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芯片CRA角度與鏡頭的匹配關(guān)系（一）

文章出處：admin 人氣： 3513 發(fā)表時(shí)間：2023-02-09 返回列表

晶圓

晶圓Wafer，是指制作半導(dǎo)體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經(jīng)過研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。以8英寸和12英寸為主。

拜爾濾色鏡

這種濾色器的排列是50%是綠色，25%是紅色，25%是藍(lán)色，因此也被稱為RGBG

拜耳陣列的問題之一是，在拍攝具有重復(fù)細(xì)節(jié)的畫面時(shí)，容易產(chǎn)生彩色干擾信息。該問題是由于其規(guī)則的分布方式而造成的。其具體表現(xiàn)為畫面中產(chǎn)生難看的色帶，而解決該問題的方法是傳感器前安裝一塊會(huì)將畫面細(xì)節(jié)模糊化的AA濾鏡。低通濾鏡可以減弱摩爾紋，但同時(shí)也降低了相機(jī)分辨率。

由于傳感器的像素只能區(qū)分接收到光線的強(qiáng)弱，無法分辨色彩。因此為了重建色彩信息，需要在每個(gè)像素上涂敷不同色彩的濾鏡。不同的像素感應(yīng)不同的色彩，還原色彩。

CMOS芯片

CMOS本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的半導(dǎo)體，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N和P級(jí)的半導(dǎo)體。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器和主動(dòng)式傳感器。

人們?nèi)绱丝春肅MOS圖像轉(zhuǎn)換器的成長(zhǎng)前景是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即：與壟斷該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)30多年的CCD技術(shù)相比，它能夠更好地滿足用戶對(duì)各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。

CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）芯片由微透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層、基板層組成。

由于光線進(jìn)入各個(gè)單像素的角度不同，因此在每個(gè)單像素上表面增加了一個(gè)微透鏡修正光線角度，使光線垂直進(jìn)入感光元件表面。這就是芯片CRA的概念，需要與鏡頭的CRA保持在一點(diǎn)的偏差范圍內(nèi)。

CRA(chief ray angle)主光線角度

通常來講，sensor的效能與sensor本身的靈敏度和光線入射的角度有關(guān)。而光線入射到sensor pixel的角度由lens的CRA和sensor的micro lens開口布局共同決定的。

從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為一個(gè)參數(shù)，稱為主光角（CRA），一般性定義是：此角度處的像素響度降低為零度角像素響應(yīng)的80%。

CRA主光角測(cè)試的重要性：

按通常的做法，因?yàn)镾ENSOR的Micro Lens與光電二極管之間存在一定的距離，這樣做的目的也是為了方便搭配Lens。此外，lens存在一個(gè)CRA值，這在Lens設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮的內(nèi)容，根據(jù)sensor的CRA值進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般建議sensor與lens的CRA角度差控制在正負(fù)2~3度以內(nèi)，并不是Lens的CRA值越小越好，而是與sensor的CRA值越近越好。

拍攝鏡頭和傳感器之間的接口是整個(gè)可拍照手機(jī)系統(tǒng)中最重要的接口之一。隨著鏡頭的長(zhǎng)度變得越來越短，光線到達(dá)傳感器像素位置的角度也就會(huì)變得越來越大。每個(gè)像素上都有一個(gè)微鏡頭。微鏡頭的主要功能就是將來自不同角度的光線聚焦在此像素上。然而，隨著像素位置的角度越來越大，某些光線將無法聚焦在像素上，從而導(dǎo)致光線損失和像素響應(yīng)降低。

光線進(jìn)入每一個(gè)像素的角度將依賴于該像素所處的位置，鏡頭軸心線附件的光線將以接近零角度進(jìn)入像素中隨著它與軸心線的距離增大，角度也變大。CRA與像素在傳感器中的位置是相關(guān)的，它們之間的關(guān)系與鏡頭的設(shè)計(jì)有關(guān)。很緊湊的鏡頭都具有很復(fù)雜的CRA模式。如果鏡頭的CRA與傳感器的微鏡頭設(shè)計(jì)不匹配，將會(huì)出現(xiàn)不理想的透過傳感器的光線強(qiáng)度（也就是“陰影”）。通過改變微鏡頭設(shè)計(jì)，并對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行適當(dāng)處理，就可以大愛的降低這種現(xiàn)象。改變微鏡頭設(shè)計(jì)可以大大降低陰影現(xiàn)象。然而，在改變微鏡頭設(shè)計(jì)而言，陰影現(xiàn)象都是固有的。“cos4定律”說明，減少的光線與增大角度余弦值的四次方是成比例關(guān)系的。另外，在某些鏡頭設(shè)計(jì)中，鏡頭可能本身就會(huì)阻擋一部分光線(稱為“暈光”)，這也會(huì)引起陰影現(xiàn)象。所以，即使微鏡頭設(shè)計(jì)可以最小化短鏡頭的陰影現(xiàn)象，此種現(xiàn)象還是會(huì)多多少少地存在。因此后端ISP一般都會(huì)有LSC功能。

什么是sensor的CRA

Sensor有一個(gè)CRA值，也就是sensor的micro lens與光電二極管的位置存在一個(gè)水平誤差，并不在一條直線上，做成這樣有一定的目的，按通常的做法，因?yàn)閟ensor的micro lens與光電二極管之間存在一定的距離，這樣做的目的也是為了好搭配lens。因?yàn)镃RA為0度的lens還是不好找的。

普通的FSI的sensor都有一個(gè)類似光子井的結(jié)構(gòu)來用來收集光子：