2. Sensor硬件基础：感光元件结构、像素阵列、Bayer Pattern与色彩滤波阵列

在驱动开发和ISP调试中，理解Sensor的硬件结构是第一步。本章从物理层面拆解感光元件，重点讲解像素阵列与色彩滤波阵列（CFA）的布局，为后续初始化配置和AF对焦算法打下硬件基础。

2.1 感光元件核心结构

现代CMOS图像传感器（CIS）的核心是一个二维像素阵列，每个像素包含光电二极管（Photodiode）和读出电路。光信号经过微透镜、色彩滤波阵列后，被光电二极管转换为电荷，再通过模数转换器（ADC）输出数字值。

2.2 像素阵列与Bayer Pattern

单色传感器每个像素只能感知光强，无法区分颜色。为了获取彩色图像，必须在像素表面覆盖色彩滤波阵列（CFA）。最经典的CFA布局是Bayer Pattern，由Bryce Bayer于1976年提出。

2.2.1 Bayer Pattern布局规则

Bayer Pattern的基本单元是2×2像素块，包含1个红色（R）、2个绿色（G）、1个蓝色（B）像素。人眼对绿色最敏感，因此绿色通道采样率是红蓝的两倍。

注意：Gr和Gb虽然都是绿色像素，但分别位于R行和B行，其下方光电二极管的微透镜和串扰特性略有差异，ISP的绿色平衡（Green Balance）模块专门处理Gr/Gb差异。

2.2.2 Bayer Pattern内联SVG结构图

2.3 色彩滤波阵列（CFA）的变体

除了标准Bayer，工业界还发展出多种CFA布局以适应不同场景。驱动工程师在初始化时需确认Sensor的CFA类型，因为ISP的Demosaic（去马赛克）算法必须与之匹配。

2.4 像素结构与微透镜

每个像素的物理结构从上到下依次为：微透镜（Microlens）→ 色彩滤波层（CF）→ 金属布线层 → 光电二极管（PD）→ 硅衬底。微透镜将入射光汇聚到光电二极管的感光区域，提高量子效率。

2.4.1 像素结构内联SVG剖面图

2.5 像素阵列读出顺序与Bayer Phase

Sensor初始化时，驱动必须正确配置像素阵列的读出起始位置（Bayer Phase）。这决定了ISP收到的第一个像素是R还是B，直接影响Demosaic结果。

2.5.1 常见Bayer Phase配置

// 以OV5640为例，Bayer Phase寄存器地址 0x0101
// Bit[1:0] 控制Bayer顺序
// 00: BGGR (B在左上角)
// 01: GBRG (G在左上角)
// 10: GRBG (G在左上角)
// 11: RGGB (R在左上角)

// 初始化代码示例
sensor_write_reg(0x0101, 0x00);  // 设置为BGGR模式

2.6 像素阵列与AF对焦的关系

现代Sensor的像素阵列中，部分像素被设计为相位检测自动对焦（PDAF）专用像素。这些像素通过半遮罩或双光电二极管结构，实现左右相位差检测。驱动初始化时需特别注意：

• PDAF像素位置： 通常分布在阵列的特定行/列，驱动需读取寄存器获取掩码（Mask）信息。
• PDAF像素校正： 由于PDAF像素的微透镜偏移，其感光灵敏度与普通像素不同，ISP需进行增益补偿。
• Binning模式影响： 在Quad Bayer合并模式下，PDAF像素的读出逻辑会变化，驱动需配置对应的合并模式寄存器。

2.6.1 PDAF像素布局示意

2.7 本章小结

• 感光元件核心是像素阵列，每个像素包含微透镜、色彩滤波、光电二极管和读出电路。
• Bayer Pattern是最主流的CFA布局，2×2单元包含1R+2G+1B，绿色通道采样率最高。
• Bayer Phase配置错误会导致颜色错乱，初始化时必须核对datasheet。
• PDAF像素分布在阵列特定位置，驱动需正确配置掩码和增益补偿。
• 不同CFA变体（Quad Bayer、RCCC等）对应不同的ISP处理流程和初始化寄存器设置。