stringtranslate.com

Датчик Foveon X3

Датчик Foveon X3 — это датчик изображения цифровой камеры, разработанный Foveon, Inc. (теперь часть Sigma Corporation ) и произведенный Dongbu Electronics. [1] Он использует массив фотоэлементов, которые состоят из трех вертикально расположенных фотодиодов . Каждый из трех расположенных друг над другом фотодиодов имеет различную спектральную чувствительность , что позволяет ему по-разному реагировать на разные длины волн . [2] Сигналы от трех фотодиодов затем обрабатываются как аддитивные цветовые данные, которые преобразуются в стандартное цветовое пространство RGB . В конце 1970-х годов аналогичный цветовой датчик, имеющий три расположенных друг над другом фотодетектора в каждом пикселе с различными спектральными характеристиками из-за дифференциального поглощения света полупроводником, был разработан и запатентован компанией Kodak. [3]

Технология сенсора X3 была впервые применена в 2002 году в цифровой зеркальной камере Sigma SD9 , а затем в камерах SD10 , SD14 , SD15 , SD1 (включая SD1 Merrill) , оригинальных беззеркальных компактных камерах Sigma DP1 и Sigma DP2 в 2008 и 2009 годах соответственно, серии Sigma dp2 Quattro с 2014 года и серии Sigma SD Quattro с 2016 года. Развитие технологии Foveon X3 стало темой книги Джорджа Гилдера «Кремниевый глаз» , изданной в 2005 году .

Операция

Поглощение в зависимости от длины волны в кремнии и датчик Foveon X3. См. текст для объяснения.

На схеме справа показано, как работает датчик Foveon X3. Изображение слева показывает поглощение цветов для каждой длины волны при прохождении через кремниевую пластину . Изображение справа показывает многослойный стек датчиков, изображающий цвета, которые он обнаруживает на каждом уровне поглощения для каждого выходного пикселя. Показанные цвета датчика являются лишь примерами. На практике цветовые атрибуты каждого выходного пикселя с использованием этого датчика являются результатом алгоритмов обработки изображений камеры , которые используют матричный процесс для построения одного цвета RGB из всех данных, считываемых стеком фотодиодов. [2]

Глубина кремниевой пластины в каждом из трех датчиков составляет менее пяти микрометров , что создает незначительное влияние на фокусировку или хроматическую аберрацию . Однако, поскольку глубина сбора самого глубокого слоя датчика (красного) сопоставима с глубинами сбора в других кремниевых датчиках CMOS и CCD , происходит некоторая диффузия электронов и потеря резкости в более длинных волнах. [4]

Использовать

Первой цифровой камерой, использовавшей датчик Foveon X3, была Sigma SD9 , цифровая зеркальная камера , выпущенная в 2002 году. [5] Она использовала итерацию датчика 20,7 × 13,8 мм, 2268 x 1512 × 3 (3,54 × 3 МП) и была построена на разработанном Sigma корпусе с использованием крепления Sigma SA . За камерой в 2003 году последовала улучшенная, но технически похожая Sigma SD10 , [6] которая, в свою очередь, была заменена в 2006 году Sigma SD14 , которая использовала датчик с более высоким разрешением, 2640 × 1760 × 3 (4,64 × 3 МП). Преемник SD14, Sigma SD15 , был выпущен в июне 2010 года [7] и использовал тот же датчик 2640 × 1760 × 3, что и SD14. Sigma SD1 была выпущена в июне 2011 года [8] с новым датчиком 23,5 × 15,7 мм APS-C 4800 × 3200 × 3 (15,36 × 3 МП), разработанным для профессионального рынка. [9]

