Sensor Foveon X3

El sensor Foveon X3 es un sensor de imagen de cámara digital diseñado por Foveon, Inc. (ahora parte de Sigma Corporation) y fabricado por Dongbu Electronics. Utiliza una serie de fotositos que constan de tres fotodiodos apilados verticalmente. Cada uno de los tres fotodiodos apilados tiene una sensibilidad espectral diferente, lo que le permite responder de manera diferente a diferentes longitudes de onda. Luego, las señales de los tres fotodiodos se procesan como datos de color aditivos que se transforman en un espacio de color RGB estándar.

La tecnología del sensor X3 se implementó por primera vez en 2002 en la cámara DSLR Sigma SD9 y, posteriormente, en las cámaras SD10, SD14, SD15, SD1 (incluida la SD1 Merrill), la Sigma DP1 y la Sigma DP2 compactas sin espejo originales en 2008 y 2009, respectivamente., la serie Sigma dp2 Quattro de 2014 y la serie Sigma SD Quattro de 2016. El desarrollo de la tecnología Foveon X3 es el tema del libro de 2005 The Silicon Eye de George Gilder.

Operación

El diagrama de la derecha muestra cómo funciona el sensor Foveon X3. La imagen de la izquierda muestra la absorción de colores para cada longitud de onda a su paso a través de la oblea de silicio. La imagen de la derecha muestra una pila de sensores en capas que representa los colores que detecta en cada nivel de absorción para cada píxel de salida. Los colores de los sensores que se muestran son sólo ejemplos. En la práctica, los atributos de color de cada píxel de salida que utiliza este sensor resultan de los algoritmos de procesamiento de imágenes de la cámara, que utilizan un proceso matricial para construir un único color RGB a partir de todos los datos detectados por la pila de fotodiodos.

La profundidad de la oblea de silicio en cada uno de los tres sensores es inferior a cinco micrómetros, lo que crea un efecto insignificante en el enfoque o la aberración cromática. Sin embargo, debido a que la profundidad de recolección de la capa más profunda del sensor (roja) es comparable a las profundidades de recolección de otros sensores CMOS y CCD de silicio, se produce cierta difusión de electrones y pérdida de nitidez en las longitudes de onda más largas.

Usar

La primera cámara digital que utilizó un sensor Foveon X3 fue la Sigma SD9, una SLR digital lanzada en 2002. Utilizó una iteración del sensor de 20,7 × 13,8 mm, 2268 x 1512 × 3 (3,54 × 3 MP) y fue construido sobre un cuerpo diseñado por Sigma utilizando el soporte Sigma SA. A la cámara le siguió en 2003 la Sigma SD10 mejorada pero técnicamente similar, que a su vez fue reemplazada en 2006 por la Sigma SD14, que utilizaba un sensor de mayor resolución, 2640 × 1760 × 3 (4,64 × 3 MP). El sucesor del SD14, el Sigma SD15, se lanzó en junio de 2010 y utilizó el mismo sensor de 2640 × 1760 × 3 que el SD14. El Sigma SD1 se lanzó en junio de 2011 con un nuevo sensor APS-C 4800 × 3200 × 3 (15,36 × 3 MP) de 23,5 × 15,7 mm desarrollado para el mercado profesional.

En 2004, Polaroid Corp. anunció la Polaroid x530, una cámara compacta con una resolución de 1408 × 1056 × 3, 1/1,8 pulgadas. sensor. La cámara tuvo un lanzamiento limitado en 2005, pero fue retirada del mercado más adelante ese mismo año por problemas de calidad de imagen no especificados. Sigma anunció un prototipo de su cámara compacta basada en Foveon en 2006, la Sigma DP1, que utiliza el mismo sensor de 14 MP que la DSLR SD14. En 2007 se exhibió una versión revisada del prototipo y la cámara finalmente se lanzó en la primavera de 2008. A diferencia de la Polaroid x530, la DP1 tenía un sensor de tamaño APS-C con una lente principal equivalente a 28 mm. La cámara fue revisada como DP1 y DP1x. En 2009, la compañía lanzó la DP2, una cámara compacta que utiliza el mismo sensor y cuerpo que la DP1 pero con una lente f/2,8 equivalente a 41 mm.

