Foveon X3-Sensor - Foveon X3 sensor

Der Foveon X3-Sensor ist ein Digitalkamera -Bildsensor, der von Foveon, Inc. (jetzt Teil der Sigma Corporation ) entwickelt und von Dongbu Electronics hergestellt wird. Es verwendet ein Array von Photosites, die aus drei vertikal gestapelten Photodioden bestehen . Jede der drei gestapelten Fotodioden hat eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit , wodurch sie unterschiedlich auf unterschiedliche Wellenlängen reagiert . Die Signale der drei Fotodioden werden dann als additive Farbdaten verarbeitet, die in einen Standard- RGB-Farbraum umgewandelt werden .

Die X3-Sensortechnologie wurde erstmals 2002 in der Sigma SD9 DSLR- Kamera eingesetzt und anschließend in der SD10 , SD14 , SD15 , SD1 (einschließlich SD1 Merrill) , den ursprünglichen spiegellosen Kompaktkameras Sigma DP1 und Sigma DP2 in den Jahren 2008 bzw. 2009, der Sigma dp2 Quattro- Serie von 2014 und die Sigma SD Quattro-Serie von 2016. Die Entwicklung der Foveon X3-Technologie ist Gegenstand des 2005 erschienenen Buches The Silicon Eye von George Gilder .

Betrieb

Wellenlängenabhängige Absorption in Silizium und dem Foveon X3-Sensor. Erläuterung siehe Text.

Das Diagramm rechts zeigt die Funktionsweise des Foveon X3-Sensors. Das Bild links zeigt die Absorption von Farben für jede Wellenlänge beim Durchgang durch den Siliziumwafer . Das rechte Bild zeigt einen geschichteten Sensorstapel, der die Farben darstellt, die er bei jedem Absorptionsgrad für jedes Ausgabepixel erkennt. Die gezeigten Sensorfarben sind nur Beispiele. In der Praxis resultieren die Farbattribute jedes Ausgabepixels unter Verwendung dieses Sensors aus den Bildverarbeitungsalgorithmen der Kamera , die einen Matrixprozess verwenden, um aus allen vom Fotodiodenstapel erfassten Daten eine einzelne RGB-Farbe zu konstruieren.

Die Tiefe des Siliziumwafers in jedem der drei Sensoren beträgt weniger als fünf Mikrometer , was einen vernachlässigbaren Effekt auf die Fokussierung oder chromatische Aberration erzeugt . Da jedoch die Sammeltiefe der tiefsten Sensorschicht (rot) mit der Sammeltiefe in anderen Silizium- CMOS- und CCD- Sensoren vergleichbar ist, tritt eine gewisse Elektronendiffusion und ein Schärfeverlust bei längeren Wellenlängen auf.

Nutzung

Die erste Digitalkamera, die einen Foveon X3-Sensor verwendet, war die Sigma SD9 , eine digitale Spiegelreflexkamera, die 2002 auf den Markt kam die Sigma SA-Montierung . Der Kamera folgte 2003 die verbesserte, aber technisch ähnliche Sigma SD10 , die wiederum 2006 von der Sigma SD14 abgelöst wurde , die einen höher auflösenden 2640 × 1760 × 3 Sensor verwendet. Der Nachfolger des SD14, der Sigma SD15 , wurde im Juni 2010 veröffentlicht und verwendet den gleichen 2640 × 1760 × 3 (4,7 × 3 MP) Sensor wie der SD14. Der Sigma SD1 wurde im Juni 2011 mit einem neuen 4800 × 3200 × 3 Sensor veröffentlicht, der für den professionellen Markt entwickelt wurde.

