Bizarre Sensor Size

M43與它的英制奇葩小伙伴們

Weifu Lin | 林渭富

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獨眼龍の國

Oct 2, 2018

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你可能不會非常在意這一天，但今年（2018）8月5日，是「微4/3系統」（Micro Four Thirds System，以下簡稱M43）問世10週年的日子。

它的前世「4/3系統」（Four Thirds System，以下簡稱4/3），很像是個砍掉舊角色重練的玩家，披荊斬棘從新手村殺出了一條血路；後繼者M43系統登場時，搭載了最有效的超音波除塵技術、抛棄反光鏡、適合轉接各種老鏡的短法蘭距、機身還有五軸防手振、即時預覽加上錄影機能……，它率先抵達了「無反光鏡可交換鏡頭相機」（Mirrorless Interchangeable Lens Cameras, MILC）的藍海。

它並未採用高價位的全片幅感光元件（Full frame image sensor）。或許是出於一種對未來的信心，與莫名偏執，它採用的感光元件稱為「三分之四型」（Four Thirds type）。4/3，意指三分之四吋。

各式感光元件包括M43型在內的尺寸比較。根據網路資訊重新校對編輯後繪製。繪圖：Weifu Lin

我們再看2018年蘋果最新智慧手機iPhone Xs的規格表，它的相機主鏡頭使用的感光元件有多大？經過專業拆解並且以Ｘ光檢視，確認感光元件尺寸是7.01 mm x 5.79 mm，有效像素範圍約為5.76 mm x 4.29 mm，因此可被歸類於1/2.5吋型。這個尺寸不算大，還有各式各樣「看起來像是分數」的型號，像是：1/2.5吋、1/2.3吋、1/1.7吋、2/3吋、當然，也有剛好１吋的型號。

那麼，三分之四吋是多長？熟悉公制度量衡世界的你（妳），在英制與公制之間換算時，腦袋是不是感到有點吃力？我個人已經無法心算出答案，只能求助萬能的計算機，這還只是長度換算而已。

這些堪稱奇葩的數位感光元件尺寸，到底是怎麼制定的？

英美文化的深刻影響

傳統底片片幅，除了尺寸之外，也是一種文化的遺緒。它直接影響了新時代數位感光元件的研發，同時也制約了使用者的心態。今天要談的是小片幅數位感測器的尺寸標示習慣。在此之前，先來研究一下2002年奧林巴斯（Olympus）與柯達（Kodak）結盟後推出的「4/3系統」，對應無反光鏡結構的系統，則稱之為M 4/3（Micro Four Thirds）。

4/3，讀作三分之四，又稱為一又三分之一，長度單位是英吋，但它並非感光元件的大小。

根據4/3系統的《白皮書標準摘要》，M4/3與4/3系統，決定將徠卡片幅（24 x 36 mm）對角線長度一半作為自家感光元件的大小。這個長度是21.63 mm。實際上進入生產製造的整體元件略長於標示，對角線長度約為22.5mm。

奇葩之處在於：它採用的是1930–1980年間，大眾傳播工業所使用的類比感光元件「攝像管」（Video camera tube）的尺寸標示原則。

由日本松下電器所製造的一種攝像管（Vidicon tube）。使用的是光導體（photoconductor）。圖片來源：Wiki 作者： Sphl（符合CC 3.0）

當時的真空管玻璃封裝類比感光元件，由於技術限制，直徑一吋的真空管，只能放入三分之二大小的光電陰極（Photocathode），三分之二吋換算約等於16mm。這個「光電陰極直徑16mm」的攝像管玻璃外殼直徑一吋，被稱為一吋管。同理，1/2吋管中的光電陰極直徑是8mm。日後改良使用元件稱為光導體（photoconductor），但命名習慣不變。

