Кіріспе

Цифрлық камераның бейне сенсоры Foveon X3 – Foveon, Inc. (қазір Sigma Corporation құрамына кіретін) компаниясымен жасалған және Dongbu Electronics компаниясы өндірген цифрлық камераның бейне сенсоры. Ол үш тік қабатталған фотодиодтан тұратын фотосайттар жиынтығын пайдаланады. Үш қабатталған фотодиодтың әрқайсысы әртүрлі спектральдық сезімталдыққа ие, бұл оларға әртүрлі толқын ұзындығына әртүрлі жауап беруге мүмкіндік береді. Содан кейін үш фотодиодтан алынған сигналдар стандартты RGB түстік кеңістігіне түрлендірілетін аддитивті түс деректері ретінде өңделеді. X3 сенсорлық технологиясы алғаш рет 2002 жылы Sigma SD9 DSLR камерасында, кейіннен SD10, SD14, SD15, SD1 (соның ішінде SD1 Merrill), 2008 және 2009 жылдары сәйкесінше Sigma DP1 және Sigma DP2 камераларында, 2014 жылдан бастап Sigma dp2 Quattro сериясында және 2016 жылдан бастап Sigma SD Quattro сериясында қолданылды. Foveon X3 технологиясының дамуы Джордж Гилдердің 2005 жылғы "Кремний көзі" кітабының тақырыбы болып табылады.

Операция

Оң жақтағы диаграмма Foveon X3 сенсорының жұмыс принципін көрсетеді. Сол жақтағы суретте кремний пластинасы арқылы өтетін әрбір толқын ұзындығы үшін түстердің қалай сіңірілетіні көрсетілген. Оң жақтағы суретте әрбір шығыс пикселі үшін әр сіңіру деңгейінде анықталатын түстерді көрсететін қабатталған сенсор жинағы бейнеленген. Көрсетілген сенсор түстері тек мысал ретінде келтірілген. Нақты жағдайда, осы сенсорды қолданатын әрбір шығыс пикселінің түс сипаттамалары камераның бейне өңдеу алгоритмдері арқылы анықталады, бұл алгоритмдер фотодиод жинағынан алынған барлық деректерді пайдаланып матрицалық өңдеу арқылы бір RGB түсін құрайды.

Қолдану

Foveon X3 сенсорын пайдаланған алғашқы цифрлық камера 2002 жылы шыққан Sigma SD9 болды. Ол 20,7 × 13,8 мм, 2268 x 1512 × 3 (3,54 × 3 МП) сенсордың модификациясын қолданды және Sigma SA ұстағышын пайдаланып, Sigma жобалаған корпуста құрастырылды. 2003 жылы камерадан кейін жақсартылған, бірақ техникалық тұрғыдан ұқсас Sigma SD10 шықты, одан кейін 2006 жылы жоғары ажыратымдылығы бар, 2640 × 1760 × 3 (4,64 × 3 МП) сенсорды қолданған Sigma SD14 пайда болды. SD14-тің ізбасары Sigma SD15 2010 жылдың маусымында шығарылды және SD14 сияқты 2640 × 1760 × 3 сенсорын қолданды. Sigma SD1 2011 жылдың маусымында кәсіби нарық үшін жаңа 23,5 × 15,7 мм APS C 4800 × 3200 × 3 (15,36 × 3 МП) сенсорымен шығарылды. 2004 жылы Polaroid Corp. компаниясы 1408 × 1056 × 3, 1/1.8 дюймдік сенсоры бар компактты Polaroid x530 камерасын жариялады. Камера 2005 жылы шектеулі санымен шығарылды, бірақ сол жылдың соңында белгісіз бейне сапасы мәселелеріне байланысты қайтарылып алынды. Sigma компаниясы 2006 жылы Foveon негізіндегі компакт-камераның прототипі – Sigma DP1 туралы хабарлады, онда SD14 DSLR сияқты 14 МП сенсор қолданылды. Прототиптің жаңартылған нұсқасы 2007 жылы көрсетілді, ал камера 2008 жылдың көктемінде нарыққа шығарылды. Polaroid x530-нан айырмашылығы, DP1-де 28 мм эквивалентті негізгі линзасы бар APS C өлшемді сенсор болды. Камера DP1s және DP1x ретінде жаңартылды. 2009 жылы компания DP2 камерасын шығарды, ол DP1 сияқты сенсор мен корпусты пайдаланды, бірақ 41 мм эквивалентті f/2.8 линзасымен жабдықталды.

