際物理尺寸，而是一種歷史遺留下來的、有點(diǎn)讓人迷惑的命名方式。這個(gè)命名起源于攝像機(jī)，早期的攝像管有一個(gè)圓形的感光區(qū)域，后來人們就習(xí)慣用這個(gè)感光區(qū)域的直徑來給它命名。所以，所謂的1英寸、1/4 英寸，都源于一個(gè)叫 “視頻管英寸” 的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)攝像管的玻璃外殼直徑用英寸來標(biāo)注，而感光區(qū)域的對(duì)角線長度和這個(gè)英寸值有一個(gè)固定的換算關(guān)系：感光區(qū)域?qū)蔷€長度 = “視頻管英寸”值 × 2/3。

我們知道1英寸等于 25.4 毫米。但是1 英寸的傳感器，它的靶面(即有效感光區(qū)域)對(duì)角線長度并不是25.4mm，而是 25.4×2/3≈16.93 mm。1/4 英寸的傳感器，靶面對(duì)角線長度是 25.4×1/4×2/3≈4.23 mm。當(dāng)然這個(gè)數(shù)值不是絕對(duì)的，而是在這個(gè)數(shù)值上下浮動(dòng)，不同的廠家和型號(hào)可能會(huì)有微小差異。所以這個(gè)換算關(guān)系就是為什么它們的命名和實(shí)際尺寸看起來對(duì)不上號(hào)的原因。這就像是鞋子的尺碼，你穿的42碼鞋子，鞋長可不是42厘米，它只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)。所以，這個(gè)尺寸也被稱為光學(xué)格式（Optical Format），它主要描述了傳感器靶面的大小。

需要特別注意的是：

有效感光區(qū)域（Imaging Area）：這是真正用來感光的區(qū)域，也叫靶面尺寸。我們說的“1英寸”就是指這個(gè)區(qū)域。

傳感器芯片尺寸（Die Size）：這是整個(gè)硅片的大小，包含了感光區(qū)域、旁邊的電路、引腳等等。芯片尺寸通常比靶面尺寸要大一圈。

封裝尺寸（Package Size）：這是指將芯片封裝起來后，整個(gè)模組的大小，包含了芯片、玻璃、外殼、引腳等。

一、那它到底多大？

如何得到感光區(qū)域的長和寬？

感光面積的尺寸長寬比，在行業(yè)內(nèi)通常是 4:3 或者 3:2。由于4:3是一種非常常見的比例，我們就以此為例進(jìn)行計(jì)算。

“1/4英寸”對(duì)應(yīng)的是一個(gè)對(duì)角線長度為4.5mm的感光區(qū)域。因此對(duì)角線長度為4.5mm，長為 L，寬為 W，且 L:W=4:3。根據(jù)勾股定理，我們可以得到：

4.52=L2+W2=(4x)2+(3x)2

x=0.9

現(xiàn)在，我們可以計(jì)算出傳感器的長和寬：

長 (L) = 4x=3.6mm

寬 (W) = 3x=2.7mm

最后，計(jì)算感光面積：

感光面積 = L×W≈3.6×2.7≈9.72mm2

因此以此類推，其他常見的尺寸也有對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理尺寸：

1/3英寸：對(duì)角線約6mm，面積約14.2mm2 (4.8mm x 3.6mm)

1/2.3英寸：對(duì)角線約7.7mm，面積約28.5mm2 (6.2mm x 4.6mm)

1/1.7英寸：對(duì)角線約9.5mm，面積約43mm2 (7.6mm x 5.7mm)

1英寸：對(duì)角線約16mm，面積約116mm2 (13.2mm x 8.8mm)

APS-C：對(duì)角線約28mm，面積約370mm2 (23.5mm x 15.6mm)

全畫幅：對(duì)角線約43.3mm，面積約864mm2 (36mm x 24mm)

記住，這個(gè)數(shù)字越小，如1/4英寸，代表的實(shí)際感光面積也越小。

再來看像素尺寸的計(jì)算

假設(shè) 1/4英寸 的傳感器有 500萬像素（即5M）。

單個(gè)像素的面積就是：

也就是 1.944μm2。

單個(gè)像素的邊長就是√1.944 ≈1.39μm。

如果你把像素?cái)?shù)增加，在1/4英寸上做到1200萬像素，那么單個(gè)像素的尺寸就會(huì)變得更小，畫質(zhì)也會(huì)受到影響。

這就是為什么說，CMOS傳感器的性能，是一個(gè)綜合考慮尺寸、像素總數(shù)和單個(gè)像素大小的結(jié)果。并不是像素越高，畫質(zhì)就一定越好。

