4.10. Färgsensorer

Fotodioden i varje cell är färgblind. Den räknar fotoner av varje våglängd som kislet absorberar utan att skilja rött från grönt från blått. För att få ut en färgbild ur en färgblind sensor täcker tillverkaren pixelrutnätet med en färgfiltermatris (CFA): en tunn film av färgämne som låter varje cell se endast en av de tre primärfärgerna.

4.10.1. Bayer-mönstret

Den dominerande CFA-layouten är Bayer-mönstret, uppkallat efter sin uppfinnare på Kodak. Filmen växlar mellan två radtyper: jämna rader är ett upprepande rött-grönt mönster (rött, grönt, rött, grönt) och udda rader är ett upprepande grönt-blått mönster (grönt, blått, grönt, blått). I den minsta upprepande brickan – två rader gånger två kolumner – ser en cell rött, en ser blått och två ser grönt.

Bayer-färgfiltermatrisen. Varje cell i sensorn ser endast en av de tre primärfärgerna; grönt förekommer i två av var fjärde cell.

Grönt fördubblas med flit. Mänsklig syn är mycket känsligare för grönt än för rött eller blått, och den upplevda luminansen i en scen bärs mestadels av den gröna kanalen. Att sampla grönt vid dubbla tätheten av rött och blått lägger upplösningsbudgeten där ögat märker den mest, och döljer den kromatiska mjukhet som följer.

4.10.2. Vad varje pixel registrerar

En färgsensor lagrar fortfarande bara ett tal per pixel – antalet fotoner som tog sig genom den pixelns färgfilter. En cell med rödfilter registrerar sitt värde i den röda kanalen; de gröna och blå värdena på samma plats saknas helt enkelt i datan. Detsamma gäller för gröna och blå celler.

Datan som lämnar sensorn i rått Bayer-format är därför en kanal per pixel, upplagd i Bayer-mönstret, snarare än de tre kanaler per pixel som en färdig färgbild har. Att rekonstruera de två saknade kanalerna vid varje cellposition kallas debayering.

4.10.3. Mikrolinser och huvudstrålvinkeln

Färgfiltret är inte det enda som sitter ovanpå fotodioden. Ovanför det sitter en liten mikrolins som fokuserar den inkommande ljuskonen på fotodiodens aktiva yta, och mikrolinsen är konstruerad under antagandet att ljuset kommer in nära vinkelrätt mot sensorytan. När ljus istället anländer i en brant vinkel – den huvudstrålvinkel som växer mot hörnen på varje verklig lins – kan en del av det landa på grannpixelns filter istället, ta upp fel färg och producera färgöverhörning. Hörnpixlar förlorar dessutom mättnad, eftersom en del av konen helt missar fotodioden.

Sensorer kompenserar genom att skjuta varje pixels mikrolins radiellt utåt från sensorns centrum, i koncentriska ringar som expanderar från mitten ut till hörnen. Förskjutningen är noll i centrum och växer till några mikron vid den yttersta ringen, avstämd mot en specifik CRA-profil inbyggd i sensorns design. Att para en sensor med en lins vars CRA-profil skiljer sig avsevärt från designmålet lämnar synliga färg- och känslighetsfel i hörnen, vilket är anledningen till att bildsensorer och linser vanligtvis väljs tillsammans.