В 2004 году компания Polaroid Corporation анонсировала Polaroid x530, [10] компактную камеру с матрицей 1408 × 1056 × 3, 1/1,8 дюйма. Камера имела ограниченный выпуск в 2005 году, но была отозвана позже в том же году из-за неуказанных проблем с качеством изображения. [11] В 2006 году компания Sigma анонсировала прототип своей компактной камеры на базе Foveon, Sigma DP1 , использующей тот же 14-мегапиксельный датчик, что и цифровая зеркальная фотокамера SD14. Переработанная версия прототипа была представлена ​​в 2007 году, и камера в конечном итоге была выпущена весной 2008 года. [12] В отличие от Polaroid x530, DP1 имела датчик размера APS-C с эквивалентным 28-миллиметровым постоянным объективом . Камера была переработана как DP1s и DP1x. В 2009 году компания выпустила DP2 [13] — компактную камеру, использующую тот же датчик и корпус, что и DP1, но с объективом f/2.8, эквивалентным 41 мм.

Сравнение с датчиками с фильтром Байера

Работа датчика Foveon X3 отличается от работы датчика изображения с фильтром Байера , который чаще используется в цифровых камерах . В датчике Байера каждый фотоэлемент в матрице состоит из одного светового датчика (КМОП или ПЗС), который в результате фильтрации подвергается воздействию только одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Построение полноцветного изображения с датчика Байера требует демозаики , интерполяционного процесса , в котором выходному пикселю, связанному с каждым фотоэлементом, присваивается значение RGB, частично основанное на уровне красного, зеленого и синего, сообщаемом соседними с ним фотоэлементами. Однако датчик Foveon X3 создает свой цветовой выход RGB для каждого фотоэлемента путем объединения выходов каждого из сложенных фотодиодов на каждом из его фотоэлементов. Это операционное различие приводит к нескольким существенным последствиям.

Цветовые артефакты

Поскольку для создания полноцветного изображения датчиком Foveon X3 не требуется демозаика, цветовые артефакты («цветные неровности »), связанные с этим процессом, не видны. Отдельный фильтр сглаживания [14], обычно используемый [n 1] для смягчения этих артефактов в датчике Байера, не требуется; это связано с тем, что небольшое сглаживание происходит, когда фотодиоды для каждого цвета с помощью микролинз интегрируют оптическое изображение в области, почти такой же большой, как расстояние между датчиками для этого цвета. [n 2] [15] С другой стороны, метод разделения цветов по глубине проникновения кремния дает больше перекрестного загрязнения между цветовыми слоями, что означает больше проблем с точностью цветопередачи.

Сбор света и эффективность при слабом освещении

Теоретически фотосенсор Foveon X3 может обнаружить больше фотонов, попадающих в объектив камеры, чем мозаичный сенсор, поскольку каждый из цветных фильтров, накладывающихся на каждый фотосайт мозаичного сенсора, пропускает только один из основных цветов и поглощает два других. Однако отдельные слои в сенсоре Fovean не реагируют так остро на соответствующие цвета; таким образом, для цветоиндикации информации в необработанных данных сенсора требуется «агрессивная» матрица (т. е. удаление синфазных сигналов) для получения цветовых данных в стандартном цветовом пространстве , что может увеличить цветовой шум в условиях низкой освещенности. [16]

Пространственное разрешение

По данным корпорации Sigma , «существуют некоторые разногласия относительно того, как указывать количество пикселей в датчиках Foveon». [17] Спор возник по поводу того, должны ли продавцы подсчитывать количество фотоэлементов или общее количество фотодиодов в мегапикселях, и следует ли сравнивать их с количеством фотодиодов в датчике с фильтром Байера или камере в качестве меры разрешения.

Например, размеры массива фотоэлементов в датчике камеры Sigma SD10 составляют 2268 × 1512, и камера создает собственный размер файла этих размеров (умноженных на три цветовых слоя), что составляет приблизительно 3,4 миллиона трехцветных пикселей. Тем не менее, она была объявлена ​​как камера 10,2 МП, принимая во внимание, что каждый фотоэлемент содержит сложенные друг на друга красные, зеленые и синие цветовые фотодиоды, или пиксельные датчики (2268 × 1512 × 3). Для сравнения, размеры массива фотоэлементов в датчике Bayer 10,2 МП в камере Nikon D200 составляют 3872 × 2592, но на каждом участке находится только один фотодиод, или однопиксельный датчик. Камеры имеют одинаковое количество фотодиодов и создают схожие размеры файлов необработанных данных, но камера с фильтром Байера создает больший собственный размер файла с помощью демозаики .