Comparación con los sensores con filtro Bayer

El funcionamiento del sensor Foveon X3 es diferente al del sensor de imagen con filtro Bayer, que se utiliza más comúnmente en cámaras digitales. En el sensor de Bayer, cada fotosito del conjunto consta de un único sensor de luz (ya sea CMOS o CCD) que, como resultado de la filtración, está expuesto a sólo uno de los tres colores primarios: rojo, verde o azul. La construcción de una imagen a todo color a partir de un sensor Bayer requiere demosaicing, un proceso de interpolación en el que al píxel de salida asociado con cada fotosito se le asigna un valor RGB basado en parte en el nivel de rojo, verde y azul informado por los fotositos adyacentes.. Sin embargo, el sensor Foveon X3 crea su salida de color RGB para cada fotosito combinando las salidas de cada uno de los fotodiodos apilados en cada uno de sus fotositos. Esta diferencia operativa tiene varias consecuencias importantes.

Artefactos de color

Debido a que no es necesario realizar una demostración en mosaico para que el sensor Foveon X3 produzca una imagen a todo color, los artefactos de color ("dentados de colores") asociados con el proceso no se ven. No se requiere el filtro anti-aliasing separado que se usa comúnmente para mitigar esos artefactos en un sensor Bayer; esto se debe a que se produce poco aliasing cuando los fotodiodos de cada color, con la ayuda de las microlentes, integran la imagen óptica en una región casi tan grande como la separación de los sensores para ese color. Por otro lado, el método de separación de colores según la profundidad de penetración del silicio genera más contaminación cruzada entre capas de color, lo que significa más problemas con la precisión del color.

Captación de luz y rendimiento con poca luz

En teoría, el fotosensor Foveon X3 puede detectar más fotones que ingresan a la lente de la cámara que un sensor de mosaico, porque cada uno de los filtros de color que se superponen a cada fotosito de un sensor de mosaico pasa solo uno de los colores primarios y absorbe los otros dos. Sin embargo, las capas individuales de un sensor Foveano no responden tan nítidamente a los colores respectivos; por lo tanto, la información que indica el color en los datos sin procesar del sensor requiere una aplicación "agresiva". matriz (es decir, la eliminación de señales de modo común) para producir datos de color en un espacio de color estándar, lo que puede aumentar el ruido de color en situaciones de poca luz.

Resolución espacial

Según Sigma Corporation, "ha habido cierta controversia sobre cómo especificar el número de píxeles en los sensores Foveon". La discusión ha girado en torno a si los vendedores deberían contar el número de fotositios o el número total de fotodiodos, como un recuento de megapíxeles, y si cualquiera de ellos debería compararse con el número de fotodiodos en un sensor de filtro o cámara de Bayer como medida de resolución..

Por ejemplo, las dimensiones de la matriz de fotosito en el sensor de la cámara Sigma SD10 son 2268 × 1512, y la cámara produce un tamaño de archivo nativo de esas dimensiones (multiplicado por tres capas de color), lo que equivale aproximadamente a 3,4 millones de tres -píxeles de color. Sin embargo, se ha anunciado como una cámara de 10,2 MP teniendo en cuenta que cada fotosito contiene fotodiodos de detección de color rojo, verde y azul apilados, o sensores de píxeles (2268 × 1512 × 3). En comparación, las dimensiones del conjunto de fotosito en el sensor Bayer de 10,2 MP de la cámara Nikon D200 son 3872 × 2592, pero sólo hay un fotodiodo, o sensor de un píxel, en cada sitio. Las cámaras tienen el mismo número de fotodiodos y producen tamaños de archivos de datos sin procesar similares, pero la cámara con filtro Bayer produce un tamaño de archivo nativo más grande mediante demostración.

La resolución real producida por el sensor de Bayer es más complicada de lo que podría sugerir el recuento de sus fotositos o el tamaño de archivo nativo; El filtro de mosaico y el filtro antialiasing independiente se utilizan comúnmente para reducir la aparición o gravedad de los patrones de color muaré que produce la característica mosaico del sensor Bayer. El efecto de este filtro desenfoca la salida de imagen del sensor, lo que produce una resolución más baja de lo que parecería implicar el recuento de fotositos. Este filtro es prácticamente innecesario con el sensor Foveon X3 y no se utiliza. La primera cámara con un sensor Foveon X3, la Sigma SD9, mostraba patrones de muaré de luminancia visible sin muaré de color.

