小米12S鏡頭內1英吋影像感測器實非1英吋?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

據說IMX989是小米和Sony攜手投入了1,500萬美元所研發。本文將閒話此1英吋影像感測器,談談「1英吋」這個名詞的有趣來源…

這次小米12S Ultra手機的發佈,應該說是這兩年手機產品發佈活動裡相對聲勢浩大的一次。這款手機的一大亮點就在那顆看起來碩大的鏡頭,形態更像相機的機身設計,以及和徠卡(Leica)的聯名。說起來徠卡這兩年的聯名活動真是頻繁,前腳才和華為合作,後腳就說要做「真正的徠卡手機」,現在Logo又印在了小米手機鏡頭了,上個月徠卡也才剛剛宣佈了和Panasonic的新合作,業務真是比蔡司(Zeiss)還要忙。     這款手機才剛剛開售,其系統內相機app的apk檔都已被人提取出來了,有了「人人皆徠卡浮水印」的後序故事。可見不少手機用戶對拍照「逼格」(編按:用來形容某一事物、某一行為很高階、很與眾不同。)這件事還是在意的。 拋開徠卡不談,小米12S Ultra那顆碩大主鏡頭用的感測器是來自Sony的IMX989。小米對這款手機拍照的一大宣傳項就是「1英吋大底」——這說的當然就是SonyIMX989影像感測器。據說IMX989是小米和Sony聯合投入了1,500萬美元所研發。本文將閒話1英吋影像感測器,借此談談「1英吋」這個名詞的有趣來源。     1英吋的確大但不罕見 1英吋這個尺寸在手機鏡頭影像感測器上,自然可以說是大尺寸。遙想2010年前後,手機鏡頭普遍在用1/4~1/3英吋的影像感測器;當年的數位相機用1/2.3英吋底,高階數位相機才用1/1.7英吋底,一轉眼,手機都用1英吋底了。 記得2014年,Panasonic曾經鶴立雞群地推出過一款鏡頭影像感測器1英吋的CM1手機,這在當時稱得上驚為天人,感覺輾壓當時的所有手機了。 5、6年前,2016年前後不少手機鏡頭開始用1/2.3英吋的影像感測器,在當時都算得上大底,如小米5s;同期的iPhone 7還在十分我行我素地用1/3英吋影像感測器。而現在的1英吋影像感測器,面積大約相當於1/2.3英吋影像感測器的4倍。  

(來源:維基百科)

  到如今1英吋這個尺寸其實已經不驚悚了,歷史上已經出現過的、採用1英吋影像感測器的手機至少包括Panasonic CM1、徠卡Leitz Phone 1、夏普(Sharp) Aquos R6、Sony Xperia PRO-I (看起來日本和德國人在這方面顯然更有迷思),後3款都是當代產品。 在真正的單反相機/微單相機面前,1英吋還是遠遠不夠看的。相比真正的相機影像感測器尺寸天花板,賓得(Pentax) 645z單反相機的中畫幅影像感測器尺寸為42.8 × 32.8mm,面積是1英吋影像感測器的12倍以上。常規全畫幅的單反/微單眼相機,影像感測器尺寸也比1英吋大7倍以上。基於這樣的尺寸對比,前不久小米才出了個手機拍照(再再再度)秒殺專業單反的廣告——這顯然已經違反光學和各種物理定律了。 不過1英吋也的確是手機鏡頭影像感測器尺寸暫時的天花板了。而1英吋這個尺寸,在其他領域則相對更為常見;數位相機(小DC)中頗具代表性的Sony黑卡(RX100)系列就是清一色的1英吋影像感測器;某些運動相機的影像感測器尺寸是1英吋,如Insta360 ONE R;還有某些比較高階的無人機/飛行器,如大疆DJI Air 2S也是1英吋底;Nikon早年有個1系列微單也用過這樣的規格。 「1英吋」其實不是1英吋 顯像和成像產業普遍有個怪現象,就是各種單位和一般人理解的物理量不一樣。1英吋轉化為公制單位,應為25.4mm。但實際上,1英吋的影像感測器,無論長、寬、高、對角線,都沒有一個值是25.4mm。市場上有1英吋底的規格為13.2 × 8.8mm,對角線長度15.9mm——也就是0.63英吋。換句話說小米12S Ultra鏡頭的1英吋影像感測器,其對角線長度其實也並沒有1英吋。  

(來源:MKBHD)

