Foveon X3-сенсор

Логотип Foveon X3

Foveon X3-сенсор

Рис.2,Основной элемент Фотосенсоров Foveon, CCD матриц (фото)

Foveon X3-сенсор с основным элементом Foveon X3-матрицей, разработанного компанией Foveon, отличается цветоделением на аддитивные цвета RGB c использованием дисперсного свойства кремнийкремния поглощать «синие» , «зелёные» и « красные» составляющие лучи света на разной глубине фотодиода (в зависимости от разной длины волны — разной энергоемкости аналогового сигнала) в пределах одного пикселя (без применения фильтра Байера).

Название фото-датчика «Х3» означает его «трёхмерность». Фотодиодами в такой матрице могут служить элементы, созданные по технологиям КМОП, ПЗС, DX .

Принцип работы

В соответствии с трёхкомпонетной моделью человеческого цветовосприятия, составляющие цвета предметной точки можно определить, измеряя уровни яркости красного, зелёного и синего цвета. В светочувствительной матрице каждый элемент-фотодиод (пиксель) генерирует электрический ток пропорциональный количеству фотонов, вызвавших фотоэффект, за время экспозиции.

Цифровая фотография аналогично фотоэмульсионной (на основе применения светочувствительных зёрен галогенидов серебра) с использованием фотодатчиков , например, трехслойных - Foveon X3, равнозначна цветной плёночной фотографии в плане фиксации первичного аналогового сигнала (См.Рис.1). Т.е. аналоговый сигнал предметной точки, состоящий из составляющих света RGB,фиксируется друг под другом в одном фотодиоде в порядке: синий, зеленый,красный.(см. подробнее Foveon X3-матрица). Однако, в отличие от фотоплёнки для получения выходного одного сигнала на основе аддитивного синтеза цвета применятся сложное АЦП. При этом аналоговые составляющие сигналы каждого слоя преобразуются в один выходной сигнал. Аналоговый сигнал предметной точки в Фотосенсоре с последующим преобразованием в АЦП перед выходом его в карту памяти фотоаппарата в виде готового файла, а при съемке в системе RAW — с применением Photoshopa). На начальном этапе фиксации его в фотодиоде мы получаем его истинное значение в виде аналогового сигнала черно-белого изображения. Далее, в результате АЦП или других систем преобразований происходит дискретизация сигналов, модуляция, врсстановление их и оцифровка. При этом система восстановления дискретного сигнала в выходной аналоговый сигнал электронными системами квантования и дискретно-аналогового восстановления обеспечивает получение цветовых характеристик 1:1 по сравнению со снимаемым оригиналом. Главным условием является присутствие истинных составляющих аналогового сигнала при дискретизации для восстановления (отсутствие фильтров Байера, фиксация предметной точки в одном пикселе как в цветной фотоплёнке). , , . Таким образом, трехуровневые фотодатчики RGB (пиксели) в отличие от однослойных матриц образуют ячейку RGB в одном фоточувствительном элементе вместо трех.

Это заметно при тестировании . Изображения при фотографировании с применением этих фотосенсоров дают больше мелких световых деталей и набор цветовых характеристик, близких к оригиналу. Также это позволяет улучшить соотношение сигнал/шум, так как в классических матрицах Байера (См.Рис.2) до 2/3 светового потока теряется в силу конструктивных особенностей (однослойного расположения пикселей в виде ячеек типа RGB. Фиксция аналогового сигнала предметной точки величиной в 1/3 его величины, получение выходного сигнала предметной точки после интерполяции 2/3 сигнала её компенсируется из двух рядом расположенных предметных точек в каждой ячейке). Это не дает возможность получить изображение — копию по отношению к оригиналу.

Фотосенсор Foveon X3 с равным количество пикселей по сравнению с однослойными матрицами выдаёт изображение более чётким, так как при отсутствии фильтра Байера его не нужно интерполировать.

Немного истории

В 1997 году Карвером Мидом Carver Mead) создано совместное предприятие National Semiconductor и Synaptics, в последствии компании Foveon. В основе ее деятельности заложены технологии полупроводниковых микросхем на базе архитектуры VLSI (или СБИС, или условно — схемы сверхбольшой интеграции). Откуда и появилась новая технология фотодатчика под названием Foveon X3-сенсор.

