深入浅出Sensor CRA(主光角)

众所周知,sensor的效能与sensor本身的灵敏度与光线入射到sensor的角度有关。而光线入射到sensor pixel的角度是由Lens的CRA和sensor的Micro Lens开口布局(sensor的CRA)决定的。

CRA是Chief Ray Angle的缩写,意思是主光角。从镜头的传感器一侧,可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为一个参数,称为主光角(CRA)。对于主光角的一般性定义是:此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时,此像素是垂直于光线的)的80%。

我们在挑选Lens的时候会有一个CRA的参数,在选择sensor的时候同样有一个CRA的参数,一般我们要求Lens的CRA曲线与senosr的CRA曲线完全匹配,如果实在不能匹配,我们也要求在同样的像高位置,CRA相差不能超过3度,而且最好是Lens的CRA比sensor的CRA小。否则将会导致成像照度或色彩问题

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什么是Sensor的CRA

拍摄镜头和传感器之间的接口是整个可拍照手机系统中最重要的接口之一。随着镜头的长度变得越来越短,光线到达传感器像素位置的角度也就会变得越来越大。每个像素上都有一个微镜头。微镜头的主要功能就是将来自不同角度的光线聚焦在此像素上。然而,随着像素位置的角度越来越大,某些光线将无法聚焦在像素上,从而导致光线损失和像素响应降低。

光线进入每一个像数的角度将依赖于该像素所处的位置,镜头轴心线附近的光线将以接近零角度进入像素中随着它与轴心线的距离曾大,角度也变大.CRA与像素在传感器中的位置是相关的 。

光线进入每个像素的角度将依赖于该像素所处的位置。镜头轴心线附近的光线将以接近零度的角度进入像素中。随着它与轴心线的距离增大,角度也将随之增大。CRA与像素在传感器中的位置是相关的,它们之间的关系与镜头的设计有关。很紧凑的镜头都具有很复杂的CRA模式。如果镜头的CRA与传感器的微镜头设计不匹配,将会出现不理想的透过传感器的光线强度(也就是“阴影”)。通过改变微镜头设计,并对拍摄到的图像进行适当处理,就可以大大降低这种现象。改变微镜头设计可以大大降低阴影现象。然而,在改变微镜头设计时,必须与镜头设计者密切配合,以便为各种拍摄镜头找到适合的CRA模式。相机的设计工程师应该确保这种技术合作得以实现,并确保传感器与镜头CRA特性可以很好地匹配。为确保成功实现此目标,美光开发了相关的仿真工具和评价工具。由于光线是沿着不同的角度入射到传感器上的,因此对于各种镜头设计而言,阴影现象都是固有的。 “cos4定律”说明,减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的。另外,在某些镜头设计中,镜头可能本身就会阻挡一部分光线(称为“晕光”),这也会引起阴影现象。所以,即使微镜头设计可以最小化短镜头的阴影现象,此种现象还是会多多少少地存在。因此后端ISP一般都会有LSC功能。

什么是Sensor的CRA

Sensor有一个 CRA值,也就是Sensor的Micro Lens与光电二极管的位置存在一个水平误差,并不在一条直线上,做成这样有一定的目的,按通常的做法,因为Sensor的Micro Lens与光电二极管之间存在一定的距离,这样的做的目的也是为了好搭配Lens。因为CAR为0度的Lens还是不好找的。。。。

普通的FSI的sensor都有一个类似光子井的结构用来收集光子:

什么是Sensor的CRA

当CRA增加的时候,光线会被金属电路层阻挡掉一部分,导致sensor接受光的效能降低。

那么:1 pixel越大,这种影响会越小:

什么是Sensor的CRA

2 对于BSI的sensor,这种影响也会更小:

什么是Sensor的CRA

因此对于FSI的sensor来说,通常会通过移动sensor表面的Micro Lens来收集更多的光线:

什么是Sensor的CRA

怎样选择Sensor的CRA

  1. 广角镜头:这时一般Lens的CRA比较大,需要选择CRA大于25度的Sensor或者BSI的Sensor;一般用于手机、安防、玩具、网络摄像头等;
  2. 超长焦镜头:这时一般Lens的CRA比较小,需要选择CRA为0度的Sensor;一般用于安防、机器视觉等;
  3. 变焦镜头:这时Lens的CRA是变化的,一般需要根据实际应用选择,最好采用大pixel,BSI的Sensor;一般用于安防等;
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