為何要花大錢增大 CMOS sensor 面積。 為何不提高AGC 放大增益使ISO值提高就好

頂級相機大多用全片幅 24X36mm 或更大的 CMOS Sensor

但是手機因為體積厚度所限， CMOS Sensor 很難超過 1/3" 太多 1/2"可能是極限了。

如此一來每顆像素分到的面積就很小，面積小，單位時間能收到的光子數量就少。光子少，產生的電子量就多，電子量少，產生的電荷 Q 就小，電荷小在電容器上產生的電壓就低。電低，送進放大器的電壓也低，放大器輸出也低，拍出來的相片就會比較暗。

有人問如果 CMOS Sensor 單位感光面積大三倍，快門是否可以快三倍。
答案是可以，但是通常工程師不會將寶貴資源全部用在增快快門。
那麼設計者會想要如何發揮這個3倍優勢呢?

設計者可選擇

1.提高快門三倍，使移動影像不模糊。(例如由 1/60秒>>1/180秒)
2.降低光圈三倍，使景深加深，讓前後清楚。(例如由 1:2 >> 1:6)
3.降低放大器增益 3倍，使雜訊變小 (例如 Gain= 20db >>13db) 等於延伸最大可用ISO值。
4.各項條件不變，而使"暗部"影像亮3倍，適合夜間照相。 即(快門 光圈 增益)不變


通常攝影師、工程師會想選 1，3 兩項各分一半好處。使照片不易模糊，噪訊小些，但是行銷業務人員會選第4項。因為世上畢竟麻瓜多專業人士少。一張主體不模糊、畫質乾淨的好相片，常常敵不過暗處變亮的驚艷。

手機通常是用電子快門，且沒有光圈可調。縮小光圈不可行，無意義。
所以通常會將這項優勢用在降低放大器增益，以降低雜訊，提高訊噪比。改善畫質。
也可讓增益不變使暗處增加三倍亮。(因光子進量3倍，所生電荷3倍，信號電壓也3倍)
也可用來將快門速度加快以減少移動影像模糊。(例如由 1/60秒>>1/180秒)

那麼聰明的工程師為何不將放大器的增益簡單的升高10倍讓小Sensor 也可以有 10倍 ISO 感光度呢?

由於真實世界與中學物理課本很不一樣。 麻瓜土想在物理世界中無效。


設若其他條件都相同 CMOS Sensor 單位感光面積若大三倍，單位時間能收到的光子數量就會增加。
光子多，產生的電子量就多，電子量多產生的電荷 Q 就大，電荷大在電容器上產生的電壓就高 V=Q/C。電壓高，送進放大器的電壓也高，放大器輸出電壓高，那一個點的影像就會比較亮。所以Sensor 單位感光面積大，在暗處照出來的影像就會比較亮，比較好，比較無雜訊。

為何會比較無雜訊呢? 設計者為何不將放大器增益Gain增高10倍甚至100倍使暗處變亮呢? 如此一來 ISO 值就可 100 >> 1600 >> 25600 無限增大，不是嗎?

可惜我們不是生活在絕對零度。(-273.5度)

因為我們人是生活在攝氏25度左右，也就是克氏 298度。這種溫度足以使水銀滾燙溶解，堅硬冰塊變液體，所以是很熱的。
這種熱會震動所有物質的分子包括 CMOS Sensor 電容器及放大器內的矽半導體，而產生自由電子，這些電子與光子衝擊 Sensor 產生之電子完全相同。所以當無光子進入Sensor 時放大器仍會輸出影像信號，這就是熱燥訊。

有了熱噪訊墊底，任何比他小的信號在送達放大器前都會被淹沒，放大器放大幾千幾萬倍是沒有用的。
要使信號浮出噪訊大海水面上唯有增加 CMOS sensor 的單位面積。

要增加單位面積的唯二方法就是增加 CMOS Sensor 總面積使每一畫素分到更多面積。例如 1/3" >1/2" >1" >1.5"

或者減少總畫素，(例如 13M > 8M > 5M > 4M pixel)


當然還可以增加單位畫素之開口率或光電轉換率 (例如 BSI .....)
來增加信號輸出。不在本文討論範圍。