Кавасаки, Япония, 11-ого ноября 2008 - Корпорация Сигмы (Местоположение: Кавасаки, Япония), приобрел 100 % запаса компании, которая развивала оригинальный датчик изображения с тремя слоями, Foveon Inc. Компания Фовеон продолжит работы развития датчика в Сан-Хосе, Калифорнии, США.

Фовеон сделал открытие, которое развивает запатентованную всемирную первую технологию ввода изображений с тремя слоями, помещая набор пикселов RGB в каждом отдельном пикселе фотосенсора. В результате датчики Фовеона обнаруживают все три первичных цвета в каждом отдельном пикселе, производя изображения, которые более остры и значительно уменьшили количество посторонних влияний смежных точек изображения по сравнению с конкурирующими технологиями фотодатчика изображения.

Достоинства

Портрет, сделанный при помощи фотосенсора Foveon X3

• Изображение, которое даёт фотодатчик более натуральное, т.к. отпадает необходимрсть в интерполяции его.
• Отсутствие цветового муара — артефакта, характерного для мозаичных матриц (См. шёлковую ленточку на руках, специально надетую);
• По заявлению разработчиков фотодатчик Foveon Х3 имеет ещё одно свойство — бинарность, изменяемый размер пикселя. Малый размер позволяет делать снимки высокого разрешения и качества. Больший — даёт возможность снимать при слабом освещении. При этом объединение сенсоров в пиксели может проводиться программно, без смены самой матрицы. Подобная технология изменения площади пикселя используется в матрицах компании Fujifilm.

Недостатки

• Относительно высокий уровень цифрового шума, что объясняется влиянием верхних слоёв кремния на красный и зелёный слои фотодиода. Следует учитывать, что на эти детекторы свет попадает, пройдя слои верхних сенсоров, и измеряемый сигнал состоит частично из комбинации сигналов от всех цветов, в результате в каждом уровне он формирует сигнала немного искаженый. RGB составлящие цвета в целом аналоговые составлящие сигналов.^[1] ↑ IXBT.COM: Оценка шумовой характеристики матрицы Foveon X3 против традиционных мозаичных матрицОднако, по мере совершенствования и возможностей Foveon X3 уже практически решена система формирования сигнала предметной точки в границах одного трехслойного пиксела. Система управления упрощена. Появилась возможность отвода сигналов с каждого слоя - фотодиода в более чистом виде и управлять ими в требуемом технологическом режиме с минимальными затратами энергии. Объединение пикселов в сисемы 1х1, 4х4, 1х2 и т. д. в динамике, не ожидая формирования изображения целиком, как в фотодатчиках, например, CMOS, дало возможность регулировки размера групп пикселей в сторону увеличения до 16 раз, что позволяет управлять шумом, увеличивать скорость формирования кадра, то есть съёмок быстро меняющихся ситуаций и т. д. Недостатки, имевшие место при создании матрицы в 2002 году, в настоящее время постепенно исключаются. В последних моделях фотоаппаратов (Например, Sigma SD14) фотодиоды накрываются микролинзами, что снижает шумы и улучшает работу фотодатчика.(Смотри портрет , сделанный последней моделью фотокамеры Sigma. )

Патент Toshiba фотосенсора, объединяющий подходы Foveon и фильтра Байера

В настоящее время подавляющее большинство фотокамер используют двумерные массивы цветных фильтров, которыми накрыты светочувствительные кремниевые элементы матриц. Наиболее известный из них — так называемый фильтр Байера, состоящий из 25% красных, 25% синих и 50% зелёных элементов, расположенных в чередующемся порядке (он был запатентован ещё в 1976 году). Проблема использования фильтров заключается в том, что каждый светочувствительный элемент воспринимает только порядка трети цветовой (и световой) информации, а 70% данных отбрасывается. Фильтры не только сильно понижают чувствительность, но и заставляют прибегать к различным алгоритмам интерполяции (вроде demosaicing) для восстановления информации о цвете с соседних участков.