  所以在產業裡常聽到這種說法:影像感測器的這個英吋數,必須乘以一個係數,才得到實際的物理值。問題是為什麼呢?玩相機的讀者應該知道,Panasonic、Olympus在用一種M43規模的影像感測器,傳說尺寸是4/3英吋。但實際上M43影像感測器的尺寸是17.3 × 13mm,對角線約21.6mm,大於1英吋,但也沒到達到真正的4/3英吋。 其實大尺寸的影像感測器,在尺寸標注上也很詭異:如全畫幅影像感測器,約定俗成都不再用對角線英吋單位來記其大小,而稱其為35mm感測器——約等於當代全畫幅影像感測器的長邊。這些都可認為是歷史遺留問題,這次本文只說說小尺寸影像感測器的尺寸計數方式——這其實已經是一段很長的歷史了。 空管時代的電視機和攝影機 有家著名網站稱「YouTube」,名稱中的「Tube」來源就是早年的真空管(電子管)。1939年,更早的機械電視淡出人們視野,取而代之的是全電子的電視;陰極射線管(CRT)崛起——後端有個電子槍的玻璃真空管。這裡面的電子槍能夠發射電子束,轟擊到螢幕上——螢幕上面鍍有磷光體(phosphor),被電子撞擊後就能發光。     這就是早年那種屁股巨大的老電視。藉由磁場,真空管發射出的那個電子束就能對螢幕從上至下、從左至右進行「掃描」(一行一行,也就有了多少「線」的概念),而且調整控制電極的電壓,就能控制電子束的亮度,決定了有多少電子發射出去——電視畫面也就有了變化。這是黑白電視顯示的基本原理。  

注意尾巴上的真空管。

(來源:維基百科)

  同時代,真空管攝影機的原理更複雜些,而且似乎有比較多樣的真空管設計方案。畢竟靜態照片和動態畫面的拍攝還是有很大差異——這和現在影像感測器的時代就大不一樣了,其中有一種比較常見的叫正析像管(image orthicon tube)。  

電視攝像管(camera tube)。

(來源:Encyclopadia Britannica)

  這種「攝像機」鏡頭部分的光學系統是類似的,後面的正析像管可以看做是感光元件的角色,其上塗有光電物質——也就是說在光打到上面的時候,它就能以相應的比例釋放電子。這些電子受到內部磁場結構的影響,會傳往這根管子的後方——後面有個很薄的玻璃板,其上有更多電子:其上產生更多的負電荷;向前方發射電子束,到了前面再反射——反射電子束在管子裡面放大了,最終才成為影像亮度訊號的一部分。 早年的這種成像原理也決定,電視畫面只能直播,因為沒有載體記錄,連錄影帶都沒出現,電視其實還真的經歷了很長一段時間的純直播時代。  

(來源:How Was Video Invented)

  1英吋是真空管外直徑 實際上,當年的電視攝影機,某些型號內部所用真空管直徑就是2/3英吋——而且是外直徑。當然,真空管剖面的2/3英吋直徑不可能全部用於成像,真正參與成像的區域面積,實際上會比外直徑小大約1/3左右。  

(來源:The typothetical TRUTH about the 1 inch sensor)

  這其實就是前面探討如今1英吋影像感測器的對角線,真正的長度大約在0.63英吋的原因。有關真空管顯像的,還有個有趣的事情。就是當年我們說32吋的CRT電視——或者32吋大彩色電視,實際這個顯示幕對角線也不是32英吋——它所表示的值是相關於內部真空管所覆蓋的部分。32吋彩色電視真正的可視區域可能是28吋。現在是液晶或者OLED時代,當然就不存在這種情況了。 對於小尺寸影像感測器的尺寸,標注真空管外直徑的這種傳統被保留。而且似乎有種說法,把這個假的「英吋」稱為optical format。於是,現在所說的手機、數位相機、無人機、運動相機等的影像感測器尺寸,都並非其真實尺寸,小米12S的「1英吋大底」也不例外。     這種「傳統」究竟是誰促成的,似乎不大可考,不過肯定不是由Sony背鍋。Sony官網在針對自家感測器的標注上都幾乎不會用「inch」或者表示英吋的"記號,而是用「Type」這個詞,如Type 1/1.7,Type 1/3,或者1.0-type。而且對所有感測器都會標清楚長寬具體是多少。 不過下游企業宣傳,以及媒體報導都會毫不猶豫地說1英吋——畢竟這已是產業的約定俗成。值得一提的是,先前Sony Xperia PRO-I、夏普Aquos R6這些手機雖然鏡頭也都用了1英吋大底,不過其相機系統對影像感測器的實際面積利用率還會更小——Sony和夏普都選擇只用影像感測器上的一部分,不知道是基於哪方面的考慮。小米這次表示IMX989這顆感測器是在沒有裁切的情況下應用在成像,所以是「完整」1英吋大底。這是小米12S系列手機的又一個優勢;在「1英吋」的分量上也算更充足吧。 本文原刊登於EE Times China網站        

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