Foveon X3-сенсор

Foveon X3-сенсор

Рис.1,Pабота Foveon X3 пикселя

‎ 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 фотодатчика «Х3» означает его «трёхмерность». Фотодетекторами в такой матрице могут служить элементы, созданные по технологиям КМОП, ПЗС, DX .

Принцип работы

Рис.2,Фотосенсоры Foveon, CCD

‎ 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). http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.cgi?RAtgruju-koxqwlyt:l!vwluhwgnuigto9, http://www.phys.nsu.ru/courses/text/05ProcessingOfSignalsAndImage1.doc, http://www.ddisoftware.com/sd14-5d/, . 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.

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.^* ↑ 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. )

Продукты, использующие Foveon X3

• Sigma SD9
• Sigma SD10
• Sigma SD14
• Sigma SD15
• Polaroid x530
• Hanvision HVDUO-5M
• Hanvision HVDUO-10M

См. также

• Foveon X3-матрица
• 3CCD-сенсор
• Фотосенсор
• Матрица (фото)
• Фильтр Байера
• Сенсоры Байера
• Оптические системы
• Nikon RGB-матрица
• Аналоговая фотография

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. (см. ISBN )