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小米12S摄像头那颗1英寸图像传感器,其实不是1英寸

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zxw88 发表于 2022-7-22 19:27:46 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
作者:黄烨锋 来源:EET电子工程专辑,谢谢
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这次小米12S Ultra手机的发布,应该说是这两年手机产品发布活动里相对声势浩大的一次。这款手机的一大亮点就在那颗看起来硕大的摄像头,形态更像相机的机身设计,以及和徕卡的联名。说起来徕卡这两年的联名活动真是频繁,前脚才和华为合作过,后脚就说要做“真正的徕卡手机”,现在LOGO又印在了小米手机摄像头了,上个月徕卡也才刚刚宣布了和松下的新合作...业务真是比蔡司还要忙。


这款手机才刚刚开售,其系统内相机app的apk文件都已经被人提取出来了,有了“人人皆徕卡水印”的后序故事。可见不少手机用户对拍照“逼格”这件事还是在意的。


抛开徕卡不谈,小米12S Ultra那颗硕大主摄用的传感器是来自索尼的IMX989。小米对这款手机拍照的一大宣传项就是“1英寸大底”——这说的当然就是索尼IMX989图像传感器了。据说IMX989是小米和索尼联合投入了1500万美元研发的。我们来闲话一下1英寸图像传感器,借此谈谈“1英寸”这个名词的有趣来源。


编辑|感知芯视界




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1英寸的确大,但不罕见


1英寸这个尺寸在手机摄像头图像传感器上,自然可以说是大尺寸。前不久的《手机摄像头凸起之谜:是行业摆烂,还是...》一文里,我们谈到过手机图像传感器为何越做越大。遥想2010年前后,手机摄像头普遍在用1/4~1/3英寸的图像传感器;当年的数码相机用1/2.3英寸底,高端数码相机才用1/1.7英寸底。一转眼,手机都用1英寸底了。


记得2014年,松下曾经鹤立鸡群地推出过一款摄像头图像传感器1英寸的CM1手机,这在当时称得上惊为天人。感觉把彼时的一切手机都按在地上摩擦了。


5、6年前,2016年前后不少手机摄像头开始用1/2.3英寸的图像传感器,在当时都算得上大底,如小米5s;同期的iPhone 7还在十分我行我素地用1/3英寸图像传感器。而现在的1英寸图像传感器,面积大约相当于1/2.3英寸图像传感器的4倍。


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来源:维基百科


到如今1英寸这个尺寸其实已经不惊悚了,历史上已经出现过的、采用1英寸图像传感器的手机至少包括松下CM1、徕卡Leitz Phone 1、夏普Aquos R6、索尼Xperia PRO-I(看起来日本和德国人在这方面显然更有迷思),后3款都是当代产品。


在真正的单反/微单相机面前,1英寸还是远远不够看的。相比真正的相机图像传感器尺寸天花板,宾得645z单反的中画幅图像传感器尺寸为42.8x32.8mm,面积是1英寸图像传感器的12倍以上。常规全画幅的单反/微单,图像传感器尺寸也比1英寸大7倍以上。基于这样的尺寸对比,前不久小米才出了个手机拍照(再再再度)秒杀专业单反的广告——这显然已经违反光学和各种物理定律了...


不过1英寸也的确是手机摄像头图像传感器尺寸暂时的天花板了。而1英寸这个尺寸,在其他领域则相对更为常见。数码相机(小DC)中颇具代表性的索尼黑卡(RX100)系列就是清一色的1英寸图像传感器;某些运动相机的图像传感器尺寸是1英寸,如Insta360 ONE R;还有某些比较高端的飞行器,如大疆DJI Air 2S也是1英寸底;尼康早年有个1系列微单也用过这样的规格...


“1英寸”其实不是1英寸


显像和成像行业普遍有个怪现象,就是各种单位和我们理解的物理量不一样。1英寸转化为公制单位,应为25.4毫米。但实际上,1英寸的图像传感器,无论长、宽、高、对角线,都没有一个值是25.4mm。市场上有1英寸底的规格为13.2x8.8mm,对角线长度15.9mm——也就是0.63英寸。换句话说小米12S Ultra摄像头的1英寸图像传感器,其对角线长度其实也并没有1英寸。


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来源:MKBHD


所以我们在行业里常听到这种说法:图像传感器的这个英寸数,必须乘以一个系数,才得到实际的物理值。问题是为什么呢?玩相机的同学应该知道,松下、奥林巴斯在用一种M43规模的图像传感器,传说尺寸是4/3英寸。但实际上M43图像传感器的尺寸是17.3×13mm,对角线约21.6mm,大于1英寸,但也没到达到真正的4/3英寸。


其实大尺寸的图像传感器,在尺寸标注上也很诡异:如全画幅图像传感器,约定俗成都不再用对角线英寸单位来记其大小,而称其为35mm传感器——约等于当代全画幅图像传感器的长边。这些都可认为是历史遗留问题。这次我们只说说小尺寸图像传感器的尺寸计数方式——这其实已经是一段很长的历史了。


