相机光学（二十四）——CRA角度

0.参考资料

  1.芯片CRA角度与镜头的匹配关系（一）
  2.芯片CRA角度与镜头选型的匹配关系（二）
  3.镜头与 SENSOR的主光线角度（CRA）不匹配对图像质量的影响
  4.转：什么是 CRA ?
  5.【笔记】CRA

1.什么是CRA角度

  CRA 是 Chief Ray Angle 的缩写，意思是主光角。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）。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%。
  我们在挑选镜头时会有一个 CRA 的参数，在选择 sensor 时同样有一个 CRA 的参数 （sensor 像素点上有个微透镜，这也是为什么有sensor CRA的原因），选型时镜头和 sensor 的 CRA 参数要尽可能接近（一般不超过 3度）。否则当 lens CRA 大于 Sensor CRA 会出现明显的 color shading，当 lens CAR 小于 Sensor CRA 会出现 luma shading，建议是选择 lens CRA 小于 sensor CRA 的配置，因为luma shading 较 color shading 后端 ISP 更容易处理一些的。

2.为什么 CRA 会导致luma shading

  当 lens CRA 小于 sensor CRA 时，从定义来理解就是，光线从镜头入射到像素上的最大光线角度，要比光线经过 sensor micro lens入射到像素上的最大光线角度要小，但成像光路是 镜头 —> sensor micro lens —>像素，所以当满足镜头 CRA 入射的光线（也就是光线入射角度的范围是0-CRA，此时是最大的入射光线角度），经过 sensor micro lens 时，micro lens 的 CRA 要更大，这就导致sensor 边缘的像素受光损失，就会出现暗角。
  Luma Shading产生原因有两个：镜头能量衰减 、 Sensor CRA > Lens CRA

• 原因一：镜头能量衰减.
    蓝色和绿色用相同的数量线条表示能量，中心位置的蓝色几乎所有能量都能达到最右侧的的成像单元，但是边缘的绿色由于有一定角度射入，经过镜头的折射，有一部分光（最上方的几条绿色线条）达到不了Pixel，因此成像单元中心的能量就会比边缘的大，表现为亮度向边缘衰减变暗。通常镜头的衰减符合： f(θ)=cos4(θ)。θ表示的是入射光线和法线的夹角。
• 原因二：Sensor CRA > Lens CRA
  
  当Sensor CRA > Lens CRA时，光线从Micro Lens到感光区的最大光线角度 > 光线镜头入射到Pixel的最大光线角度，成像光路：Lens —> sensor Micro Lens —> Pixel，当满足Lens CRA入射光线经过sensor Micro Lens时，Micro Lens CRA更大，导致sensor边缘的Pixel接收到的光线能量损失，表现为图像四周出现暗角。

3.为什么 CRA 会导致color shading

  产生原因为：Lens CRA > Sensor CRA
  当光线从Lens经过并且入射到Micro Lens中，由于Lens CRA大于Micro Lens，会导致原本经过R-Filter的光线进入了G-Filter下方的Pixel中，造成Pixel的空间串扰，并出现Color Shading

  如上图是 sensor 的内部结构，sensor 上 micro lens 的作用就是聚焦光线，把入射光线引入到正确的像素点上（可以看到当没有 micro lens 时光线垂直入射，边缘的光线是照射不到像素上的），当入射光线的CRA角度超过sensor 的CRA时，就会导致经过R-filter的光线，照到了G像素上，造成像素之前的串扰，出现color shading；

  如上图所示，当光线垂直入射（也就是CRA为0时），光线可以正确的入射到像素上，但 Lens 的 CRA 很难是 0，视场范围越大的镜头，其 CRA 值就越大，sensor 上的微镜头要与镜头做匹配，其实就是通过移动微镜头将大角度的入射光线引导到正确的像素上，才能保证图像正常（如图c所示）。所以 sensor micro lens 能纠正的最大光路角度就是sensor CRA，但当 lens CRA 大于 sensor CRA 时，则 sensor 就无法通过位移 micro lens，矫正全部的大角度入射光线到正确的像素，就会导致 color shading 的出现 。

4.CRA相差过大的具体表现

  镜头的CRA与Image sensor的CRA相差过大会出现如下图偏色。

  镜头的CRA与Image sensor的CRA匹配则图像正常，如下图：

5.CRA Matching

  在光学系统中，sensor上的光学接收效率不仅与CRA有关，还与Sensor的Micro lens开口布局有关。因此在做Lens涉及时，CRA要尽量符合Sensor厂家提供的CRA参考值，提高功能接收效率。
通常Lens CRA要小于sensor的CRA，允许有3°以内的偏差。这是因为：

• 镜头CRA太过小于Sensor的CRA时，会出现四角偏暗（受光不足），光线无法到达sensor边缘，即Lens Shading；
• 镜头CRA太过大于Sensor的CRA时，光线会折射到临近的pixel上，导致pixel间出现串扰，即Color
  shading，且在图像四周表现更明显； 建议优先保证Color Shading， 因为Lens Shading比Color
  Shading容易调试；

  不匹配导致整个图像的颜色不平衡产生串扰，从而导致信噪比(SNR)的降低；因为CCM需要增加数字增益来补偿光电二极管中的信号损失。

6.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。