镜头和摄像机芯片的CRA匹配关系

CRA是Chief Ray Angle的简称。成像镜头有物方CRA和像方CRA，物方CRA就是镜头的视角。今天我们主要探讨的是镜头的像方CRA和相机芯片CRA的匹配问题。镜头像方CRA很好理解，它是主光线（过入瞳中心的光线）通过光学系统到达像面后，与像面交点位置处的法线之间的夹角。我们这里主要说明一下相机芯片CRA，想要知道相机芯片CRA,我们需要先理解一下相机芯片的内部结构。

如上图所示：一般工业相机芯片（可见光波段）的结构如上。最外层是IR滤镜，IR滤镜下是微透镜阵列，再往下是各种组合方式的彩色滤镜(拜耳滤镜），然后才是光电二极管，底层是电路。其中微透镜阵列的存在主要的作用是提升芯片的集光效率，微透镜和光电二极管的位置决定了传感器对不同角度光线的接收能力。那么相机芯片 CRA的怎么定义呢？确切的定义应该还没有，但是此处大概有两种说法仅供参考，一种说法是：以某一主光线角度聚焦到像素上，此时的像素响应度是以光线垂直像素（角度为0）时对应的像素响应度的80%，那么该角度就是相机芯片的CRA。另外一种说法是：像素可以收集10度以内的所有光线，但是到14度时，只能收集部分光线，那么可以认为相机芯片 CRA为10度。其实无论哪一种说法，距离相机芯片中心径向不同位置处像素的CRA不一样，也就是说相机芯片的CRA与其像素的位置有关。

通过以上，我们可以知道，当镜头像方CRA和传感器CRA不匹配时，光线穿过微透镜阵列后的路径也会不同，这会造成输出图像的差异，当两者差异比较大时会产生突出的两个问题分别是：1、luma shading (亮度阴影也称暗角）2、color shading （色彩阴影也称偏色）。

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我们先来看luma shading，这种现象一般体现在成像上是图像中心区域亮度明显高于边缘区域亮度，我们也可以称这种现象为暗角（当然本身镜头设计时因设置渐晕或结构等其他原因也会造成这种暗角的现象，这里我们只描述镜头与芯片CRA匹配不好造成的暗角问题。）当芯片的CRA大于镜头CRA太多时，也就是光线从镜头到光电二极管的角度要比光线经过微透镜到感光二极管的角度小时，这就会导致感光二极管边缘区域的像素无法接收到一部分光线，这时就会产生暗角。如果当镜头CRA过大时，通过视野边缘区域的光线从微透镜出来的一部分光线无法正常进入到光电二极管上，因此Sensor边缘受光不足，也会出现暗角的现象，也就是luma Shading。

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color shading （色彩阴影也称偏色）不同波长的光（如红、绿、蓝）对角度敏感度不同，CRA不匹配时会出现色彩偏移，且大角度光线通过芯片的微透镜阵列后可能误入相邻像素造成串扰，这同时也会降低图像的对比度和分辨率。

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为了避免出现上述问题，在设计镜头时，我们一般需要考虑这款镜头应对的传感器芯片CRA数据，这个数据可以通过传感器的规格书能查询得到（可以在手机里下载“半导小芯”APP,里面输入芯片型号就可以查询到相应的规格书）。从镜头端来说，一般只要保证镜头的CRA≤ 传感器CRA，且偏差±2-3度以内，要求高的在2度以内，就可以避免上述问题。从相机端来说尽量选择BSI(背照式）芯片也能减少这类问题的发生【大家如果有兴趣可以看一下BSI结构的芯片与FSI（前照式）芯片的结构区别】。

尤其是光学总长比较短的板机镜头，或者是安防或工业上的短焦镜头尤其需要注意这个问题，这跟这类镜头一般匹配的芯片像元尺寸小也有很大的关系（一般像元尺寸越小，CRA匹配不好的影响就越大）如果你做的是像方远心镜头则无需考虑这个问题。

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