Im Jahr 2004 kündigte Polaroid Corp. die Polaroid x530 an, eine Kompaktkamera mit 1408 × 1056 × 3, 1/1,8 Zoll. Sensor. Die Kamera hatte eine begrenzte Version im Jahr 2005, wurde jedoch später im Jahr wegen nicht näher bezeichneter Bildqualitätsprobleme zurückgerufen. Sigma kündigte 2006 einen Prototyp seiner Foveon-basierten Kompaktkamera an, die Sigma DP1 , die den gleichen 14-MP-Sensor wie die SD14 DSLR verwendet. Eine überarbeitete Version des Prototyps im Jahr 2007 ausgestellt wurde, und die Kamera wurde schließlich im Frühjahr 2008 Anders als bei der Polaroid x530 ins Leben gerufen hatte die DP1 ein APS-C - Sensor mit einer 28 - mm - Äquivalent -groß prime Objektiv . Die Kamera wurde als DP1s und DP1x überarbeitet. Im Jahr 2009 brachte das Unternehmen die DP2 auf den Markt , eine Kompaktkamera mit dem gleichen Sensor und Gehäuse wie die DP1, aber mit einem 41-mm-äquivalenten f/2.8-Objektiv.

Vergleich zu Bayer-Filtersensoren

Die Funktionsweise des Foveon X3-Sensors unterscheidet sich von der des Bayer-Filter -Bildsensors, der häufiger in Digitalkameras verwendet wird . Beim Bayer-Sensor besteht jede Photosite im Array aus einem einzelnen Lichtsensor (entweder CMOS oder CCD), der durch Filterung nur einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau ausgesetzt wird. Um ein Vollfarbbild von einem Bayer-Sensor zu erstellen, ist Demosaicing erforderlich , ein interpolativer Prozess, bei dem dem mit jeder Fotostelle verknüpften Ausgabepixel ein RGB- Wert zugewiesen wird, der teilweise auf dem Rot-, Grün- und Blauwert der benachbarten Fotostellen basiert . Der Foveon X3-Sensor erzeugt jedoch seine RGB-Farbausgabe für jede Fotostelle, indem er die Ausgänge jeder der gestapelten Fotodioden an jeder ihrer Fotostellen kombiniert. Dieser Betriebsunterschied führt zu mehreren signifikanten Konsequenzen.

Farbartefakte

Da für den Foveon X3-Sensor kein Demosaicing erforderlich ist, um ein Vollfarbbild zu erzeugen, werden die mit dem Prozess verbundenen Farbartefakte ("farbige Zacken ") nicht gesehen. Der separate Anti-Aliasing-Filter, der üblicherweise verwendet wird, um diese Artefakte in einem Bayer-Sensor zu mildern, ist nicht erforderlich; Dies liegt daran, dass wenig Aliasing auftritt, wenn die Fotodioden für jede Farbe mit Hilfe der Mikrolinsen das optische Bild über einen Bereich integrieren, der fast so groß ist wie der Abstand der Sensoren für diese Farbe. Andererseits führt die Methode der Farbtrennung durch die Eindringtiefe des Siliziums zu mehr Kreuzkontamination zwischen den Farbschichten, was mehr Probleme mit der Farbgenauigkeit bedeutet.

Lichtsammel- und Schwachlichtleistung

Der Foveon X3-Fotosensor kann mehr Photonen erkennen, die in die Kamera eintreten als ein Mosaiksensor, da jeder der Farbfilter, die jede Fotostelle eines Mosaiksensors überlagern, nur eine der Primärfarben durchlässt und die anderen beiden absorbiert. Die Absorption dieser Farben verringert die vom Sensor gesammelte Gesamtlichtmenge und zerstört einen Großteil der Informationen über die Farbe des auf jedes Sensorelement auftreffenden Lichts. Obwohl das Foveon X3 eine größere Lichtsammelfähigkeit besitzt, reagieren die einzelnen Schichten nicht so scharf auf die jeweiligen Farben; somit farbanzeigenden Informationen , die in dem Rohdaten des Sensors erfordert eine „aggressive“ Matrix (dh die Entfernung von Gleichtaktsignalen) zu erzeugen , Farbdaten in einem Standardfarbraum , das Farbrauschen in Situationen mit wenig Licht erhöhen.

