Введение

Датчик изображения цифровой камеры

Датчик Foveon X3 — это датчик изображения цифровой камеры, разработанный компанией Foveon, Inc. (ныне часть Sigma Corporation) и производимый компанией Dongbu Electronics. Он использует массив фотосайтов, каждый из которых состоит из трех вертикально расположенных фотодиодов. Каждый из этих трех сложенных фотодиодов обладает различной спектральной чувствительностью, что позволяет ему по-разному реагировать на различные длины волн. Сигналы от трех фотодиодов затем обрабатываются как аддитивные цветовые данные, которые преобразуются в стандартное цветовое пространство RGB. Технология датчиков X3 впервые была применена в 2002 году в зеркальной камере Sigma SD9, а затем – в моделях SD10, SD14, SD15, SD1 (включая SD1 Merrill), в оригинальных беззеркальных компактных камерах Sigma DP1 и Sigma DP2, выпущенных в 2008 и 2009 годах соответственно, в серии Sigma dp2 Quattro с 2014 года и в серии Sigma SD Quattro с 2016 года. Разработка технологии Foveon X3 является темой книги Джорджа Гилдера «The Silicon Eye», опубликованной в 2005 году.

Операция

На диаграмме справа показано, как работает датчик Foveon X3. На изображении слева показано поглощение цветов для каждой длины волны при прохождении через кремниевую пластину. На изображении справа представлена многослойная структура датчика, демонстрирующая цвета, которые он регистрирует на каждом уровне поглощения для каждого выходного пикселя. Показанные цвета датчика являются лишь примерами. На практике цветовые характеристики каждого выходного пикселя, полученные с помощью этого датчика, формируются алгоритмами обработки изображений камеры, которые используют матричную обработку для создания единого RGB-цвета на основе всех данных, зафиксированных стеком фотодиодов.

Использование

Первой цифровой камерой, использовавшей датчик Foveon X3, была цифровая зеркальная камера Sigma SD9, выпущенная в 2002 году. Она использовала датчик размером 20,7 × 13,8 мм с разрешением 2268 x 1512 × 3 (3,54 × 3 МП) и была построена на корпусе, разработанном Sigma, с использованием байонета Sigma SA. В 2003 году камеру дополнила улучшенная, но технически похожая Sigma SD10, которая, в свою очередь, была заменена в 2006 году на Sigma SD14 с датчиком более высокого разрешения 2640 × 1760 × 3 (4,64 × 3 МП). Преемник SD14, Sigma SD15, был выпущен в июне 2010 года и использовал тот же датчик 2640 × 1760 × 3, что и SD14. Sigma SD1 была выпущена в июне 2011 года с новым датчиком APS C размером 23,5 × 15,7 мм и разрешением 4800 × 3200 × 3 (15,36 × 3 МП), разработанным для профессионального рынка. В 2004 году Polaroid Corp. анонсировала Polaroid x530 – компактную камеру с датчиком 1408 × 1056 × 3 и размером 1/1.8 дюйма. Камера была выпущена ограниченным тиражом в 2005 году, но позже в том же году была отозвана из-за неустановленных проблем с качеством изображения. В 2006 году Sigma анонсировала прототип компактной камеры на базе Foveon, Sigma DP1, использующий тот же 14-мегапиксельный датчик, что и зеркальная камера SD14. Пересмотренная версия прототипа была представлена в 2007 году, а камера была запущена в производство весной 2008 года. В отличие от Polaroid x530, DP1 имела датчик APS C с эквивалентным 28-мм объективом с фиксированным фокусным расстоянием. Камера была модернизирована в моделях DP1s и DP1x. В 2009 году компания выпустила DP2 – компактную камеру с тем же датчиком и корпусом, что и DP1, но с 41-мм эквивалентным объективом с диафрагмой f/2.8.