Фактическое разрешение, создаваемое датчиком Bayer, сложнее, чем можно было бы предположить по количеству его фотосайтов или по размеру его собственного файла; демозаика и отдельный фильтр сглаживания обычно используются для уменьшения возникновения или серьезности цветных муаровых узоров , которые создает мозаичная характеристика датчика Bayer. Эффект этого фильтра размывает выходное изображение датчика, что дает более низкое разрешение, чем, казалось бы, подразумевает количество фотосайтов. Этот фильтр в основном не нужен с датчиком Foveon X3 и не используется. Самая ранняя камера с датчиком Foveon X3, Sigma SD9 , показала видимые яркостные муаровые узоры без цветного муара. [18]

Последующие камеры, оснащенные X3, имеют меньше наложения спектров, поскольку они включают микролинзы, которые обеспечивают фильтр сглаживания путем усреднения оптического сигнала по площади, соизмеримой с плотностью образца. Это невозможно ни в одном цветовом канале датчика типа Байера. Наложение спектров от датчика Foveon X3 «гораздо менее надоедливо, потому что он монохромный», - сказал Норман Корен. [19] Теоретически возможно, что датчик Foveon X3 с тем же количеством фотодиодов, что и датчик Байера, и без отдельного фильтра сглаживания может достичь более высокого пространственного разрешения, чем датчик Байера. Независимые тесты показывают, что «10,2-мегапиксельная» матрица датчика Foveon X3 (в Sigma SD10) имеет разрешение, аналогичное 5-мегапиксельному [20] или 6-мегапиксельному [21] датчику Байера. При низкой скорости ISO оно даже похоже на 7,2-мегапиксельный [22] датчик Байера.

С появлением Sigma SD14 , разрешение сенсора Foveon X3 в 14 МП (4,7 МП красный + 4,7 МП зеленый + 4,7 МП синий) было сравнено рецензентами с разрешением сенсоров Bayer в 10 МП. Например, Майк Чейни из ddisoftware говорит, что «SD14 делает лучшие фотографии, чем типичная 10 МП цифровая зеркальная камера, потому что она способна переносить четкие детали вплоть до точки «спада» при 1700 LPI, тогда как контрастность, цветовые детали и резкость начинают ухудшаться задолго до предела в 1700 LPI на 10 МП цифровой зеркальной камере Bayer». [23]

В другой статье датчик Foveon X3 оценивается как примерно эквивалентный 9-мегапиксельному датчику Bayer. [24]

Визуальное сравнение 14-мегапиксельного датчика Foveon и 12,3-мегапиксельного датчика Bayer показывает, что Foveon обеспечивает более четкую детализацию. [25]

Шум

Датчик Foveon X3, используемый в камере Sigma SD10, был охарактеризован двумя независимыми обозревателями как более шумный, чем датчики в некоторых других цифровых зеркальных фотокамерах, использующих датчик Байера при более высоких эквивалентах светочувствительности пленки ISO , [26] в частности, хроматический шум. [27] [28] Другой отметил более высокий уровень шума при длительной экспозиции. [29] [n 3] Однако эти обозреватели не высказывают своего мнения относительно того, является ли это неотъемлемым свойством датчика или алгоритмов обработки изображений камеры.

Что касается камеры Sigma SD14, которая использует более современный датчик Foveon X3, один из рецензентов оценил уровень шума от «очень низкого» при ISO 100 до «умеренного» при ISO 1600 при использовании формата изображения Raw камеры . [30]

Образцы изображений

На сайте SD14 компании Sigma есть галереи изображений с полным разрешением, демонстрирующие цвет, создаваемый технологией Foveon. 14-мегапиксельный чип Foveon создает файлы RGB с собственным размером 4,7 МП; 14-мегапиксельные камеры с фильтром Байера создают файлы с собственным размером 14 МП путем интерполяции (т. е. демозаики). Прямое визуальное сравнение изображений с 12,7-мегапиксельных датчиков Байера и 14,1-мегапиксельных датчиков Foveon показывает, что изображения Байера превосходят мелкие монохромные детали, такие как линии между кирпичами на далеком здании, но изображения Foveon превосходят цветовое разрешение. [31]

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Снято на Sigma SD14» .

