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

但實際上，它并不是傳感器的實際物理尺寸，而是一種歷史遺留下來的、有點讓人迷惑的命名方式。這個命名起源于攝像機，早期的攝像管有一個圓形的感光區(qū)域，后來人們就習慣用這個感光區(qū)域的直徑來給它命名。所以，所謂的1英寸、1/4 英寸，都源于一個叫 “視頻管英寸” 的標準。當時攝像管的玻璃外殼直徑用英寸來標注，而感光區(qū)域的對角線長度和這個英寸值有一個固定的換算關系：感光區(qū)域對角線長度 = “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，靶面對角線長度是 25.4×1/4×2/3≈4.23 mm。當然這個數(shù)值不是絕對的，而是在這個數(shù)值上下浮動，不同的廠家和型號可能會有微小差異。所以這個換算關系就是為什么它們的命名和實際尺寸看起來對不上號的原因。這就像是鞋子的尺碼，你穿的42碼鞋子，鞋長可不是42厘米，它只是一個標準代號。所以，這個尺寸也被稱為光學格式（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”就是指這個區(qū)域。

傳感器芯片尺寸（Die Size）：這是整個硅片的大小，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，我們就以此為例進行計算。

“1/4英寸”對應的是一個對角線長度為4.5mm的感光區(qū)域。因此對角線長度為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，我們可以計算出傳感器的長和寬：

長 (L) = 4x=3.6mm

寬 (W) = 3x=2.7mm

最后，計算感光面積：

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應的實際物理尺寸：

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

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

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

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

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

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

記住，這個數(shù)字越小，如1/4英寸，代表的實際感光面積也越小。

再來看像素尺寸的計算

假設 1/4英寸 的傳感器有 500萬像素（即5M）。

單個像素的面積就是：

也就是 1.944μm2。

單個像素的邊長就是√1.944 ≈1.39μm。

如果你把像素數(shù)增加，在1/4英寸上做到1200萬像素，那么單個像素的尺寸就會變得更小，畫質也會受到影響。

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

二、從靶面到像素：尺寸和畫質的內在聯(lián)系

靶面尺寸，也就是傳感器的感光區(qū)域大小，是影響畫質的決定性因素。

我們可以把傳感器想象成一個裝水的盆，而像素就是盆里的一個個小格子。

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，每個格子就越大。

分辨率：就是格子的總數(shù)量。

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

1英寸傳感器的“盆”更大，每個“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“格子”，每個格子的面積就會小得多。

在光線充足時，兩者差別不大。（雖然大像素在動態(tài)范圍、色彩深度上通常仍有優(yōu)勢）。但在弱光環(huán)境下，光線不足時（不等于“全畫面都均勻地暗”），那小格子的“光桶”在較強光點（如燈光）處很快就會裝滿，導致溢出（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。則會因為收到的光子太少而無法準確判斷，產生噪點。但大格子的“光桶”因為能裝下更多的光子，圖像信號更強，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，成像質量越好，尤其是在弱光環(huán)境下。這就是為什么專業(yè)相機（全畫幅、APS-C）在拍攝夜景、室內燈光環(huán)境等弱光場景時，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節(jié)，而手機（小傳感器+小像素）拍同樣的場景，暗部可能噪點明顯，亮部則常常過曝成一片，丟失所有細節(jié)。

三、不同尺寸傳感器的應用和需求

傳感器尺寸對應用場景的影響非常大，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。尺寸最大，感光面積大，畫質最好，能拍出更純凈、細節(jié)豐富的照片，適合專業(yè)攝影師、廣告拍攝等對畫質要求極高的場景。

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

1英寸、1/1.7英寸：常用于高端卡片機、無人機。比如大疆的無人機就有很多用1英寸傳感器。它們在畫質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)智能手機和運動相機的主流尺寸。比如很多主流手機的廣角主攝都是這個尺寸。它們體積小、功耗低，能塞進輕薄的設備里。

1/4英寸、1/5英寸：更小的傳感器，通常用于安防監(jiān)控攝像頭、門鈴、內窺鏡、行車記錄儀等對體積要求極其嚴格，但對畫質要求相對不那么高的場景。它們追求的是低功耗、小體積、低成本。

四、算一筆賬：一片晶圓能產出多少芯片？

傳感器尺寸不僅僅影響成像質量，也直接關系到它的制造工藝、良率和最終成本。

制造工藝和結構：

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

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

成本：

大尺寸傳感器：成本比較高，主要是因為晶圓利用率低。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。

小尺寸傳感器：成本低得多。因為利用率極高。比如，一個1/4英寸的CMOS傳感器，在一塊8英寸（約200mm直徑）的晶圓上，可以切割出上千個芯片。8英寸晶圓的面積：π×(100mm)2≈31415.9mm2。假設1/4 英寸傳感器的實際芯片尺寸（包含封裝和測試區(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。當然，這只是一個粗略的估算，實際還會受晶圓邊緣、測試區(qū)等因素影響，但數(shù)量級是巨大的。

進一步地，我們也可以看看不同尺寸的芯片，在不考慮封測、邊緣損耗和切割道的情況下，理論上能產出多少個。

當然這也只是個粗略的數(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固定的，能切割出的芯片數(shù)量越多，分攤到每個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輒上千塊錢。當然，實際的良品數(shù)量還會受到良率的影響，尺寸越大，良率通常也越低，這會進一步拉高單個芯片的成本。

良率：

良率（Yield）：指的是合格品數(shù)量占總生產數(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，可能達到95%以上。假設良率為 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：如果晶圓上有幾個缺陷，很可能就報廢幾個大尺寸芯片，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因素決定的，而是多重因素交織在一起的結果。簡單來說，它就像一個復雜的等式，尺寸只是其中一個重要變量。

就好比為什么我們又會感覺到一些小尺寸傳感器會很貴呢？這通常不是因為尺寸本身，也不是因為它本身制造成本高，而是因為它所承載的頂尖技術和研發(fā)成本高。就像一件定制的高級襯衫，它的面料可能不比普通襯衫貴多少，但它的價值在于剪裁、設計和品牌。

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)控攝像頭傳感器可以賣得很便宜，而一顆1/1.3英寸的旗艦手機傳感器卻價格不菲。