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芯片CRA角度与镜头的匹配关系(一)

文章出处:admin 人气: 682 发表时间:2023-02-09 返回列表

晶圆

糖果彩 www.cougarsintraining.com 晶圆Wafer,是指制作半导体电路所用的硅晶片,其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种,然后慢慢拉出,形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨,抛光,切片后,形成硅晶圆片,也就是晶圆。以8英寸和12英寸为主。

拜尔滤色镜

这种滤色器的排列是50%是绿色,25%是红色,25%是蓝色,因此也被称为RGBG

拜耳阵列的问题之一是,在拍摄具有重复细节的画面时,容易产生彩色干扰信息。该问题是由于其规则的分布方式而造成的。其具体表现为画面中产生难看的色带,而解决该问题的方法是传感器前安装一块会将画面细节模糊化的AA滤镜。低通滤镜可以减弱摩尔纹,但同时也降低了相机分辨率。

由于传感器的像素只能区分接收到光线的强弱,无法分辨色彩。因此为了重建色彩信息,需要在每个像素上涂敷不同色彩的滤镜。不同的像素感应不同的色彩,还原色彩。

CMOS芯片

CMOS本是计算机系统内一种重要的半导体,保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N和P级的半导体。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器和主动式传感器。

人们如此看好CMOS图像转换器的成长前景是基于这样一个事实,即:与垄断该领域长达30多年的CCD技术相比,它能够更好地满足用户对各种应用中新型图像传感器不断提升的品质要求,如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的功耗以及更加优良的系统集成等。

CMOS(www.cougarsintraining.complementary metal-oxide-semiconductor:互补金属氧化物半导体)芯片由微透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层、基板层组成。

由于光线进入各个单像素的角度不同,因此在每个单像素上表面增加了一个微透镜修正光线角度,使光线垂直进入感光元件表面。这就是芯片CRA的概念,需要与镜头的CRA保持在一点的偏差范围内。



CRA(chief ray angle)主光线角度

通常来讲,sensor的效能与sensor本身的灵敏度和光线入射的角度有关。而光线入射到sensor pixel的角度由lens的CRAsensor的micro lens开口布局共同决定的。

从镜头的传感器一侧,可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为一个参数,称为主光角(CRA),一般性定义是:此角度处的像素响度降低为零度角像素响应的80%。

CRA主光角测试的重要性:

按通常的做法,因为SENSOR的Micro Lens与光电二极管之间存在一定的距离,这样做的目的也是为了方便搭配Lens。此外,lens存在一个CRA值,这在Lens设计的时候就要考虑的内容,根据sensor的CRA值进行设计,一般建议sensor与lens的CRA角度差控制在正负2~3度以内,并不是Lens的CRA值越小越好,而是与sensor的CRA值越近越好。

拍摄镜头和传感器之间的接口是整个可拍照手机系统中最重要的接口之一。随着镜头的长度变得越来越短,光线到达传感器像素位置的角度也就会变得越来越大。每个像素上都有一个微镜头。微镜头的主要功能就是将来自不同角度的光线聚焦在此像素上。然而,随着像素位置的角度越来越大,某些光线将无法聚焦在像素上,从而导致光线损失和像素响应降低。

光线进入每一个像素的角度将依赖于该像素所处的位置,镜头轴心线附件的光线将以接近零角度进入像素中随着它与轴心线的距离增大,角度也变大。CRA与像素在传感器中的位置是相关的,它们之间的关系与镜头的设计有关。很紧凑的镜头都具有很复杂的CRA模式。如果镜头的CRA与传感器的微镜头设计不匹配,将会出现不理想的透过传感器的光线强度(也就是“阴影”)。通过改变微镜头设计,并对拍摄到的图像进行适当处理,就可以大爱的降低这种现象。改变微镜头设计可以大大降低阴影现象。然而,在改变微镜头设计而言,阴影现象都是固有的?!癱os4定律”说明,减少的光线与增大角度余弦值的四次方是成比例关系的。另外,在某些镜头设计中,镜头可能本身就会阻挡一部分光线(称为“晕光”),这也会引起阴影现象。所以,即使微镜头设计可以最小化短镜头的阴影现象,此种现象还是会多多少少地存在。因此后端ISP一般都会有LSC功能。

什么是sensor的CRA

Sensor有一个CRA值,也就是sensor的micro lens与光电二极管的位置存在一个水平误差,并不在一条直线上,做成这样有一定的目的,按通常的做法,因为sensor的micro lens与光电二极管之间存在一定的距离,这样做的目的也是为了好搭配lens。因为CRA为0度的lens还是不好找的。

普通的FSI的sensor都有一个类似光子井的结构来用来收集光子:



当CRA增加的时候,光线会被金属电路层阻挡掉一部分,导致sensor接受光的效能降低。

那么:

1、pixel越大,这种影响会越?。?/p>



2、对于BSI的sensor,这种影响也会更小



因此对于FSI的sensor来说,通?;嵬ü贫痵ensor表面的micro lens来收集更多的光线:



怎样选择sensor的CRA

1. 广角镜头:这时一般lens的CRA比较大,需要选择CRA大于25度的sensor或者BSI的Sensor;一般用于手机、安防、玩具、网络摄像头等;

2. 超长焦镜头:这时一般lens的CRA比较小,需要选择CRA为0度的sensor;一般用于安防、机器视觉等。

3. 变焦镜头:这时Lens的CRA是变化的,一般需要根据实际应用选择,最好采用大Pixel,BSI的sensor;一般用于安防等。



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