現在時光向前推移至2002年。想像一下：

同樣條件下，如果想把「長寬比4:3、對角線長度22.5mm的矩型感光元件」塞入管子，真空玻璃管直徑至少要多少英吋？

答案是：22.5 mm x( 3/2) ＝33.75 mm ≒1.33吋

＝4/3吋

「三分之四吋」讀作 four thirds inches，回到2002年，這個聯盟決定用這個分數當作聯盟和整個系統的名稱。你可以說這些人懷有浪漫的思古幽情，想要承先啓後、繼往開來……或者根本腦袋有洞。總之這個系統名稱就這樣定下來了，一直用到今天。

想想當年制訂攝像管系統的RCA，與參與4/3系統的主要決策者（特別是初代感光元件供應者柯達公司）都是美國企業，就不難理解：使用英制對美國人來說，是一件再平常自然也不過的事情。

攝像管內部分解圖。包覆在真空玻璃館的光敏體直徑，當然要比玻璃管小才裝得進去。圖片來源：大英百科全書線上版。連結：https://www.britannica.com/technology/television-technology/Principles-of-television-systems/media/1262241/60165

4/3系統的畫面長寬比例不是一般常見的3：2，而是4：3，有不少人誤認為這才是4/3系統命名的由來，可惜並不是。它只是一個巧合。迄今為止，舉凡小於三分之四吋的數位感光元件，幾乎全部按照這個英吋原則來命名。如果你喜歡畢達哥拉斯定理的話，可以自己驗算看看，順便排解無聊。像是iPhone Xs相機感光元件對角線長度，計算出來應該大約是7.18 mm，換算後真空管玻璃管徑至少需要10.77 mm，約為0.4吋，在業界就會被標示為「1/2.5吋型」。

反過來說，如果有某智慧手機宣稱自己的相機採用「１吋型感光元件」，它想表達的其實是感光元件對角線長度只有一吋長度的三分之二，亦即25.4mm ╳ ⅔=16.9mm。使用英制並無不可，但標示不代表感光元件實體大小。

要注意：１吋型、1/2.5吋型，指稱的都是「型號」（type），而非尺寸。如果你真的拿著游標尺去量測感光元件，結果可能會讓你很失望。

M4/3系統在這個英吋小天地中鶴立雞群，就像哈比人中的巨人一樣。再大一點的片幅，命名規則再度回歸底片產業，像是APS（這又是柯達曾經生產過的底片格式）、中片幅（Medium Format），以及等同於徠卡片幅的全片幅（Full Frame）。

至於美國為何迄今未放棄英制，全面改用公制？這又是另一個長篇故事了。

2021年 Update：「一吋型」不是一吋對角線長

或許是為了避免誤會，有些廠商官方文宣已不再使用「１吋型」的說法，單純只寫成「1.0型」（1.0 type），免得又被不明就裡又吹毛求疵的奧客告上法庭。

2021年10月26日，SONY發表了新款智慧手機Xperia PRO-i，銷售重點是採用了與SONY RX100 VII同型的「1.0型」EXMOR CMOS感光元件。為了手機機身輕薄，無法使用相同的光學元件，重新設計鏡頭模組以縮小體積，成像圈隨之縮小，於是所謂的１吋型感光元件的「實際有效尺寸」，又再度縮水了。

手機的「一吋型」只是型號，不是感光元件對角線一吋長。它比你想像中要小很多。繪圖：Weifu Lin

照理說，熟知規格的業內人士應該知道「一吋型」CMOS名字的奧妙之處，但誤以為「１吋型＝１吋對角線長」的3C網紅也大有人在，其中包括擁有超過1500萬名粉絲的知名人士。對，你沒看錯 — — 是1500萬名粉絲。想想看這位網紅一旦搞錯了什麼，可能會誤導多少使用者。

根據DPRiview提供的情報顯示，Xperia PRO-i使用的CMOS，對角線長只有12.1mm。它仍然比iPhone PRO 13的主鏡頭感光元件要大 — — 儘管只是大了一點點。從下圖的感光元件尺寸，可以看出SONY Xperia PRO-i與RX100、iPhone 13的CMOS規格的差異：