基本光學原理:感光元件介紹 Part 2

更新 發佈閱讀 4 分鐘

感光元件介紹 Part 1,我們提到 sensor 的本質,是將光 (photon) 轉換成電訊號 (electron),接下來我們先複習像素 (pixel)的概念,並進一步探討幾個關鍵問題:

  • 解析度越高 (pixel 越多),真的代表影像畫質越好嗎?
  • 主流品牌在相機解析度上的策略差異為何?

像素 (Pixel):影像品質的最小單位

一張照片或影像是由許多像素 (pixel) 組成,每個像素代表一個取樣點。

我們可以將 sensor 想像成一塊由無數 pixel 組成的矩陣,每一個 pixel,本質上就是一個「小型的光電轉換裝置」,負責以下三件事:

  1. 接收光 (photon)
  2. 轉換為電子 (electron)
  3. 暫存並輸出訊號

換句話說:

可以將影像品質視為每一顆 pixel 的表現總和。

解析度 (Resolution) vs 像素尺寸 (Pixel Size)

大多數人會直覺認為:解析度越高 (pixel 越多) = 畫質越好

但實際上,事情比我們所想得更複雜。

當 sensor 尺寸固定時:

  • Pixel 變小 → 解析度 ↑
  • Pixel 變小 → 單顆 pixel 收光能力 ↓

這會帶來幾個關鍵影響:

  1. 訊號變弱 (Signal ↓)

因為每個 pixel 接收到的光變少 → 產生的電子數量也變少

  1. 雜訊比例變高 (Noise ↑)

在低訊號情況下,雜訊 (read noise / shot noise) 變得更明顯

  1. 動態範圍下降 (Dynamic Range ↓)

因為每個 pixel 能儲存的最大電荷 (full well capacity) 變小

所以實際上是:

解析度 vs 感光能力,是一個物理上的取捨 (trade-off)
像素進行光電轉換過程

像素進行光電轉換過程


主流品牌對相機解析度的策略差異

目前主流手機品牌對於解析度的取捨策略並不相同。

有些品牌選擇提升畫素,有些則維持較保守的設定。這並不是技術能力的差異,而是「產品定位」與「設計哲學」的選擇。

追求平衡與色彩 (Apple, Sony)
  • Apple 長期維持在 12MP,直到近期才在主鏡頭升級至 48MP。這類品牌更看重單個畫素的品質 (動態範圍、色彩深度) 以及處理器的運算攝影 (computational photography),認為過高的畫素會增加雜訊並拖慢處理速度。
  • 優先選擇「大尺寸像素」以確保物理品質,減少對影像後處理的依賴。
  • 整體照片風格:
    • 自然、穩定
    • 顏色偏保守
    • 更接近傳統相機成像
追求高畫素 (Samsung, Xiaomi, Huawei)
  • 這類品牌傾向使用 108MP (1億畫素)甚至 200MP (2億畫素)的 sensor。其目的是為了提供極致的細節裁切空間,並利用「畫素合併技術」(pixel binning) 在低光源下將多個小畫素組合成一個大畫素,兼顧高解析度與感光度。
  • 優先提升「解析度規格」,再用「演算法+架構」補足物理上的劣勢。
  • 整體照片風格:
    • 鮮豔、銳利
    • 對比強
    • 明顯影像處理風格
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Reference

Fundamentals behind modern scientific cameras

Sony 2-Layer Transistor Pixel

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