Foveon X3 (Foveon X3)

Логотип Foveon X3

Foveon X3 — серия фотоматриц компании Foveon, в которой цветоделение на аддитивные цвета RGB проводится послойно, по толщине полупроводникового материала, с использованием физических свойств кремния.

Название сенсора «Х3» подразумевает как его «трёхслойность», так и «трёхмерность» структуры, дабы подчеркнуть отличие от «плоских» матриц с фильтром Байера.

Управляющие схемы и элементы матрицы могут быть построены с применением КМОП и других технологических решений. Однако на данный момент (2008 год) производится только КМОП версия. Кроп-фактор матриц «Foveon x3» — 1,74.

Архитектура матрицы и принцип действия

Принцип цветоделения Foveon X3

Принцип действия элементов массива Байера

Особенностью матриц Foveon является то, что фотодиоды, формирующие цветной элемент изображения, расположены друг над другом, образуя «колонку», перпендикулярную поверхности матрицы. Поскольку коэффициент поглощения света в кремнии в оптическом диапазоне монотонно зависит от длины волны, то синяя часть спектра поглощается преимущественно верхним слоем (толщина 0,4 мкм), зелёная средним (толщина 2 мкм) и красная нижним слоем (более 2 мкм), разделенных p-n-переходами и имеющими отдельные выводы сигнала. Такая компоновка позволяет получить полную информацию по трем цветовым каналам в одной точке.

Такая вертикальная компоновка радикально отличается от матриц с фильтрами Байера, где каждый элемент цветного изображения образуется комбинацией одноцветных сигналов с группы рядом расположенных на поверхности сенсора фотодиодов-субпикселей, «накрытых» цветными фильтрами. В отличие от байеровских фотосенсоров в сенсорах Foveon цветные фильтры не используются и, благодаря сбору сигнала по трем цветовым каналам в одной точке, отпадает нужда в интерполяции сигналов цветных субпикселов при формировании изображения.

Благодаря малой (менее 5 мкм) толщине сенсора, возможное влияние хроматических аберраций на изображение минимально. Однако, как и в других разновидностях матриц, поглощение красной части спектра происходит на максимальной глубине. В результате паразитной диффузии фотоэлектронов и засветки косыми лучами в области максимальных длин волн происходит дополнительное размытие изображения. В частности, этот же эффект затрудняет дальнейшее (по сравнению с нынешними матрицами) уменьшение размера элемента и повышение разрешения.

Достоинства

Более чёткое изображение:

• Не требуется процедуры интерполяции недостающих компонентов в каждом пикселе.
• Не требуется постановки перед матрицей размывающего фильтра (обязательного компонента байеровских матриц, он же англ. Anti-aliasing filter) для решения проблемы цветового муара — явления, характерного для мозаичных матриц;

Потенциально лучшие шумовые характеристики:

• Теоретически, позволяет улучшить соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию поглощающих ⅔ светового потока цветных фильтров. Но из-за поглощения светового потока верхними слоями и необходимости восстанавливать насыщенность цвета дополнительной обработкой выигрыш в чувствительности оказывается невелик.
• По заявлению разработчиков, Foveon Х3 имеет ещё одно интересное свойство — изменяемый размер эффективного пикселя. Малый размер позволяет делать снимки высокого разрешения. Больший — даёт возможность снимать при слабом освещении. Объединение пикселов в системы 1×1, 4×4, 1×2 и т. д. производится в динамическом режиме.

Недостатки

• Недостаточная точность цветопередачи и невозможность её радикального улучшения, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния как такового, и произвольный выбор красителя для компонентов невозможен.
• Относительно высокий уровень цифрового шума. К сожалению, разделение оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате, цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании R G B сигналов с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку. Для компенсации этого эффекта требуется вводить агрессивный алгоритм восстановления цветового оттенка. Именно вынужденный подъём насыщенности вносит основной вклад в увеличение итогового шума матрицы.

Спорные маркетинговые приёмы

Подобно производителям байеровских фотосенсоров, указывающих в характеристиках матриц число одноцветных субпикселей, компания Foveon позиционирует матрицу X3-14.1MP как «14-мегапиксельную» (4,68 млн трёхсенсорных «колонок»). Такой маркетинговый подход, когда «пикселем» называют элемент, воспринимающий один цвет, является в настоящее время общепринятым в фотоиндустрии. Также «пикселем» ошибочно называют элемент светочувствительной матрицы (сенсель — от sensor element).

Вместе с тем, в случае байеровских матриц с последующей программной интерполяцией сенселей за счет их пространственного разнесения достигается несколько большее разрешение, чем в Foveon (14.1 млн субпикселей), то есть по разрешению изображение матрицы Foveon X3-14.1MP сравнимо с изображением, полученным с байеровской матрицы разрешением 8—10 Мп). Однако отсутствие необходимости в программной интерполяции у Foveon обеспечивает более точную дискретизацию исходного изображения, уменьшая искажения связанные с дискретизацией (растрированием), например, муара.

Продукты, использующие матрицы Foveon X3

Зеркальные фотоаппараты

• Sigma SD1/Sigma SD1 Merrill
• Sigma SD9
• Sigma SD10
• Sigma SD14
• Sigma SD15

Беззеркальные фотоаппараты

• Sigma sd Quattro / Sigma sd Quattro H — выпуск анонсирован в начале 2016 года

Компактные фотоаппараты

• Sigma DP1 (DP1s и DP1x)
• Sigma DP2 (DP2s и DP2x)
• Sigma DP1/DP2/DP3 Merrill
• Sigma DP0/DP1/DP2/DP3 Quattro

• Polaroid x530
• Hanvision HVDUO-5M
• Hanvision HVDUO-10M

Производители

• National Semiconductor
• Dongbu Electronics

См. также

• Nikon RGB-матрица
• матрица (фото)
• Фильтр Байера

Литература

• Richard F. Lyon and Paul M. Hubel. Eyeing the Camera: into the Next Century. 10th Color Imaging Conference: Color Science, System and Applications. IS&T and SID, Springfield, Va, USA, 2002. P. 349-355.