二、從靶面到像素：尺寸和畫質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系

靶面尺寸，也就是傳感器的感光區(qū)域大小，是影響畫質(zhì)的決定性因素。

我們可以把傳感器想象成一個(gè)裝水的盆，而像素就是盆里的一個(gè)個(gè)小格子。

靶面尺寸：決定了盆的大小。盆越大，能裝下的水（光線）就越多。

像元面積：決定了每個(gè)格子的大小。在總格子數(shù)（分辨率）一樣的情況下，盆越大，每個(gè)格子就越大。

分辨率：就是格子的總數(shù)量。

舉個(gè)例子： 同樣是1200萬像素，一個(gè)1英寸的傳感器和一個(gè)1/2.3英寸 的傳感器。

1英寸傳感器的“盆”更大，每個(gè)“格子”的面積也更大，能收集更多的光子。

1/2.3 英寸傳感器的“盆”更小，為了湊齊1200萬個(gè)“格子”，每個(gè)格子的面積就會(huì)小得多。

在光線充足時(shí)，兩者差別不大。（雖然大像素在動(dòng)態(tài)范圍、色彩深度上通常仍有優(yōu)勢(shì)）。但在弱光環(huán)境下，光線不足時(shí)（不等于“全畫面都均勻地暗”），那小格子的“光桶”在較強(qiáng)光點(diǎn)（如燈光）處很快就會(huì)裝滿，導(dǎo)致溢出（飽和），而在那些非常暗的區(qū)域（比如陰影里的墻壁），光線極其微弱。則會(huì)因?yàn)槭盏降墓庾犹俣鵁o法準(zhǔn)確判斷，產(chǎn)生噪點(diǎn)。但大格子的“光桶”因?yàn)槟苎b下更多的光子，圖像信號(hào)更強(qiáng)，信噪比更高，畫面也就更純凈。

因此，靶面尺寸越大，像元面積通常也越大，成像質(zhì)量越好，尤其是在弱光環(huán)境下。這就是為什么專業(yè)相機(jī)（全畫幅、APS-C）在拍攝夜景、室內(nèi)燈光環(huán)境等弱光場(chǎng)景時(shí)，既能保持暗部干凈，又能讓燈光、窗戶等高光部分保持豐富細(xì)節(jié)，而手機(jī)（小傳感器+小像素）拍同樣的場(chǎng)景，暗部可能噪點(diǎn)明顯，亮部則常常過曝成一片，丟失所有細(xì)節(jié)。

三、不同尺寸傳感器的應(yīng)用和需求

傳感器尺寸對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的影響非常大，我們可以從大到小來聊：

全畫幅（Full Frame）/中畫幅：通常用于專業(yè)單反、無反相機(jī)。尺寸最大，感光面積大，畫質(zhì)最好，能拍出更純凈、細(xì)節(jié)豐富的照片，適合專業(yè)攝影師、廣告拍攝等對(duì)畫質(zhì)要求極高的場(chǎng)景。

APS-C/M4/3：用于入門級(jí)單反、高端無反相機(jī)。畫質(zhì)比手機(jī)好很多，但機(jī)身和鏡頭體積比全畫幅小，是平衡了便攜性和畫質(zhì)的理想選擇。

1英寸、1/1.7英寸：常用于高端卡片機(jī)、無人機(jī)。比如大疆的無人機(jī)就有很多用1英寸傳感器。它們?cè)诋嬞|(zhì)和體積上做了很好的平衡。

1/2.3英寸、1/2.5英寸：這是絕大多數(shù)智能手機(jī)和運(yùn)動(dòng)相機(jī)的主流尺寸。比如很多主流手機(jī)的廣角主攝都是這個(gè)尺寸。它們體積小、功耗低，能塞進(jìn)輕薄的設(shè)備里。

1/4英寸、1/5英寸：更小的傳感器，通常用于安防監(jiān)控?cái)z像頭、門鈴、內(nèi)窺鏡、行車記錄儀等對(duì)體積要求極其嚴(yán)格，但對(duì)畫質(zhì)要求相對(duì)不那么高的場(chǎng)景。它們追求的是低功耗、小體積、低成本。

