4.10. Цветные датчики

Фотодиод в каждой ячейке не различает цвета. Он подсчитывает фотоны всех длин волн, которые поглощает кремний, не отличая красный от зелёного и синего. Чтобы получить цветное изображение из не различающего цвета датчика, производитель покрывает сетку пикселей массивом цветных фильтров (CFA): тонкой плёнкой красителя, которая позволяет каждой ячейке видеть только один из трёх основных цветов.

4.10.1. Шаблон Байера

Преобладающая компоновка CFA – это шаблон Байера, названный в честь его изобретателя из Kodak. Плёнка чередует два типа строк: чётные строки представляют собой повторяющийся красно-зелёный шаблон (красный, зелёный, красный, зелёный), а нечётные строки – повторяющийся зелёно-синий шаблон (зелёный, синий, зелёный, синий). В наименьшем повторяющемся блоке – две строки на два столбца – одна ячейка видит красный, одна видит синий, а две видят зелёный.

Массив цветных фильтров Байера. Каждая ячейка датчика видит только один из трёх основных цветов; зелёный появляется в двух из каждых четырёх ячеек.

Зелёный удвоен намеренно. Человеческое зрение гораздо более чувствительно к зелёному, чем к красному или синему, и воспринимаемая яркость сцены в основном несётся зелёным каналом. Выборка зелёного с вдвое большей плотностью, чем красного и синего, направляет бюджет разрешения туда, где глаз замечает его сильнее всего, и скрывает следующую за этим мягкость цветности.

4.10.2. Что записывает каждый пиксель

Цветной датчик по-прежнему хранит только одно число на пиксель – количество фотонов, прошедших через цветной фильтр этого пикселя. Ячейка с красным фильтром записывает своё значение красного канала; значения зелёного и синего в этом же месте просто отсутствуют в данных. То же самое верно для зелёных и синих ячеек.

Поэтому данные, покидающие датчик в необработанном формате Bayer, представляют собой один канал на пиксель, разложенный в шаблоне Байера, а не три канала на пиксель готового цветного изображения. Восстановление двух отсутствующих каналов в каждой позиции ячейки называется дебайеризацией.

4.10.3. Микролинзы и угол главного луча

Цветной фильтр – не единственное, что находится поверх фотодиода. Над ним располагается крошечная микролинза, которая фокусирует входящий световой конус на активную область фотодиода, и микролинза спроектирована в предположении, что свет падает близко к перпендикуляру к поверхности датчика. Когда же свет приходит под крутым углом – угол главного луча, который растёт к углам любого реального объектива – часть его может попасть на фильтр соседнего пикселя, приобретая неверный цвет и порождая цветовые перекрёстные помехи. Угловые пиксели также теряют насыщенность, потому что часть конуса полностью промахивается мимо фотодиода.

Датчики компенсируют это, смещая микролинзу каждого пикселя радиально наружу от центра датчика, концентрическими кольцами, которые расширяются от середины к углам. Смещение равно нулю в центре и вырастает до нескольких микрон на самом внешнем кольце, настроенное на конкретный профиль CRA, заложенный в конструкцию датчика. Сочетание датчика с объективом, профиль CRA которого существенно отличается от целевого, оставляет видимые ошибки цвета и чувствительности в углах, поэтому датчики изображения и объективы обычно выбираются вместе.