Байер сүзгісі сенсорларымен салыстыру

Foveon X3 сенсорының жұмыс істеу принципі цифрлық камераларда кеңінен қолданылатын Bayer сүзгісі бар бейне сенсорынан өзгеше. Bayer сенсорындағы әр фотосайт массиві бір жарық сенсорынан (CMOS немесе CCD) тұрады, ол сүзгіленуінің нәтижесінде үш негізгі түстің – қызыл, жасыл немесе көк түстің біреуіне ғана сезімтал болады. Bayer сенсорынан толық түсті сурет алу үшін демозайкалау процесі қажет, ол интерполяциялық әдіс. Осы процесте әр фотосайтқа сәйкес келетін пиксельге RGB мәні, жақын орналасқан фотосайттардан алынған қызыл, жасыл және көк түстердің деңгейіне сүйене отырып тағайындалады. Дегенмен, Foveon X3 сенсоры әр фотосайттағы жиналған фотодиодтардың нәтижелерін біріктіре отырып, әр фотосайт үшін RGB түстік шығысын жасайды. Бұл жұмыс істеу ерекшелігі бірнеше маңызды салдарға алып келеді.

Түсті артефактілер

Foveon X3 сенсоры толық түсті суретті шығару үшін демозайкалауды қажет етпегендіктен, осы процеске байланысты түсті артефакттар ("түсті тігістер") байқалмайды. Бұл артефакттарды азайту үшін Bayer сенсорларында қолданылатын жеке антиалиазингтік сүзгі қажет емес; себебі, әрбір түске арналған фотодиодтар микролинзалардың көмегімен оптикалық бейнені сол түске арналған сенсорлардың аралықтарына шамалас үлкен аймақта жинақтайды, нәтижесінде аз ғана алиасинг пайда болады. Дегенмен, кремнийге ену тереңдігі арқылы түстерді бөлу әдісі түсті қабаттар арасындағы қиылысуды күшейтеді, яғни түс дәлдігімен байланысты мәселелер көбейеді.

Жарық жинауы және жарықсыз жағдайда жұмыс істеу

Теориялық тұрғыдан алғанда, Foveon X3 фотосенсоры камера линзасына кіретін фотондарды мозаикалық сенсордан гөрі көп анықтай алады, себебі мозаикалық сенсордың әрбір фотосайтын жабатын түсті сүзгілер негізгі түстердің тек біреуін өткізеді және қалған екеуін жұтады. Дегенмен, Foveon сенсорындағы жеке қабаттар сәйкес түстерге соншалықты айқын жауап бермейді; сондықтан сенсордың шикі деректеріндегі түс туралы ақпаратты стандартты түс кеңістігінде түс деректерін алу үшін "күшті" матрица (яғни, ортақ сигналдарды жою) қажет, бұл жарық аз жағдайларда түс шуын күшейте алады.

Ғарыштық ажыратылуы

Сигма корпорациясының мәлімдемесінше, "Фовеон сенсорларындағы пикселдер санын қалай анықтау туралы пікір қақтығыстары болды". Дау фотосайттардың санын немесе фотодиодтардың жалпы санын мегапиксел ретінде есептеу, және оларды Байер фильтрі бар сенсордағы немесе камерадағы фотодиодтар санымен салыстыру қажеттігіне байланысты туды. Мысалы, Sigma SD10 камерасындағы сенсордағы фотосайт массивінің өлшемдері 2268 × 1512, ал камера осы өлшемдердің (үш түсті қабаттармен көбейтілген) нәтижесінде туындайтын файл өлшемін шығарады, бұл шамамен 3,4 миллион үш түсті пикселге тең. Дегенмен, әрбір фотосайтта қызыл, жасыл және көк түстерді сезінетін фотодиодтар немесе пикселдік сенсорлар (2268 × 1512 × 3) бар екенін ескергенде, камера 10,2 МП камера ретінде жарнамаланады. Қарама-қарсылық ретінде, Nikon D200 камерасындағы 10,2 МП Байер сенсорының фотосайт массивінің өлшемдері 3872 × 2592, бірақ әрбір сайтта тек бір фотодиод немесе бір пикселдік сенсор бар. Камералардың фотодиодтарының саны бірдей және олар ұқсас шикі дерек файл өлшемдерін шығарады, бірақ Байер фильтрі бар камера демозаикалау арқылы үлкен тума файл өлшемін шығарады. Байер сенсорының шығаратын нақты ажыратымдылығы фотосайттардың санынан немесе тума файл өлшемінен күрделірек; демозаикалау және жеке антиалиазингтік фильтр екеуі де Байер сенсорының мозаикалық ерекшелігінен туындайтын түсті моаре үлгілерін азайту үшін қолданылады. Бұл фильтр сенсордың шығаратын суретін бұрмалап, фотосайттар санынан күткенінен төмен ажыратымдылыққа әкеледі. Бұл фильтр Foveon X3 сенсоры үшін қажет емес және қолданылмайды. Foveon X3 сенсоры бар алғашқы камера, Sigma SD9, түссіз люминесценттік моаре үлгілерін көрсетті. Кейінгі X3 сенсорымен жабдықталған камераларда алиасинг азайтылды, себебі олар микро линзаларды қамтиды, бұл үлгі тығыздығына сәйкес келетін аймақта оптикалық сигналдың орташасын есептеп, антиалиазингтік фильтрдің қызметін атқарады. Бұл Байер типіндегі сенсордың түсті арналарында мүмкін емес. Норман Кореннің айтуынша, Foveon X3 сенсорынан туындайтын алиасинг "бір түсті болғандықтан, әлдеқайда аз мазалайды". Теориялық тұрғыдан алғанда, Bayer сенсорымен бірдей фотодиодтар саны бар және жеке антиалиазингтік фильтрі жоқ Foveon X3 сенсоры, сол Bayer сенсорынан жоғары кеңістіктік ажыратымдылыққа қол жеткізе алады. Тәуелсіз сынақтар Foveon X3 сенсорының (Sigma SD10-дағы) 10,2 МП массивінің 5 МП немесе 6 МП Байер сенсорына ұқсас ажыратымдылыққа ие екенін көрсетті. ISO жылдамдығы төмен болғанда, ол тіпті 7,2 МП Байер сенсорына да ұқсас. Sigma SD14 енгізілгеннен кейін, 14 МП (4,7 МП қызыл + 4,7 МП жасыл + 4,7 МП көк) Foveon X3 сенсорының ажыратымдылығы сыншылар тарапынан 10 МП Байер сенсорларымен салыстырылып, жақсы бағаланды. Мысалы, ddisoftware компаниясының Майк Чейни "SD14 әдеттегі 10 МП DSLR-ге қарағанда жақсырақ фотосуреттер түсіреді, себебі ол 1700 LPI-де 'түсіп қалу' нүктесіне дейін өткір бөлшектерді сақтай алады, ал контраст, түс бөлшектері және өткірлік 1700 LPI шегіне жетпес бұрын Байер негізіндегі 10 МП DSLR-де нашарлай бастайды" деді. Тағы бір мақалада Foveon X3 сенсоры шамамен 9 МП Байер сенсорымен тең деп бағаланды. 14 МП Foveon сенсоры мен 12,3 МП Байер сенсорын визуалды салыстыру Foveon-ның нақтырақ бөлшектерге ие екенін көрсетті.

