4.10. Farbsensoren¶

Die Photodiode in jeder Zelle ist farbenblind. Sie zählt Photonen jeder Wellenlänge, die das Silizium absorbiert, ohne Rot von Grün von Blau zu unterscheiden. Um aus einem farbenblinden Sensor ein Farbbild zu gewinnen, überzieht der Hersteller das Pixelraster mit einem Farbfilterarray (CFA): einem dünnen Farbstofffilm, der jede Zelle nur eine der drei Primärfarben sehen lässt.

4.10.1. Das Bayer-Muster¶

Das vorherrschende CFA-Layout ist das Bayer-Muster, benannt nach seinem Erfinder bei Kodak. Der Film wechselt zwei Zeilentypen ab: gerade Zeilen sind ein sich wiederholendes Rot-Grün-Muster (Rot, Grün, Rot, Grün) und ungerade Zeilen ein sich wiederholendes Grün-Blau-Muster (Grün, Blau, Grün, Blau). In der kleinsten sich wiederholenden Kachel – zwei Zeilen mal zwei Spalten – sieht eine Zelle Rot, eine sieht Blau und zwei sehen Grün.

Ein Raster aus kleinen Quadraten mit 6 Spalten und 4 Zeilen, gefärbt gemäß dem Bayer-Muster. Gerade Zeilen wechseln Rot und Grün ab; ungerade Zeilen wechseln Grün und Blau ab. Die Buchstaben R, G und B kennzeichnen die Farbe jeder Zelle. Der Zwei-mal-Zwei-Block oben links ist umrandet, um die kleinste sich wiederholende Kachel zu kennzeichnen, die eine rote Zelle, eine blaue Zelle und zwei grüne Zellen enthält. — Das Bayer-Farbfilterarray. Jede Zelle des Sensors sieht nur eine der drei Primärfarben; Grün erscheint in zwei von je vier Zellen.¶

Grün ist absichtlich verdoppelt. Das menschliche Sehen ist für Grün viel empfindlicher als für Rot oder Blau, und die wahrgenommene Leuchtdichte einer Szene wird größtenteils vom Grünkanal getragen. Grün mit der doppelten Dichte von Rot und Blau abzutasten, setzt das Auflösungsbudget dort ein, wo das Auge es am meisten bemerkt, und verbirgt die daraus folgende Unschärfe der Chrominanz.

4.10.2. Was jedes Pixel aufzeichnet¶

Ein Farbsensor speichert dennoch nur eine Zahl pro Pixel – die Anzahl der Photonen, die es durch den Farbfilter dieses Pixels geschafft haben. Eine Zelle mit Rotfilter zeichnet ihren Rotkanalwert auf; die Grün- und Blauwerte an derselben Stelle fehlen schlicht in den Daten. Dasselbe gilt für grüne und blaue Zellen.

Die Daten, die den Sensor im rohen Bayer-Format verlassen, bestehen daher aus einem Kanal pro Pixel, angeordnet im Bayer-Muster, statt aus den drei Kanälen pro Pixel eines fertigen Farbbilds. Die Rekonstruktion der beiden fehlenden Kanäle an jeder Zellposition nennt man Debayering.

4.10.3. Mikrolinsen und der Hauptstrahlwinkel¶

Der Farbfilter ist nicht das Einzige über der Photodiode. Darüber sitzt eine winzige Mikrolinse, die den einfallenden Lichtkegel auf die aktive Fläche der Photodiode fokussiert, und die Mikrolinse ist unter der Annahme entworfen, dass das Licht nahezu senkrecht auf die Sensoroberfläche trifft. Wenn das Licht stattdessen in einem steilen Winkel ankommt – der Hauptstrahlwinkel, der zu den Ecken jeder realen Linse hin zunimmt – kann ein Teil davon auf den Filter des Nachbarpixels treffen, die falsche Farbe aufnehmen und Farb-Übersprechen erzeugen. Eckpixel verlieren zudem an Sättigung, weil ein Teil des Kegels die Photodiode vollständig verfehlt.

Sensoren kompensieren dies, indem sie die Mikrolinse jedes Pixels radial vom Zentrum des Sensors nach außen verschieben, in konzentrischen Ringen, die von der Mitte bis zu den Ecken hin expandieren. Die Verschiebung ist im Zentrum null und wächst am äußersten Ring auf einige Mikrometer an, abgestimmt auf ein bestimmtes CRA-Profil, das im Design des Sensors verankert ist. Einen Sensor mit einer Linse zu kombinieren, deren CRA-Profil erheblich vom Designziel abweicht, hinterlässt sichtbare Farb- und Empfindlichkeitsfehler in den Ecken, weshalb Bildsensoren und Linsen üblicherweise gemeinsam ausgewählt werden.