Сравнение с датчиками фильтра Байера

Работа датчика Foveon X3 отличается от работы датчика изображения с фильтром Bayer, который более распространен в цифровых камерах. В датчике Bayer каждый фотосайт в массиве состоит из одного светочувствительного элемента (CMOS или CCD), который, в результате фильтрации, подвергается воздействию только одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Для построения полноцветного изображения из датчика Bayer требуется демозаика, интерполяционный процесс, в котором выходному пикселю, соответствующему каждому фотосайту, присваивается значение RGB, частично основанное на уровнях красного, зеленого и синего, зарегистрированных соседними фотосайтами. Однако датчик Foveon X3 формирует RGB-выход для каждого фотосайта, объединяя сигналы от каждого из расположенных друг над другом фотодиодов в каждом фотосайте. Эта разница в принципе работы приводит к нескольким значительным последствиям.

Цветные артефакты

Поскольку для получения полноцветного изображения сенсору Foveon X3 демозаикация не нужна, цветовые артефакты ("цветные ступенчатые края"), связанные с этим процессом, отсутствуют. Отдельный антиалиасинговый фильтр, обычно используемый для уменьшения этих артефактов в сенсоре Bayer, не требуется, поскольку алиасинг возникает в незначительной степени благодаря тому, что фотодиоды каждого цвета, с помощью микролинз, интегрируют оптическое изображение на площади, почти равной расстоянию между сенсорами этого цвета. С другой стороны, метод разделения цветов по глубине проникновения кремния приводит к большему перекрытию между цветовыми слоями, что влечет за собой снижение точности цветопередачи.

Светоотбор и эффективность при слабом освещении

Теоретически, фотосенсор Foveon X3 способен регистрировать больше фотонов, попадающих в объектив камеры, чем мозаичный сенсор, поскольку каждый цветовой фильтр, расположенный над фоточувствительным элементом мозаичного сенсора, пропускает только один из основных цветов и поглощает два других. Однако, отдельные слои сенсора Foveon не так четко реагируют на соответствующие цвета; таким образом, информация о цвете в необработанных данных сенсора требует применения "агрессивной" матрицы (то есть, подавления синфазных сигналов) для получения цветовых данных в стандартном цветовом пространстве, что может приводить к увеличению цветового шума при слабом освещении.

Пространственное разрешение

По словам корпорации Sigma, "в вопросе определения количества пикселей в датчиках Foveon возникали некоторые споры". Спор касался того, должны ли продавцы учитывать количество фотосайтов или общее количество фотодиодов при указании количества мегапикселей, и следует ли сравнивать эти значения с количеством фотодиодов в датчике с фильтром Bayer или камере для оценки разрешения. Например, размеры массива фотосайтов в датчике камеры Sigma SD10 составляют 2268 × 1512, а камера создает исходный размер файла этих размеров (умноженный на три цветовых слоя), что составляет примерно 3,4 миллиона трехцветных пикселей. Однако, камера рекламировалась как 10,2-Мп, поскольку каждый фотосайт содержит сложенные красные, зеленые и синие светочувствительные фотодиоды, или датчики пикселей (2268 × 1512 × 3). Для сравнения, размеры массива фотосайтов в 10,2-Мп датчике Bayer в камере Nikon D200 составляют 3872 × 2592, но на каждой позиции присутствует только один фотодиод или один датчик пикселей. Камеры имеют одинаковое количество фотодиодов и создают файлы необработанных данных схожего размера, но камера с фильтром Bayer генерирует больший исходный размер файла за счет демозаики. Фактическое разрешение, обеспечиваемое датчиком Bayer, сложнее, чем количество его фотосайтов или размер исходного файла; демозаика и отдельный антиалиасинговый фильтр обычно используются для уменьшения появления или выраженности цветовых муаров, возникающих из-за мозаичной структуры датчика Bayer. Эффект этого фильтра размывает выходное изображение датчика, что приводит к разрешению ниже, чем можно было бы предположить, исходя из количества фотосайтов. Этот фильтр в основном не нужен для датчика Foveon X3 и не используется. Самая ранняя камера с датчиком Foveon X3, Sigma SD9, демонстрировала видимые муары яркости, но без цветовых муаров. Последующие камеры с X3 имеют меньше эффекта алиасинга, поскольку они оснащены микролинзами, которые выполняют функцию антиалиасингового фильтра, усредняя оптический сигнал на площади, соразмерной плотности выборки. Это невозможно в любом цветовом канале датчика типа Bayer. "Алиасинг с датчика Foveon X3 гораздо менее заметен, поскольку он монохромный", – заявил Норман Корен. Теоретически, датчик Foveon X3 с тем же количеством фотодиодов, что и датчик Bayer, и без отдельного антиалиасингового фильтра может достичь более высокого пространственного разрешения, чем датчик Bayer. Независимые тесты показывают, что массив "10,2 Мп" датчика Foveon X3 (в Sigma SD10) имеет разрешение, сопоставимое с 5-Мп или 6-Мп датчиком Bayer. При низкой чувствительности ISO он даже приближается к 7,2-Мп датчику Bayer. С появлением Sigma SD14 разрешение 14 Мп (4,7 Мп красного + 4,7 Мп зеленого + 4,7 Мп синего) датчика Foveon X3 было положительно оценено рецензентами по сравнению с разрешением 10-Мп датчиков Bayer. Например, Майк Чейни из ddisoftware отмечает: "SD14 создает лучшие фотографии, чем типичная 10-Мп зеркальная камера, поскольку она способна передавать четкие детали до точки "спада" при 1700 LPI, в то время как контраст, цветовая детализация и резкость начинают ухудшаться задолго до этого предела в 10-Мп зеркальной камере на основе Bayer". В другой статье датчик Foveon X3 оценивается как примерно эквивалентный 9-Мп датчику Bayer. Визуальное сравнение между 14-Мп датчиком Foveon и 12,3-Мп датчиком Bayer показывает, что у Foveon более четкие детали.