真空管时代的电视机和摄像机


有家著名站点叫“油管”,这里的“管”来源就是早年的真空管(电子管)。1939年,更早的机械电视淡出人们视野,取而代之的是全电子的电视。阴极射线管(CRT)崛起——后端有个电子枪的玻璃真空管。这里面的电子枪能够发射电子束,轰击到屏幕上——屏幕上面镀有磷光体(phosphor),被电子撞击后就能发光。


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这就是早年那种屁股巨大的老电视。这里面的原理其实还可以再细致一些。藉由磁场,真空管发射出的那个电子束就能对屏幕从上至下、从左至右进行“扫描”了(一行一行,也就有了多少“线”的概念),而且调整控制电极的电压,就能控制电子束的亮度,决定了有多少电子发射出去——电视画面也就有了变化。这是黑白电视显示的基本原理。后续的“彩电”其实有多个发展方向,这就不是咱要讨论的重点了。


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注意尾巴上的真空管,来源:维基百科


同时代,真空管摄像机机的原理更复杂些,而且似乎有比较多样的真空管设计方案。毕竟静态照片和动态画面的拍摄还是有很大差异的——这和现在图像传感器的时代就大不一样了。其中有一种比较常见的叫正析像管(image orthicon tube)。


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Television camera tube, 来源:Encyclopadia Britannica, Inc.


这种“摄像机”镜头部分的光学系统是类似的,后面的正析像管可以看做是感光元件的角色,其上涂有光电物质——也就是说在光打到上面的时候,它就能以相应的比例释放电子。但这还没远未结束。这些电子受到内部磁场结构的影响,会传往这根管子的后方——后面有个很薄的玻璃板,其上有更多电子:其上产生更多的负电荷;向前方发射电子束,到了前面再反射——反射电子束在管子里面放大了,最终才成为图像亮度信号的一部分。


看不懂无所谓,反正也是旧时代的知识了。早年的这种成像原理也决定了,电视画面只能直播,因为没有载体记录下来,连录影带都没出现。电视其实还真的经历了很长一段时间的纯直播时代。


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来源:How Was Video Invented - YouTube


话题岔开一下,那时候有一种记录电视摄像机画面的方法,就是在电视摄像机的监视器后面,再接一个电影摄像机——用电影摄像机来拍电视摄像机的监视器,用胶片把这些画面记录下来(就跟翻拍一样)。但其实想一想就知道,电影胶片成本极度高昂,而且翻拍效果还不好,这种方法是完全不可持续的。所以1956年,录像机就出现了,画面就能记录在磁带上了。


1英寸是真空管外直径


扯得有点远了,对上面这部分内容感兴趣的读者可以藉由我们的索引信息去查更多的资料。回到1英寸的话题。实际上当年的这种电视摄像机,某些型号内部所用真空管直径就是2/3英寸——而且是外直径。当然,真空管剖面的2/3英寸直径不可能全部用于成像,真正参与成像的区域面积,实际上会比外直径小大约1/3左右。


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来源:The typothetical TRUTH about the 1 inch sensor - YouTube


这其实就是前面我们探讨如今1英寸图像传感器的对角线,真正的长度大约在0.63英寸的原因。


有关真空管显像的,还有个有趣的事情。就是当年我们说32英寸的CRT电视——或者32寸大彩电,实际这个显示屏对角线也不是32英寸——它所表示的值是相关于内部真空管所覆盖的部分。32寸彩电真正的可视区域可能是28寸。当然现在是液晶或者OLED时代,就不存在这种情况了。这又是个题外话。


对于小尺寸图像传感器的尺寸,标注真空管外直径的这种传统被保留。而且似乎有种说法,把这个假的“英寸”称为optical format。于是,我们现在所说的手机、数码DC、飞行器、运动相机等的图像传感器尺寸,都并非其真实尺寸。小米12S的“1英寸大底”也不例外。


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这种“传统”究竟是谁促成的,似乎不大可考。不过肯定不是索尼的锅。我们还特别去索尼官网的成像与感知技术下探查了一番,索尼在针对自家传感器的标注上都几乎不会用“inch”或者表示英寸的"记号,而是用“Type”这个词,如Type 1/1.7,Type 1/3,或者1.0-type。而且对所有传感器都会标清楚长宽具体是多少。


不过下游企业宣传,以及媒体报道都会毫不犹豫地说1英寸——毕竟这也已经是行业的约定俗成了。


最后值得一提的是,此前索尼Xperia PRO-I、夏普Aquos R6这些手机虽然摄像头也都用了1英寸大底,不过其相机系统对图像传感器的实际面积利用率还会更小——索尼和夏普都选择只用图像传感器上的一部分,不知道是基于哪方面的考虑。小米这次表示IMX989这颗传感器是在没有裁切的情况下应用于成像的,所以是“完整”1英寸大底。这是小米12S系列手机的又一个优势;在“1英寸”的分量上也算更充足吧。


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