Дальнейшее развитие

По состоянию на май 2023 года датчик Foveon X3 менее популярен среди среднестатистических фотографов, поскольку его вытеснили датчики CMOS, которые можно производить по более низкой цене, с более высоким разрешением и меньшим уровнем шума. [32]

Однако в феврале 2021 года сообщалось, что Sigma работает над новым датчиком Foveon, но в их разработке был обнаружен критический недостаток, и им пришлось перезапустить разработку с нуля. [33]

В феврале 2022 года сообщалось, что Sigma находится на втором этапе прототипирования нового полнокадрового датчика Foveon. В этом случае второй этап прототипирования представляет собой оценку небольшого прототипа датчика изображения с тем же размером пикселя, что и спецификации продукта, но с уменьшенным общим количеством пикселей для проверки эксплуатационных характеристик датчика изображения на практике. Третий этап прототипирования будет оценивать полнокадровый датчик изображения с теми же характеристиками, что и у устройств массового производства, включая АЦП и т. д. Маловероятно, что массовое производство начнется до 2024 года. [34]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Хотя его использование практически универсально с датчиками Bayer в цифровых камерах, это не является абсолютно необходимым. Kodak когда-то выпустила две цифровые камеры, DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c ( Обзор цифровой фотографии, Kodak DCS Pro SLR/c Review, июнь 2004 г., дата обращения 3 марта 2007 г.) с использованием датчиков Bayer без такого фильтра. Однако при фотографировании очень мелких деталей получались значительные муаровые узоры . Дата обращения 3 марта 2007 г.
  2. ^ Микролинзы обычно используются во всех типах датчиков изображения в цифровых камерах; в датчиках с фильтром Байера микролинзы позволяют усреднять (т. е. интегрировать) область оптического изображения на выборку до 25 процентов для красного и синего и 50 процентов для зеленого, что приводит к очень небольшому сглаживанию. Для датчиков Foveon X3 усредняемая область может приближаться к 100 процентам для каждого цвета, что приводит к значительному эффекту фильтра сглаживания.
  3. ^ Это наблюдение согласуется со сравнением изображений, представленных в Digital Photography Review, снятых Sigma SD10 (см. здесь), с изображениями, снятыми примерно в то же время той же сцены Nikon D70, оснащенной датчиком Bayer (см. здесь)/page15.asp. Оба получены 6 марта 2007 г.