Räumliche Auflösung

Laut Sigma Corporation "gab es einige Kontroversen darüber, wie die Anzahl der Pixel in Foveon-Sensoren angegeben werden soll". Es wurde darüber gestritten, ob Verkäufer die Anzahl der Photosites oder die Gesamtzahl der Photodioden als Megapixelzahl zählen sollten und ob eine davon als Maß für die Auflösung mit der Anzahl der Photodioden in einem Bayer-Filtersensor oder einer Bayer- Kamera verglichen werden sollte .

Die Abmessungen des Photosite-Arrays im Sensor der Sigma SD10-Kamera betragen beispielsweise 2268 × 1512, und die Kamera erzeugt eine native Dateigröße dieser Abmessungen (mal drei Farbschichten), die ungefähr 3,4 Millionen Dreifarbpixel beträgt . Sie wurde jedoch als 10,2-MP-Kamera beworben, indem berücksichtigt wurde, dass jede Fotostelle gestapelte rote, grüne und blaue Farbsensor-Fotodioden oder Pixelsensoren (2268 × 1512 × 3) enthält. Zum Vergleich: Die Abmessungen des Photosite-Arrays im 10,2-MP-Bayer-Sensor der Nikon D200-Kamera betragen 3872 × 2592, aber es gibt nur eine Fotodiode oder einen Ein-Pixel-Sensor an jedem Standort. Die Kameras haben die gleiche Anzahl von Fotodioden und produzieren ähnliche Rohdatendateigrößen, aber die Bayer-Filterkamera erzeugt durch Demosaicing eine größere native Dateigröße .

Die tatsächliche Auflösung des Bayer-Sensors ist komplizierter, als die Anzahl seiner Fotosites oder seine native Dateigröße vermuten lässt. das Demosaicing und der separate Anti-Aliasing-Filter werden beide häufig verwendet, um das Auftreten oder die Schwere von Farbmoiré-Mustern zu reduzieren, die die Mosaikcharakteristik des Bayer-Sensors erzeugt. Die Wirkung dieses Filters verwischt die Bildausgabe des Sensors, was zu einer geringeren Auflösung führt, als die Anzahl der Photosites vermuten lässt. Dieser Filter ist beim Foveon X3-Sensor meistens unnötig und wird nicht verwendet. Die früheste Kamera mit einem Foveon X3-Sensor, die Sigma SD9 , zeigte sichtbare Luminanz-Moiré-Muster ohne Farbmoiré.

Spätere Kameras mit X3-Ausstattung weisen weniger Aliasing auf, da sie Mikrolinsen enthalten, die einen Anti-Aliasing-Filter bereitstellen , indem das optische Signal über einen der Abtastdichte entsprechenden Bereich gemittelt wird. Dies ist in keinem Farbkanal eines Sensors vom Bayer-Typ möglich. Aliasing vom Foveon X3-Sensor ist "weit weniger störend, weil er monochrom ist", sagte Norman Koren. Theoretisch ist es möglich, dass ein Foveon X3-Sensor mit der gleichen Anzahl von Fotodioden wie ein Bayer-Sensor und ohne separates Anti-Aliasing-Filter eine höhere räumliche Auflösung erreicht als dieser Bayer-Sensor. Unabhängige Tests zeigen, dass das "10,2 MP"-Array des Foveon X3-Sensors (im Sigma SD10) eine ähnliche Auflösung wie ein 5-MP- oder 6-MP-Bayer-Sensor hat. Bei niedriger ISO-Empfindlichkeit ähnelt es sogar einem 7,2 MP Bayer-Sensor.

Mit der Einführung des Sigma SD14 wird die Auflösung des Foveon X3-Sensors mit 14 MP (4,7 MP Rot + 4,7 MP Grün + 4,7 MP Blau) von den Rezensenten positiv mit der von 10 MP Bayer-Sensoren verglichen. Mike Chaney von Software sagt zum Beispiel: "Die SD14 produziert bessere Fotos als eine typische 10-MP-DSLR, weil sie scharfe Details bis zum "Falloff"-Punkt bei 1700 LPI übertragen kann, während Kontrast, Farbdetails und Schärfe beginnen lange vor der Grenze von 1700 LPI bei einer 10-MP-DSLR auf Bayer-Basis abzubauen."

