Olympus Multi-Storied Photodiode Sensor

前幾天無意間在網路上發現Olympus發表新sensor論文

Olympus Multi-Storied Photodiode Sensor



一般相機為了得到較佳的色彩還原
會在感光元件前加一塊紅外線濾鏡(IR filter)

但濾鏡本身是有厚度的
在隔絕紅外線的同時，也會造成可見光(RGB)在影像邊緣的入射角度太大而產生色散，導致畫質下降

色散示意圖，來源: Canon HK官網

所謂光學為影像之母

以光學起家的Olympus從4/3時代就很重視感光元件是否能吃到直射光
這樣的堅持也造就許多4/3銘鏡，畫質非一般依賴數位修正的鏡頭可比擬

啊，扯遠了
這篇論文發表的技術內容主要是將sensor分成上下兩層
RGB色彩層 & IR紅外線層上下兩層分別收光

Figure 2 in paper

當光線穿過Color Filter時
可以在上層(Top Substrate)取得可見光(RGB) + 紅外光(IR)的資訊
得到一張由可見光(RGB) + 紅外光(IR)組成的影像，且稱此圖為Image RGBIR

Figure 6 (a) in paper

而當光線繼續往下穿透來到下層(Bottom Substrate)時，因為下層只接收紅外光(IR)
所以會再得到一張紅外光(IR)形成的影像，且稱此圖為Image IR

Figure 6 (c) in paper

透過演算法計算將紅外光從Image RGBIR去除，概念如下的計算

Image RGBIR - Image IR = Image RGB

(當然論文內的實際計算沒這麼單純就是了...)
最後就能得到只有可見光RGB的影像啦~

Figure 6 (b) in paper

只能說Olympus對於光學品質真的很講究啊
為了減少紅外線濾鏡造成的畫質損失，如此大費周章的改變感光元件架構
還好Olympus的醫療部門很賺錢，可以讓相機部門這樣砸大錢做研發(誤


[後記]
延伸自此篇論文得到一個發想
如果可見光RGB的濾鏡也利用上下分層的結構，而非Bayer陣列來過濾的話
就可以讓像素數或單位像素面積大幅提高!

概念大概是這樣的



將感光元件分成三層
第一層上方不加任何濾色片(Color filter)
因此在第一層可以得到可見光R + G + B

在第一層和第二層之間加入洋紅色(Magenta)濾色片，將綠色過濾掉
因此在第二層可以得到可見光R + B

最後在第二層和第三層之間加入藍色(Blue)濾色片，將紅色過濾掉
因此在第三層可以得到可見光B

類似於論文中的概念，將不同層的影像資訊相減

Layer 2 - Layer 3 = Red  

Layer 1 - Layer 2 = Green

如此即可還原出RGB三色，又可有效利用感光元件珍貴的面積


[更新]
發想到此架構後
覺得這種架構要馬就是有其技術/物理限制，不然就是已經有人提出來
畢竟我這種外行都能想到的作法，鑽研感光元件設計的工程師不可能沒想到

果然...Bigma做到了，並實作出量產品DP1
其Foveon X3感光元件就是利用色光不同波長的穿透率來達成

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