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理解相機模組中的像素間距：2025年完整指南
創建於 2025.12.03
如果您曾經想知道為什麼一部50MP的智能手機相機有時拍攝的低光照片比12MP的單反相機更糟，或者為什麼工業檢測相機依賴特定的像素規格來進行精確測量，答案很可能在於像素間距。這個常被忽視的規格是相機模組性能的無名英雄，影響著從消費設備的影像品質到工業機器視覺系統的準確性。在2025年，隨著相機技術的不斷演進——從智能手機到熱成像無人機的小型傳感器驅動著一切——理解像素間距變得比以往任何時候都更為重要。
在本指南中，我們將揭開像素間距的神秘面紗，分析它對相機模組性能，探索其在各行業中的變化，並分享選擇適合您應用的像素間距的可行見解。無論您是產品設計師、攝影愛好者，還是構建工業成像系統的工程師，這次深入探討將使您具備做出明智決策的知識，關於相機模組的規格。
相機模組中的像素間距是什麼？
讓我們從基本概念開始：像素間距（在某些情境中也稱為像素大小）是相機感測器上兩個相鄰像素中心之間的物理距離，以微米（µm）為單位測量。例如，具有3.45 µm像素間距的感測器意味著每個像素與其相鄰像素之間的距離為3.45微米。這與像素數量（百萬像素）不同，後者指的是感測器上的總像素數量——雖然百萬像素決定了解析度，但像素間距則決定了每個像素可以收集多少光線以及感測器可以解析多少細節。
要將這個視覺化，想像在畫布上有一個方格網格：像素間距是每個方格之間的間隙，而畫布本身代表感應器的大小。較小的間距意味著在相同的畫布上可以容納更多的方格（像素），從而增加取樣密度——感應器捕捉空間細節的速率。相反，較大的間距則在像素之間創造了更多的空間，允許每個像素覆蓋更大的矽區域並收集更多的光子（光粒子）。
這個基本的權衡——取樣密度與光收集——是像素間距設計的基石。正如我們稍後將探討的，並不存在「一刀切」的像素間距；最佳值完全取決於相機的預期使用情境。
像素間距如何影響相機模組性能
像素間距直接影響相機模組的三個關鍵性能指標：光敏感度、解析度和細節，以及信號噪聲比（SNR）。讓我們逐一分析這些關係：
光敏感性與低光表現
像素間距對感測器捕捉光線的能力影響最為顯著。較大的像素擁有更多的矽表面積來收集光子，這轉化為更好的低光性能。例如，具有 1.0 µm 像素間距的智慧型手機相機（在現代高像素手機中常見）在昏暗的光線下會面臨困難，因為每個像素捕捉的光線遠少於 DSLR 感測器中的 4.0 µm 像素。這就是為什麼旗艦智慧型手機經常使用「像素合併」技術——將四個 1.0 µm 像素合併成一個 2.0 µm 像素——以模擬較大像素的光收集能力。
相較之下，工業計量相機如Kaya Vision Iron 661使用3.45 µm的像素間距來平衡光敏感度與精確度。雖然這個間距小於單反相機的，但感測器的量子效率（在520 nm時為63%）和低時間噪聲（低於2.7 e⁻）補償了減少的光收集，確保即使在受控的照明條件下也能進行準確的測量。
解析度與空間細節
較小的像素間距增加了取樣密度，這使得感測器能夠捕捉更細微的細節。對於半導體晶圓檢測或汽車零件質量控制等應用，較小的像素間距（例如，2.5 µm 或更小）使相機能夠解析出對於具有較大間距的感測器來說將是不可見的微小缺陷。這就是為什麼高解析度機器視覺相機通常具有低於 4 µm 的像素間距——它們優先考慮細節而非低光性能，因為這些系統通常在光線充足的環境中運作。
然而，像素間距的縮小有其極限，超過這個極限後會受到衍射極限的影響。當像素過小時，光學系統（鏡頭）無法以足夠的精度將光線投射到它們上，導致細節模糊和清晰度降低。這對於相機模組設計師來說是一個關鍵考量：將像素間距縮小到某個程度後，並不會帶來額外的解析度好處。
信號噪聲比 (SNR)
SNR 衡量有用影像信號與不必要噪聲（例如，照片中的顆粒感）之間的比率。較小的像素間距減少了每個像素收集的光量，這降低了信號並增加了噪聲——尤其是在低光條件下。例如，具有 1.2 µm 像素間距的感測器在昏暗光線下的 SNR 可能為 30 dB，而同一製造商的 2.4 µm 像素感測器在相同條件下則可以達到 45 dB。
為了減輕這一問題，相機模組製造商使用先進的感測器技術，如背照式（BSI）感測器和堆疊式CMOS設計，這些技術改善了小像素的光吸收。例如，Teledyne FLIR的紅外（IR）相機模組使用8 µm和15 µm的像素間距，用於中波紅外（MWIR）系統，以維持高信噪比（SNR），同時減少模組的尺寸、重量和功耗（SWaP-C）。
各行各業的像素間距：應用特定設計
像素間距的要求在各行各業中差異顯著，因為每個應用都優先考慮不同的性能指標。讓我們來探討在2025年，像素間距如何為三個關鍵領域進行優化：
消費電子產品（智慧型手機、相機）
在智慧型手機產業中，對於更小像素間距（0.7 µm 到 1.4 µm）的趨勢是由於對於緊湊感測器中高畫素數的需求所驅動。例如，具有 1.0 µm 像素間距的 1 吋感測器可以容納 200MP，而 1.4 µm 的間距則會限制在 108MP。然而，這些小像素犧牲了低光性能，因此製造商將它們與更大的光圈（例如 f/1.4 鏡頭）和像素合併技術搭配使用以作補償。
