4.10. カラーセンサー

各セルのフォトダイオードは色を識別できません。シリコンが吸収するあらゆる波長の光子を、赤・緑・青を区別することなく数えます。色を識別できないセンサーからカラー画像を取り出すために、メーカーはピクセルグリッドをカラーフィルタアレイ（CFA）で覆います。これは、各セルが3原色のうち1つだけを見えるようにする色素の薄膜です。

4.10.1. ベイヤーパターン

支配的なCFAレイアウトはベイヤーパターンで、Kodak社の発明者にちなんで名付けられました。この膜は2種類の行を交互に並べます。偶数行は赤緑の繰り返しパターン（赤、緑、赤、緑）で、奇数行は緑青の繰り返しパターン（緑、青、緑、青）です。最小の繰り返しタイル -- 2行2列 -- の中では、1つのセルが赤を見て、1つが青を見て、2つが緑を見ます。

ベイヤーカラーフィルタアレイ。センサーの各セルは3原色のうち1つだけを見る。4つのセルごとに2つに緑が現れる。

緑が倍になっているのは意図的なものです。人間の視覚は赤や青よりも緑に対してはるかに敏感であり、シーンの知覚される輝度の大部分は緑チャンネルが担っています。緑を赤や青の2倍の密度でサンプリングすることで、解像度の予算を目が最も気づきやすいところに割り当て、それに続く色差の柔らかさを隠します。

4.10.2. 各ピクセルが記録するもの

カラーセンサーは依然としてピクセルごとに1つの数値だけを格納します -- そのピクセルのカラーフィルタを通過した光子の数です。赤フィルタのセルは赤チャンネルの値を記録します。同じ位置の緑と青の値は、単にデータから欠落しています。同じことが緑と青のセルにも当てはまります。

したがって、センサーから出る生のベイヤーフォーマットのデータは、完成したカラー画像のピクセルごとの3チャンネルではなく、ベイヤーパターンに配置されたピクセルごとに1チャンネルです。すべてのセル位置で欠落した2チャンネルを再構築することはデベイヤーと呼ばれます。

4.10.3. マイクロレンズと主光線角

フォトダイオードの上にあるのはカラーフィルタだけではありません。その上には、入射する光の円錐をフォトダイオードの有効領域に集束させる小さなマイクロレンズがあり、このマイクロレンズは光がセンサー表面に対してほぼ垂直に入射することを前提に設計されています。代わりに光が急な角度で到達すると -- あらゆる実際のレンズで隅に向かって大きくなる 主光線角 -- その一部が隣接するピクセルのフィルタに当たってしまい、誤った色を拾って色クロストークを生じることがあります。隅のピクセルは彩度も失います。円錐の一部がフォトダイオードを完全に外れてしまうためです。

センサーは、各ピクセルのマイクロレンズをセンサーの中心から放射状に外側へ、中央から隅へと広がる同心円状のリングでずらすことによって補償します。このずれは中心ではゼロで、最も外側のリングでは数ミクロンまで大きくなり、センサーの設計に組み込まれた特定のCRAプロファイルに合わせて調整されています。設計目標と大きく異なるCRAプロファイルを持つレンズとセンサーを組み合わせると、隅に目に見える色と感度の誤差が残ります。これが、イメージセンサーとレンズが通常一緒に選ばれる理由です。