Многослойные Foveon X3, используемые в фотоаппаратах Sigma, принадлежат к другому типу матриц. Они не используют цветные фильтры, что позволяет увеличить точность цветопередачи, избежать интерполяции и установки размывающего фильтра перед сенсором. Но выигрыш чувствительности Foveon X3 минимален из-за особенностей поглощения светового потока верхними слоями; также наблюдаются трудности в сокращении размера светочувствительных элементов для повышения разрешения матриц (из-за чего в HTC One, например, применён сенсор с разрешением лишь 4 Мп).

Рис. 1.

На Рис.1: Выигрыш чувствительности Foveon X3 минимален из-за особенностей поглощения светового потока верхними слоями; также наблюдаются трудности в сокращении размера светочувствительных элементов для повышения разрешения матриц (из-за чего в HTC One, например, применён сенсор с разрешением лишь 4 Мп.

Недавно был опубликован патент Toshiba, касающийся создания нового типа фотосенсора, который может появиться на массовом рынке и использоваться в будущих продуктах японской компании. Согласно этому патенту, Toshiba планирует создать новый гибридный фотосенсор, который объединяет технологии фильтров Байера и матриц Foveon.

Вместо трёх слоёв, как у Foveon X3, Toshiba предлагает использовать два: на первом слое компания располагает в чередующемся порядке зелёные (фильтр отсекает до 70% информации) и красно-синие элементы (фильтр отсекает до 30% информации), а второй слой представлен красными элементами, расположенными частично под красно-синими первого слоя. Такая технология позволяет заметно повысить чувствительность по сравнению с обычными матрицами с фильтрами типа Байера и преодолеть недостатки Foveon X3.

Рис.2.

На Рис.2: Вместо трёх слоёв, как у Foveon X3, Toshiba предлагает использовать два: на первом слое компания располагает в чередующемся порядке зелёные (фильтр отсекает до 70% информации) и красно-синие элементы (фильтр отсекает до 30% информации), а второй слой представлен красными элементами, расположенными частично под красно-синими первого слоя. Такая технология позволяет заметно повысить чувствительность по сравнению с обычными матрицами с фильтрами типа Байера и преодолеть недостатки Foveon X3.

Появление на рынке таких матриц будет зависеть от сложности практического внедрения технологии Toshiba. При этом следует помнить, что есть и альтернативные подходы к улучшению традиционных фотосенсоров. Например, весьма перспективной является разработка Panasonic, в которой для повышения чувствительности цветные фильтры заменены на мини-призмы. Некую принципиально новую 54-Мп фотоматрицу без фильтра Байера готовит, согласно слухам, и Sony. Samsung улучшила свои сенсоры при помощи технологии ISOCELL.,

Продукты, использующие Foveon X3

• Sigma SD9
• Sigma SD10
• Sigma SD14
• Polaroid x530
• Hanvision HVDUO-5M
• Hanvision HVDUO-10M

См. также

• Foveon X3-матрица
• 3CCD-сенсор
• Фото-датчик
• Матрица (фото)
• Фильтр Байера
• Сенсоры Байера
• Оптические системы
• Nikon RGB-матрица

Ссылки

• ↑ IXBT.COM: Оценка шумовой характеристики матрицы Foveon X3 против традиционных мозаичных матриц

Литература

• Васильев В.П. Основы теории и расчета цифровых фильтров: учеб. пособие для высш. учеб. заведений / В.П. Васильев, Э.Л. Муро, С.М.Смольский; под ред. С.М.Смольского.. — 1-е изд.. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — С. 272 с.,ил. — ISBN 978-5 7695-2709-8^{о книге}Свойство «Ссылка/Книга» типа «Страница» со значением « Основы теории и расчета цифровых фильтров: учеб. пособие для высш. учеб. заведений / В.П. Васильев, Э.Л. Муро, С.М.Смольский; под ред. С.М.Смольского.» содержит недопустимые символы или неполно и может привести к неожиданным результатам при семантическом аннотировании или запросе.