對於消費級數位單眼相機和無反相機，重點在於較大的像素間距（3.0 µm 至 6.0 µm），以提供卓越的影像品質和動態範圍。例如，具有 4.3 µm 像素間距的全幅感光元件，能夠捕捉比智慧型手機感光元件更多的光線和細節，使其成為專業攝影的理想選擇。
工業機器視覺與計量
工業相機模組需要在解析度和測量精度之間取得平衡的像素間距。用於檢查300mm半導體晶圓或汽車車身面板的計量相機通常使用3.45 µm的像素間距（如Kaya Vision的Iron 661相機中的Sony IMX 661感測器）。這種間距提供128MP的解析度，配備56.7 mm對角線感測器，使相機能夠捕捉細微細節，同時保持足夠大的視野以一次檢查整個物體。
進一步縮小像素間距（例如，至2.0 µm）將提高解析度，但會降低感測器的全井容量（像素在飽和之前可以容納的光量）和動態範圍。對於工業應用來說，這種權衡通常是不可接受的，因為準確的邊緣檢測和測量需要低噪聲和高動態範圍。
紅外熱成像
IR 相機模組面臨獨特的像素間距挑戰，因為較小的像素減少了熱成像系統的大小、重量、功耗和成本（SWaP-C）——這對於無人機、可穿戴設備和汽車熱傳感器至關重要。在 2025 年，Teledyne FLIR 的 Neutrino SX8-CZF 相機使用 8 µm 的 MWIR 像素間距，較之前的 15 µm 減少，以為長程監視無人機創造緊湊的熱核心。
然而，較小的紅外像素需要更快的光圈值（更大的光圈）來維持靈敏度，因為它們收集的紅外光子較少。這意味著，雖然較小的像素間距使得小型化成為可能，但它們也需要更先進的光學設計，以避免妥協性能。
平衡像素間距與感應器大小：最佳平衡點
像素間距並不是孤立存在的——它必須與感應器尺寸配對，以實現最佳性能。感應器尺寸決定了總像素數量和視場（FOV），而像素間距則定義了取樣密度。要可視化這種平衡，可以想像一個權衡圖：
• X軸（像素間距）：較小的值會提高解析度，但會減少光線收集。
• Y軸（感測器對角線）：較大的值擴大視場，但增加系統成本和尺寸。
大多數高性能相機模組的「最佳區域」位於此圖的左上象限：小像素間距以實現高解析度，搭配大型感測器以獲得寬廣的視場。Kaya Vision 的 Iron 661 和 Zinc 661 相機體現了這種平衡，具有 3.45 µm 的間距和 3.6 吋的感測器格式，提供 70.8 dB 的動態範圍和 9,825 e⁻ 的滿井容量。
在設計相機模組時，工程師還必須考慮四個相互關聯的限制：
1. 鏡頭影像圓圈：鏡頭必須均勻地照亮整個感應器。
2. 系統大小：較大的感應器需要更大、更昂貴的鏡頭。
3. 照明均勻性：更寬的視場需要對照明進行更嚴格的控制。
4. 數據帶寬：更多的像素產生更多的數據，需要更快的接口（例如，PCIe Gen 3 或 CoaXPress 2.1）。
2025 像素間距技術趨勢
相機模組產業正在迅速發展，2025年像素間距設計的三個關鍵趨勢是：
1. 更小的紅外像素間距以優化SWaP-C
隨著熱成像在消費和工業設備中變得主流，製造商將紅外像素間距縮小至8微米（中波紅外）和12微米（長波紅外）。這使得智能手機、可穿戴設備和物聯網設備能夠擁有緊湊的熱核心，而不犧牲檢測範圍。
2. AI驅動的像素間距補償
人工智慧正被用來減輕小像素間距的缺點。例如，AI降噪算法可以改善配備1.0微米像素的智能手機相機在低光環境下的表現，而機器學習模型則提高了小像素間距工業相機的測量準確性。
3. 混合像素間距以進行多模態成像
一些相機模組現在具有可變像素間距——在低光條件下使用較大的像素，而在高解析度日光拍攝時使用較小的像素。這種混合設計在下一代汽車相機中得以應用，平衡了多功能性和性能。
如何為您的相機模組選擇合適的像素間距
選擇最佳的像素間距取決於您應用的優先事項。請遵循以下步驟以做出明智的決定：
1. 定義您的核心需求：您需要高解析度、低光性能，還是寬廣的視野？例如，安全攝影機優先考慮低光敏感度（較大間距），而條碼掃描器則需要高解析度（較小間距）。
2. 考慮操作環境：在明亮的實驗室中，工業相機可以使用較小的像素間距，而戶外監控相機則需要較大的像素以確保低光環境下的可靠性。
3. 平衡像素間距與感測器大小：使用權衡圖找到解析度與視場之間的最佳平衡點。
4. 評估支援技術：尋找具有BSI設計、像素合併或低噪聲讀取電路的感測器，以補償小像素間距。
結論
像素間距是相機模組性能的基礎，影響從影像質量到測量精度的各個方面，涵蓋消費、工業和航空航天應用。在2025年，隨著相機技術的持續小型化和演變，了解像素間距如何與感測器大小、光學元件和使用案例需求互動，將對任何設計或選擇相機模組的人士至關重要。
無論您是在構建智能手機相機、工業檢測系統還是熱成像無人機，請記住：像素數並不是一切。合適的像素間距，配合設計良好的感測器和鏡頭，將始終提供比高像素感測器與優化不良的間距更好的性能。通過在您的相機模組規格中優先考慮像素間距，您將釋放出影像系統的全部潛力—無論應用為何。
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