Las cámaras posteriores equipadas con X3 tienen menos aliasing porque incluyen microlentes, que proporcionan un filtro antialiasing promediando la señal óptica sobre un área proporcional a la densidad de la muestra. Esto no es posible en ningún canal de color de un sensor tipo Bayer. El alias del sensor Foveon X3 es "mucho menos molesto porque es monocromático", afirmó. dijo Norman Koren. En teoría, es posible que un sensor Foveon X3 con la misma cantidad de fotodiodos que un sensor Bayer y sin filtro anti-aliasing separado alcance una resolución espacial más alta que ese sensor Bayer. Pruebas independientes indican que el "10,2 MP" La matriz del sensor Foveon X3 (en el Sigma SD10) tiene una resolución similar a 5 MP o 6 MP. Sensor Bayer. A baja velocidad ISO, es incluso similar a un sensor Bayer de 7,2 MP.

Con la introducción del Sigma SD14, los revisores comparan favorablemente la resolución del sensor Foveon X3 de 14 MP (4,7 MP rojo + 4,7 MP verde + 4,7 MP azul) con la de los sensores Bayer de 10 MP. Por ejemplo, Mike Chaney, de software, dice que "la SD14 produce mejores fotografías que una cámara DSLR típica de 10 MP porque es capaz de transmitir detalles nítidos hasta el final de la imagen". apunta a 1700 LPI, mientras que el contraste, el detalle del color y la nitidez comienzan a degradarse mucho antes del límite de 1700 LPI en una DSLR de 10 MP basada en Bayer."

Otro artículo considera que el sensor Foveon X3 es aproximadamente equivalente a un sensor Bayer de 9 MP.

Una comparación visual entre un sensor Foveon de 14 MP y un sensor Bayer de 12,3 MP muestra que Foveon tiene detalles más nítidos.

Ruido

Dos revisores independientes han caracterizado el sensor Foveon X3, tal como se utiliza en la cámara Sigma SD10, como más ruidoso que los sensores de algunas otras DSLR que utilizan el sensor Bayer a equivalentes de velocidad de película ISO más altos, en particular el ruido cromático. Otro notó un mayor ruido durante tiempos de exposición prolongados. Sin embargo, estos revisores no ofrecen opinión sobre si esto es una propiedad inherente del sensor o de los algoritmos de procesamiento de imágenes de la cámara.

Con respecto al Sigma SD14, que utiliza un sensor Foveon X3 más reciente, un crítico consideró que sus niveles de ruido oscilaban entre "muy bajos" en ISO 100 a "moderado" a ISO 1600 cuando se utiliza el formato de imagen Raw de la cámara.

Imágenes de muestra

El sitio SD14 de Sigma tiene galerías de imágenes de resolución completa que muestran el color producido por la tecnología Foveon. El chip Foveon de 14 MP produce archivos RGB de tamaño nativo de 4,7 MP; Las cámaras con filtro Bayer de 14 MP producen un tamaño de archivo nativo de 14 MP mediante interpolación (es decir, demostración). La comparación visual directa de imágenes de los sensores Bayer de 12,7 MP y los sensores Foveon de 14,1 MP muestra que las imágenes Bayer son superiores en detalles monocromáticos finos, como las líneas entre ladrillos en un edificio distante, pero las imágenes Foveon son superiores en resolución de color.

Mayor desarrollo

A partir de mayo de 2023, el sensor Foveon X3 es menos preferido por el fotógrafo promedio, siendo superado por los sensores CMOS que pueden fabricarse a menor costo con mayor resolución y menor ruido.

Sin embargo, en febrero de 2021 se informó que Sigma había estado trabajando en un nuevo sensor Foveon, pero que se encontró una falla crítica en su desarrollo hasta la fecha y tuvieron que reiniciar el desarrollo desde cero.

En febrero de 2022 se informó que Sigma se encontraba en la segunda etapa de creación de prototipos del nuevo sensor Foveon de fotograma completo. La segunda etapa de creación de prototipos en este caso es la evaluación de un prototipo de sensor de imagen pequeño con el mismo tamaño de píxel que las especificaciones del producto pero con un recuento total de píxeles reducido para verificar las características de rendimiento del sensor de imagen en la práctica. La tercera etapa de creación de prototipos evaluará un sensor de imagen de fotograma completo con las mismas especificaciones que los dispositivos de producción en masa, incluido el convertidor AD, etc. Es poco probable que la producción en masa comience antes de 2024.