Ссылки

  1. ↑ Foveon объявляет о новом партнере по производству датчиков изображения: Dongbu Electronics из Сеула, Южная Корея. Получено 18 января 2014 г.
  2. ^ ab A. Rush; P. Hubel (2003). "X3 Sensor Characteristics". J. Soc. Photogr. Sci. Technol. Japan . 66 (1): 57–60 . Получено 6 марта 2007 г.
  3. ^ US4613895A, Берки, Брюс К.; ВанХейнинген, Роджер С. и Сполдинг, Ричард А. и др., «Устройство цветной визуализации, использующее оптическое поглощение полупроводника, зависящее от длины волны», выпущено 23 сентября 1986 г. 
  4. ^ Джи Су Ли (2003). Фотоотклик датчиков изображения КМОП (PDF) (диссертация на степень доктора философии). Университет Ватерлоо. Архивировано из оригинала (PDF) 19 февраля 2009 г.
  5. ↑ Обзор цифровой фотографии: 18 февраля 2002 г.
  6. ↑ Обзор цифровой фотографии: Sigma SD10: март 2004 г.
  7. ^ Обзор цифровой фотографии: Sigma UK начинает поставки цифровой камеры SD15: 11 июня 2010 г.
  8. ^ "Объявлена ​​цена и доступность Sigma SD1" . Получено 24 мая 2011 г. .
  9. ^ Обзор цифровой фотографии: Sigma выпускает флагманскую цифровую зеркальную фотокамеру SD1: 21 сентября 2010 г.
  10. ↑ Обзор цифровой фотографии: Polaroid x530: 09 февраля 2004 г.
  11. ^ Ресурс изображений: 15 апреля 2005 г.
  12. ^ Обзор цифровой фотографии: Sigma объявляет о выпуске DP1 весной 2008 г.: 13 января 2008 г.
  13. ↑ Обзор цифровой фотографии: Sigma UK: DP2 уже в продаже: 14 мая 2009 г.
  14. ^ См. раздел «Оптический фильтр сглаживания» в разделе «Фильтр сглаживания».
  15. ^ Брайан В. Килан (2004). Справочник по качеству изображения: характеристика и прогнозирование. Марсель–Деккер. стр. 390. ISBN 0-8247-0770-2.
  16. ^ "Know raw? Часть 2". Фотопоток на auspiciousdragon.net . 5 июля 2007 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  17. ^ "Sigma SD14 White Papers". Архивировано из оригинала 26 ноября 2007 г. Получено 29 апреля 2007 г.
  18. ↑ Фил Аски (ноябрь 2002 г.). «Обзор Sigma SD9». DPReview .
  19. ^ Норман Корен. "Резкость: что это такое и как она измеряется?". Документация Imatest . Получено 16 декабря 2007 г.
  20. ↑ Popular Photography & Imaging , том 69, № 6 (июнь 2005 г.), (таблица на стр. 47).
  21. ↑ Обзор цифровой фотографии: Обзор Sigma SD10, март 2004 г., получено 3 марта 2007 г.
  22. ^ Обзоры c|net, Sigma SD10 Получено 6 марта 2007 г.
  23. ^ Майк Чейни (2007). «Разрешение Sigma SD14: 14 МП? 4,6 МП? Как SD14 выглядит на фоне высококлассных камер, таких как Canon EOD 5D?». ddisoftware .
  24. ^ "Foveon X3 Sensor Claims Put to the Test". Архивировано из оригинала 5 февраля 2008 г.
  25. ^ Карл Риттерфальк (23 февраля 2010 г.). «Крошечное сравнение Sigma SD14 и Nikon D90». Carl Rytterfalk Photography . Архивировано из оригинала 15 июля 2010 г. Получено 20 мая 2010 г.
  26. ^ См., например , обзоры c|net, Sigma SD10, дата обращения 6 марта 2007 г. и обзор Steve's Digicams Sigma SD10 (28 ноября 2003 г.), дата обращения 6 марта 2007 г.
  27. ^ Camera Labs: Галерея Sigma DP1
  28. ^ Обзор Sigma DP1, photographyreview.com
  29. ^ Обзор Imaging Resource Sigma SD10 (впервые опубликовано 22.10.03.). Получено 6 марта 2007 г.
  30. ^ Майкл Дж. Макнамара (декабрь 2008 г.). "Тест камеры: Sigma SD14" . Получено 6 июня 2013 г.
  31. ↑ Майк Чейни (16 марта 2007 г.). «Разрешение Sigma SD14: 14 МП? 4,6 МП?». Digital Domain Inc.
  32. ^ Тимоти Коньяр (13 июня 2022 г.). «Foveon: умный датчик изображения, который не завоевал популярность» . Получено 12 мая 2023 г.
  33. ^ Джарон Шнайдер (19 февраля 2021 г.). «Sigma представляет обновленную информацию о камере Foveon: «Назад к чертежной доске»» . Получено 12 мая 2023 г.
  34. ^ Джарон Шнайдер (22 февраля 2022 г.). «Sigma находится на втором этапе создания прототипа нового датчика Foveon» . Получено 12 мая 2023 г.

Внешние ссылки