Ein anderer Artikel bewertet den Foveon X3-Sensor als ungefähr gleichwertig mit einem 9-MP-Bayer-Sensor.

Ein visueller Vergleich zwischen einem 14-MP-Foveon-Sensor und einem 12,3-MP-Bayer-Sensor zeigt, dass Foveon schärfere Details aufweist.

Lärm

Der Foveon X3-Sensor, wie er in der Sigma SD10-Kamera verwendet wird, wurde von zwei unabhängigen Testern als lauter als die Sensoren in einigen anderen DSLRs beschrieben, die den Bayer-Sensor bei höheren ISO-Filmempfindlichkeiten verwenden , insbesondere Chroma- Rauschen. Ein anderer stellte bei langen Belichtungszeiten ein höheres Rauschen fest. Ob dies eine inhärente Eigenschaft des Sensors oder der Bildverarbeitungsalgorithmen der Kamera ist, geben diese Rezensenten jedoch nicht ab.

In Bezug auf die Sigma SD14, die einen neueren Foveon-X3-Sensor verwendet, beurteilte ein Rezensent den Rauschpegel von "sehr niedrig" bei ISO 100 bis "mäßig" bei ISO 1600, wenn das Raw-Bildformat der Kamera verwendet wird .

Beispielbilder

Die SD14- Site von Sigma enthält Galerien mit Bildern in voller Auflösung, die die von der Foveon-Technologie erzeugten Farben zeigen. Der 14-MP-Foveon-Chip erzeugt 4,7-MP-RGB-Dateien in nativer Größe; 14 MP Bayer-Filterkameras erzeugen durch Interpolation (dh Demosaicing) eine native Dateigröße von 14 MP. Ein direkter visueller Vergleich der Bilder von 12,7 MP Bayer-Sensoren und 14,1 MP Foveon-Sensoren zeigt, dass Bayer-Bilder bei feinen monochromen Details, wie den Linien zwischen Ziegelsteinen in einem entfernten Gebäude, überlegen sind, aber die Foveon-Bilder sind in der Farbauflösung überlegen.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Bei Bayer-Sensoren in Digitalkameras ist der Einsatz zwar fast universell, aber nicht zwingend erforderlich. Kodak produzierte einst zwei Digitalkameras, die DCS Pro SLR/n und die DCS Pro SLR/c ( Digital Photography Review, Kodak DCS Pro SLR/c Review , Juni 2004, abgerufen am 3. März 2007), die Bayer-Sensoren ohne einen solchen Filter verwendeten. Beim Fotografieren sehr feiner Details wurdenjedoch deutliche Moiré-Muster erzeugt. Abgerufen am 3. März 2007.
  2. ^ Mikrolinsen werden üblicherweise in allen Arten von Bildsensoren in Digitalkameras verwendet; bei Bayer-Filter-Sensoren ermöglichen Mikrolinsen, dass die gemittelte (dh integrierte) Fläche des optischen Bildes pro Probe 25 Prozent für Rot und Blau und 50 Prozent für Grün erreicht, was zu sehr geringem Anti-Aliasing führt. Bei Foveon X3-Sensoren kann die gemittelte Fläche für jede Farbe 100 Prozent erreichen, was zu einem erheblichen Anti-Alias-Filtereffekt führt.
  3. ^ Diese Beobachtung steht im Einklang mit einem Vergleich der Bilder, die in Digital Photography Review angezeigt wurden und von der Sigma SD10 ( siehe hier ) aufgenommen wurden, mit denen, die ungefähr zeitgleich von der gleichen Szene von der mit Bayer-Sensor ausgestatteten Nikon D70 aufgenommen wurden ( siehe hier )/Seite 15 .asp. Beide abgerufen am 6. März 2007.

Verweise

Externe Links