4.10. Kleursensoren

De fotodiode in elke cel is kleurenblind. Ze telt fotonen van elke golflengte die het silicium absorbeert zonder rood van groen van blauw te onderscheiden. Om een kleurenafbeelding uit een kleurenblinde sensor te halen, bedekt de fabrikant het pixelraster met een kleurfilterarray (CFA): een dunne laag kleurstof die elke cel slechts een van de drie primaire kleuren laat zien.

4.10.1. Het Bayer-patroon

De dominante CFA-indeling is het Bayer-patroon, vernoemd naar zijn uitvinder bij Kodak. De laag wisselt twee rijtypes af: even rijen vormen een herhalend rood-groenpatroon (rood, groen, rood, groen) en oneven rijen vormen een herhalend groen-blauwpatroon (groen, blauw, groen, blauw). In de kleinste herhalende tegel – twee rijen bij twee kolommen – ziet één cel rood, één ziet blauw, en twee zien groen.

De Bayer-kleurfilterarray. Elke cel van de sensor ziet slechts een van de drie primaire kleuren; groen verschijnt in twee van elke vier cellen.

Groen is met opzet verdubbeld. Het menselijk zicht is veel gevoeliger voor groen dan voor rood of blauw, en de waargenomen luminantie van een scène wordt grotendeels gedragen door het groene kanaal. Groen bemonsteren op tweemaal de dichtheid van rood en blauw legt het resolutiebudget waar het oog het het meest opmerkt, en verbergt de chrominantiezachtheid die volgt.

4.10.2. Wat elke pixel registreert

Een kleursensor slaat nog steeds slechts één getal per pixel op – het aantal fotonen dat het kleurfilter van die pixel passeerde. Een cel met roodfilter registreert zijn waarde voor het rode kanaal; de groen- en blauwwaarden op dezelfde locatie ontbreken simpelweg in de gegevens. Hetzelfde geldt voor groene en blauwe cellen.

De gegevens die de sensor verlaten in ruw Bayer-formaat zijn daarom één kanaal per pixel, opgemaakt in het Bayer-patroon, in plaats van de drie kanalen per pixel van een afgewerkte kleurenafbeelding. Het reconstrueren van de twee ontbrekende kanalen op elke celpositie wordt debayering genoemd.

4.10.3. Microlenzen en de hoofdstraalhoek

Het kleurfilter is niet het enige bovenop de fotodiode. Daarboven zit een minuscule microlens die de inkomende lichtkegel focust op het actieve gebied van de fotodiode, en de microlens is ontworpen in de veronderstelling dat het licht bijna loodrecht op het sensoroppervlak binnenkomt. Wanneer het licht in plaats daarvan onder een steile hoek aankomt – de hoofdstraalhoek die naar de hoeken van elke echte lens toe groeit – kan een deel ervan op het filter van de naburige pixel terechtkomen, de verkeerde kleur oppikken en kleur-overspraak veroorzaken. Hoekpixels verliezen ook verzadiging, omdat een deel van de kegel de fotodiode volledig mist.

Sensoren compenseren door de microlens van elke pixel radiaal naar buiten te verschuiven vanaf het midden van de sensor, in concentrische ringen die zich vanuit het midden uitbreiden naar de hoeken. De verschuiving is nul in het midden en groeit tot enkele micron bij de buitenste ring, afgestemd op een specifiek CRA-profiel dat in het ontwerp van de sensor is verwerkt. Het koppelen van een sensor aan een lens waarvan het CRA-profiel substantieel afwijkt van het ontwerpdoel laat zichtbare kleur- en gevoeligheidsfouten in de hoeken achter, en daarom worden beeldsensoren en lenzen meestal samen gekozen.