Шу

Foveon X3 сенсоры, Sigma SD10 камерасында қолданылғандай, екі тәуелсіз сарапшы тарапынан жоғары ISO шамаларында, әсіресе түсті шуға (chroma noise) байланысты, Bayer сенсорын қолданатын кейбір басқа DSLR камераларының сенсорларына қарағанда шулырақ деп сипатталды. Тағы бір сарапшы ұзақ экспозиция кезінде шудың артуын байқады. Дегенмен, бұл сыншылар мұның сенсордың өзіне тән қасиеті ме, әлде камераның бейне өңдеу алгоритмдеріне байланысты ма деген мәселеде пікір білдірмейді. Sigma SD14 камерасы, жаңарақ Foveon X3 сенсорын пайдаланады, және бір сарапшы оның шу деңгейін камераның RAW форматында ISO 100-де "өте төмен", ал ISO 1600-да "орташа" деп бағалады.

Суреттердің үлгілері

Сигманың SD14 сайтында Foveon технологиясымен түсірілген, толық ажыратымды суреттердің галереясы бар. 14 МП Foveon чипі 4,7 МП нақты өлшемді RGB файлдарын шығарады; ал 14 МП Bayer сүзгілі камералар интерполяция (яғни, демозайкалау) арқылы 14 МП нақты файл өлшемін шығарады. 12,7 МП Bayer сенсорлары мен 14,1 МП Foveon сенсорларынан алынған суреттерді тікелей салыстырғанда, Bayer суреттері алыс ғимараттағы кірпіштер арасындағы сызықтар сияқты ұсақ монохромды бөлшектерде артықшылыққа ие, бірақ Foveon суреттері түс ажыратымдылығы бойынша артықшылыққа ие.

Дамыту

2023 жылдың мамыр айынан бастап Foveon X3 сенсорына деген қызығушылық орташа фотографтардың арасында азайды, оның орнын CMOS сенсорлары басып алды, оларды төменгі құнмен, жоғарырақ ажыратымдылықпен және аз шумен жасау мүмкін. Дегенмен, 2021 жылдың ақпан айында Sigma компаниясы жаңа Foveon сенсорының үстінде жұмыс істеп жатқаны, бірақ олардың әзірлемелерінде маңызды кемшілік табылып, бастапқы қадамдардан қайта бастауға тура келгені хабарланды. 2022 жылдың ақпан айында Sigma компаниясы жаңа толық кадрлы Foveon сенсорының прототипін жасауда екінші кезеңде екендігі туралы мәлімдеді. Осы жағдайда екінші кезең – бейне сенсордың өнімділік сипаттамаларын тәжірибеде тексеру үшін, өнімнің техникалық талаптарымен бірдей пиксель өлшемімен, бірақ жалпы пиксель саны кеметілген кішкентай бейне сенсор прототипін бағалау. Үшінші кезеңнің прототипі толық кадрлы бейне сенсорларын, сондай-ақ АЦҚ (аналог-цифрлік түрлендіргіш) және т.б. сияқты сериялық өндіріс үлгілерінің техникалық талаптарымен бағалауды қамтиды. 2024 жылға дейін сериялық өндіріс басталуы екіталай.