四、算一筆賬：一片晶圓能產(chǎn)出多少芯片？

傳感器尺寸不僅僅影響成像質(zhì)量，也直接關(guān)系到它的制造工藝、良率和最終成本。

制造工藝和結(jié)構(gòu)：

大尺寸傳感器：由于感光面積大，像素也多，對(duì)工藝的良率要求非常高。一個(gè)小小的缺陷，比如壞點(diǎn)，就會(huì)影響整個(gè)芯片。為了獲得高良率，制造難度更高，需要更精密的設(shè)備和更復(fù)雜的工藝。同時(shí)，大的傳感器更容易受到晶圓邊緣效應(yīng)的影響，良率相對(duì)更低。

小尺寸傳感器：可以在同一塊晶圓上切割出更多芯片，每個(gè)芯片的面積小，單個(gè)缺陷影響的芯片數(shù)量少，整體良率相對(duì)更高，制造難度和成本都更低。

成本：

大尺寸傳感器：成本比較高，主要是因?yàn)榫A利用率低。一塊8英寸或12英寸的晶圓，能切割出的全畫幅傳感器數(shù)量非常有限，甚至可能只有幾十個(gè)。

小尺寸傳感器：成本低得多。因?yàn)槔寐蕵O高。比如，一個(gè)1/4英寸的CMOS傳感器，在一塊8英寸（約200mm直徑）的晶圓上，可以切割出上千個(gè)芯片。8英寸晶圓的面積：π×(100mm)2≈31415.9mm2。假設(shè)1/4 英寸傳感器的實(shí)際芯片尺寸（包含封裝和測(cè)試區(qū)域）大概是 4mm×5mm=20mm2。那么理論上一塊晶圓能切割出的芯片數(shù)量約為：31415.9÷20≈1570 顆。當(dāng)然，這只是一個(gè)粗略的估算，實(shí)際還會(huì)受晶圓邊緣、測(cè)試區(qū)等因素影響，但數(shù)量級(jí)是巨大的。

進(jìn)一步地，我們也可以看看不同尺寸的芯片，在不考慮封測(cè)、邊緣損耗和切割道的情況下，理論上能產(chǎn)出多少個(gè)。

當(dāng)然這也只是個(gè)粗略的數(shù)值，方便直觀地展示為什么尺寸越小，成本就越低。一片晶圓的制造成本是相對(duì)固定的，能切割出的芯片數(shù)量越多，分?jǐn)偟矫總€(gè)芯片上的成本就越低。這也是為什么 1/4 英寸的傳感器可以做到幾塊錢，而全畫幅的傳感器動(dòng)輒上千塊錢。當(dāng)然，實(shí)際的良品數(shù)量還會(huì)受到良率的影響，尺寸越大，良率通常也越低，這會(huì)進(jìn)一步拉高單個(gè)芯片的成本。

良率：

良率（Yield）：指的是合格品數(shù)量占總生產(chǎn)數(shù)量的比例。

小尺寸傳感器：由于芯片小，遇到缺陷的概率低，所以良率通常很高，可能達(dá)到95%以上。假設(shè)良率為 95%，那么每塊 8 英寸晶圓可以得到1/4英寸的CMOS傳感器約 1570×0.95≈1491顆良品芯片。

大尺寸傳感器：如果晶圓上有幾個(gè)缺陷，很可能就報(bào)廢幾個(gè)大尺寸芯片，所以良率通常比小尺寸低得多。

所以尺寸越小，對(duì)晶圓的利用率越高，制造成本越低，良率也越高。

但是傳感器的成本絕不是由一個(gè)因素決定的，而是多重因素交織在一起的結(jié)果。簡單來說，它就像一個(gè)復(fù)雜的等式，尺寸只是其中一個(gè)重要變量。

就好比為什么我們又會(huì)感覺到一些小尺寸傳感器會(huì)很貴呢？這通常不是因?yàn)槌叽绫旧?，也不是因?yàn)樗旧碇圃斐杀靖?，而是因?yàn)樗休d的頂尖技術(shù)和研發(fā)成本高。就像一件定制的高級(jí)襯衫，它的面料可能不比普通襯衫貴多少，但它的價(jià)值在于剪裁、設(shè)計(jì)和品牌。

因此，大尺寸的貴，是物理制造層面的成本。而小尺寸的貴，是技術(shù)研發(fā)層面的成本。兩者在成本邏輯上完全不同。這也就解釋了為什么同屬于小尺寸傳感器范疇，一塊1/4英寸的監(jiān)控?cái)z像頭傳感器可以賣得很便宜，而一顆1/1.3英寸的旗艦手機(jī)傳感器卻價(jià)格不菲。