4.10. 컬러 센서

각 셀의 포토다이오드는 색을 구분하지 못합니다. 이 다이오드는 실리콘이 흡수하는 모든 파장의 광자를 세기만 할 뿐, 빨강과 초록, 파랑을 구별하지 못합니다. 색을 구분하지 못하는 센서에서 컬러 이미지를 얻기 위해, 제조사는 픽셀 격자를 색상 필터 배열(CFA, colour filter array)로 덮습니다. 이는 각 셀이 세 가지 기본 색 중 하나만 보도록 하는 얇은 염료 막입니다.

4.10.1. 베이어 패턴

지배적인 CFA 배치는 베이어 패턴으로, Kodak에 있던 발명자의 이름을 딴 것입니다. 이 막은 두 가지 행 유형을 번갈아 둡니다. 짝수 행은 반복되는 빨강-초록 패턴(빨강, 초록, 빨강, 초록)이고 홀수 행은 반복되는 초록-파랑 패턴(초록, 파랑, 초록, 파랑)입니다. 가장 작은 반복 타일 – 2행 2열 – 에서는 한 셀이 빨강, 한 셀이 파랑, 두 셀이 초록을 봅니다.

베이어 컬러 필터 어레이. 센서의 각 셀은 세 가지 원색 중 하나만 봅니다. 초록은 네 셀마다 두 셀에 나타납니다.

초록이 두 배인 것은 의도적입니다. 인간의 시각은 빨강이나 파랑보다 초록에 훨씬 더 민감하며, 장면의 지각된 휘도는 대부분 초록 채널이 담당합니다. 빨강과 파랑의 두 배 밀도로 초록을 샘플링하면 눈이 가장 잘 알아차리는 곳에 해상도 예산을 두게 되고, 그에 따르는 색차(chrominance)의 부드러움을 가려 줍니다.

4.10.2. 각 픽셀이 기록하는 것

컬러 센서도 여전히 픽셀당 하나의 숫자만 저장합니다 – 그 픽셀의 컬러 필터를 통과한 광자의 개수입니다. 빨강 필터 셀은 자신의 빨강 채널 값을 기록하며, 같은 위치의 초록과 파랑 값은 데이터에서 그저 빠져 있습니다. 초록과 파랑 셀도 마찬가지입니다.

따라서 센서를 빠져나가는 원시 베이어 형식의 데이터는, 완성된 컬러 이미지의 픽셀당 세 채널이 아니라, 베이어 패턴으로 배치된 픽셀당 한 채널입니다. 모든 셀 위치에서 빠진 두 채널을 재구성하는 것을 디베이어링(debayering)이라고 합니다.

4.10.3. 마이크로렌즈와 주광선 각도(CRA)

포토다이오드 위에 있는 것은 컬러 필터만이 아닙니다. 그 위에는 들어오는 빛 원뿔을 포토다이오드의 활성 영역으로 모으는 작은 마이크로렌즈가 있으며, 이 마이크로렌즈는 빛이 센서 표면에 거의 수직으로 들어온다고 가정하여 설계됩니다. 대신 빛이 가파른 각도로 도착할 때 – 모든 실제 렌즈에서 모서리 쪽으로 갈수록 커지는 주광선 각도 – 그 일부가 이웃 픽셀의 필터에 떨어져 잘못된 색을 받아들이며 색 누화(colour crosstalk)를 만들어 낼 수 있습니다. 모서리 픽셀은 채도도 잃는데, 원뿔의 일부가 포토다이오드를 완전히 빗나가기 때문입니다.

센서는 각 픽셀의 마이크로렌즈를 센서 중심에서 바깥쪽으로 방사상으로 이동시켜 이를 보정하는데, 가운데에서 모서리까지 펼쳐지는 동심원 고리 형태로 배치합니다. 이동량은 중심에서는 0이고 가장 바깥 고리에서는 몇 마이크론까지 커지며, 센서 설계에 내장된 특정 CRA 프로파일에 맞춰 조정됩니다. 센서를 그 CRA 프로파일이 설계 목표와 크게 다른 렌즈와 짝지으면 모서리에 눈에 띄는 색과 감도 오차가 남으며, 이것이 이미지 센서와 렌즈를 보통 함께 선택하는 이유입니다.