【CCM科普】镜头CRA Chief Ray Angle 介绍

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CRA=Chief Ray Angle
相机镜头与传感器的集成

   CRA=chief ray angle. Sensor接收光能的效应一方面与Sensor本身有关，另一方面还与入射到Sensor上的光线角度有很大关系。在原来的感光胶片上CRA与照度有关，而如果在CMOS或CCD Sensor上光能的接受效率不仅与CRA有关，还与Sensor的Micro Lens开口布局有关。因此在做Lens设计的时候CRA要尽量符合Sensor厂家提供的CRA参考值，这样才能和他们的Sensor布局相配合，提高光能接收效率。

      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。

    光线进入每一个像数的角度将依赖于该像素所处的位置，镜头轴心线附近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曾大，角度也变大.CRA与像素在传感器中的位置是相关的 。

    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)。对于主光角的一般性定义是：此角度处的像素响应降低为零度角像素响应(此时，此像素是垂直于光线的)的80%。

     光线进入每个像素的角度将依赖于该像素所处的位置。镜头轴心线附近的光线将以接近零度的角度进入像素中。随着它与轴心线的距离增大，角度也将随之增大。 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，就可以大大降低这种现象。

    改变微镜头设计可以大大降低阴影现象。然而，在改变微镜头设计时，必须与镜头设计者密切配合，以便为各种拍摄镜头找到适合的CRA模式。相机的设计工程师应该确保这种技术合作得以实现，并确保传感器与镜头CRA特性可以很好地匹配。为确保成功实现此目标，美光开发了相关的仿真工具和评价工具。

     由于光线是沿着不同的角度入射到传感器上的，因此对于各种镜头设计而言，阴影现象都是固有的。“cos4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。为了给相机设计者提供额外的校正阴影现象的方法，MT9D111中内嵌的图像处理器包含了阴影校正功能，它是为某些特定镜头而定制的。

   为了帮助设计工程师将传感器集成在他们的产品中，美光为其生产的所有传感器产品提供了各种开发软件。通过使用这些软件，相机设计工程师可以简化对各种芯片特性默认值的修改过程。每种变化的结果都可以显示在一个PC监视器上。对于很多相机中用到的新型镜头，通过使用这个开发系统，可以对校正镜头阴影和空间色彩失真进行参数设置。通过使用一个均匀点亮的白色目标，可以对设置响应过程进行简单的试验。软件开发工具可显示对阴影现象的分析结果。之后，工程师就可以使用区域方法来应用校正值。关于校正过程的寄存器设置将保存在开发系统中，以用于相机设计。

Lens和Sensor搭配的三个重要参数：
1.Lens的Image Circle跟Sensor的对角线；
2.Sensor的Pixel Size;
3.CRA.
这三个参数是Lens和Sensor选择的首要考量的。


    一般在 Sensor data sheet中会附有全视场CRA参考值，不同sensor厂家有不同的要求，可以按照这个来做设计参考。有的Sensor厂家在公开的数据表中不会show出来，但可以跟他们索取。一般要求LENS和SENSOR的CRA曲线误差在+/-2度，当然还有其他方面，这也是我也想了解的。

    其匹配的原则为 Lens的CRA值一定要小于Sensor的Micro Lens CRA值,否则将会导致成像照度或色彩问题. 镜头CRA小于SENSOR CRA  或者镜头CRA与SENSOR CRA 接近是最好的 ，镜头CRA和芯片CRA一般三度以内。要求高的有2度以内  Lens CRA与Sensor CRA不匹配出现偏色的典型例为:OV9655/53/50 Sensor当配Lens TTL值在5.0mm以下的决大多数镜头时,仔细观察其成像的白色画面,就可以看出整个画面会有偏色的现象.OVT针对此问题改善后的Sensor型号为:OV9656.
  
     例外Pixelplus从VGA到UXGA的Sensor配多数镜头时都同样存在一样的问题,当然此问题的产生很大程度上也与Sensor的制程有关，

     Sensor CRA曲线中,纵轴表示主光线角度,单位是度,横轴表示视场,有两种表示方式,一种是以百分比表示,Sensor最大有效成像高度为100%,一般以10%依次区分.一种是直接以mm为单位,依次表示从Sensor中心到最大成像高度位置.
Sensor的最大有效成像高度为Sensor有效成像面(对角线)的一半.
不知这样解释,能不能了解!

LENS 和SENSOR CRA 搭配是很主要，但目前流传的说法中有一些错误的理论，现说明一下：

1.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，这样的做的目的也是为了好搭配LENS。

2.LENS 也存在一个CRA值，这在LENS设计的时候就是要考虑的内容，根据SENSOR的CRA 值进行设计，偏差在2度以内为佳，太大了，容易造成受光不足和偏色。  

3.并不是LENS CRA 越小越好，有人认为0度是最佳的，那也是不对的，只能说与SENSOR 的CRA 越接近越好。

    


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