光学图像传感器（1）
大家好，今天是知乎的第二篇。
安卓手机摄像头的CMOS传感器的分辨率这几年增加太快了，从1300万，1600万，2400万，到现在的4800万，听说三星已经开始推6400万像素，同时已经在储备8000万像素。
大家很疑惑，CMOS像素分辨率这么高，但是手机镜头有这么高的分辨率吗？
为了解答朋友们的疑问，所以我打算分2篇，着重介绍像与CMOS传感器相关的内容。
800万到4800万像素的提升的过程，由于手机结构有限，为了在相同面积下提升CMOS的空间分辨率，只能去缩减单个pixel的尺寸：
目前4800万的CMOS单个pixel已经做到了0.8μm，将来甚至还会继续缩减到0.65μm以下。
我们再来看看手机镜头，很多朋友想当然地认为手机镜头的分辨率要和CMOS的分辨率匹配。实际是什么情况呢？
在1300万像素的年代，安卓手机常用CMOS的pixel是1.12μm，手机镜头多以4P和5P为主，镜头的Fno多在2.2~2.4之间，那手机镜头的分辨率呢？
根据衍射极限分辨率，我们选择中心波长为0.55μm，Fno=2.2，则镜头的衍射极限分辨率是1.5μm，考虑到像差的影响（不仅仅是传统的球差、彗差、色差，还有离焦），实际中心分辨率在2μm以上，也就是说对应一个物点，其像点大小至少是pixel的2倍，为什么说至少呢？因为中心视场的分辨率是最高的，越往边缘镜头分辨率越低。
目前的4800万像素，CMOS的pixel是0.8μm，手机镜头可以可以做到7P，Fno可以做到1.5左右，此时衍射分辨率是1.0μm，考虑到像差影响，实际中心分辨率在1.5μm左右，得到同样的结论，镜头的像点大小至少是pixel的2倍。
我们定义分辨比K：
通过以上分辨率的比较，我们发现K≥2。为什么会这样呢？笔者认为有两个原因：
第一，采样定律！
镜头拍摄的是空间上连续的辐射目标场，而CMOS则进行了空间上离散化记录。根据采样定律，要完整的解码信号，采样频率是至少要是信号频率的2倍。当K=1时，正好满足采样频率2倍要求。如下图所示，像点和pixel点正好对应起来。
但是考虑到像点与pixel存在的对位偏差，且CMOS信号响应存在迟滞等各种因素，这个采样频率是不够的。
当K=2的时候，采样频率对应是信号频率的4倍。实际上在电子信号处理中，采样频率通常也是3~4倍的信号频率。
第二，摩尔纹！
当镜头的像点与CMOS的pixel大小差不多的时候，拍摄周期性的纹理图案时，容易出现摩尔纹，K越大，保真度越好。经过各大厂商的验证，当K≥6的时候，保真度可以达到98%以上，也就是镜头像点和pixel尺寸差异达到这种程度的时候，基本就完全消除了摩尔纹。
总结下，手机厂商宣传的手机摄像头分辨率，指的是CMOS的像素数，手机镜头的分辨率是达不到这么高的。下一篇就不讲镜头了，着重介绍传感器的一些特性。
欢迎大家留言，互相学习。