Шум

Двумя независимыми рецензентами сенсор Foveon X3, используемый в камере Sigma SD10, был охарактеризован как более шумный, чем сенсоры в некоторых других зеркальных фотоаппаратах, использующих сенсор Bayer при эквивалентных высоких значениях ISO, особенно хроматический шум. Другой рецензент отметил повышенный шум при длительных выдержках. Однако эти рецензенты не высказывают мнения о том, является ли это неотъемлемым свойством сенсора или алгоритмов обработки изображений камеры. Что касается Sigma SD14, использующей более новую версию сенсора Foveon X3, один рецензент оценил уровень шума как от "очень низкого" при ISO 100 до "умеренного" при ISO 1600 при использовании формата RAW камеры.

Образцы изображений

Сайт Sigma SD14 содержит галереи изображений в полном разрешении, демонстрирующие цветопередачу, достигаемую технологией Foveon. 14-мегапиксельный чип Foveon создает RGB-файлы размером 4,7 МП в родном разрешении, в то время как 14-мегапиксельные камеры с фильтром Bayer формируют файлы размером 14 МП в родном разрешении посредством интерполяции (то есть демозаики). Прямое визуальное сравнение изображений с 12,7-мегапиксельных Bayer-сенсоров и 14,1-мегапиксельных Foveon-сенсоров показывает, что изображения, полученные с Bayer-сенсоров, лучше передают мелкие монохромные детали, например, линии между кирпичами на удаленном здании, но изображения Foveon превосходят по цветовому разрешению.

Дальнейшее развитие

С мая 2023 года датчик Foveon X3 пользуется меньшей популярностью у большинства фотографов, уступая датчикам CMOS, которые можно производить дешевле, с более высоким разрешением и меньшим уровнем шума. Однако в феврале 2021 года сообщалось, что Sigma разрабатывает новый датчик Foveon, но в ходе разработки был обнаружен критический дефект, из-за которого пришлось начинать все заново. В феврале 2022 года стало известно, что Sigma перешла ко второму этапу прототипирования нового полнокадрового датчика Foveon. На этом этапе оценивается небольшой прототип датчика изображения с размером пикселя, соответствующим спецификациям будущего продукта, но с уменьшенным общим количеством пикселей для практической проверки его характеристик. Третий этап прототипирования предполагает оценку полнокадрового датчика изображения с характеристиками, идентичными серийным образцам, включая АЦП и другие компоненты. Массовое производство, вероятно, не начнется до 2024 года.