Foveon X3
Foveon X3- серія фотоматриць компанії Foveon, в якій кольороподіл на адитивні кольори RGB проводиться пошарово, за товщиною напівпровідникового матеріалу, з використанням фізичних властивостей кремнію.
Назва сенсора «Х3» [1] має на увазі як його «трьохшаровість», так і «трьохвимірність» структури, щоб підкреслити відмінність від «плоських» матриць з фільтром Байєра.
Керуючі схеми та елементи матриці можуть бути побудовані із застосуванням КМОП та інших технологічних рішень. Однак на даний момент (2008 рік) виробляється тільки версія КМОП. Кроп-фактор матриць "Foveon x3" - 1,74.
Зміст
Особливістю матриць Foveon є те, що фотодіоди, що формують кольоровий елемент зображення, розташовані один над одним, утворюючи колонку, перпендикулярну поверхні матриці. Оскільки коефіцієнт поглинання світла в кремнії в оптичному діапазоні монотонно залежить від довжини хвилі [2] , то синя частина спектру поглинається переважно верхнім шаром (товщина 0,4 мкм), зелена середнім (товщина 2 мкм) та червона нижнім шаром (більше 2 мкм) , розділених p-n-переходами та мають окремі висновки сигналу. Таке компонування дозволяє отримати повну інформацію по трьох колірних каналах в одній точці [3] .
Таке вертикальне компонування радикально відрізняється від матриць з фільтрами Байєра, де кожен елемент кольорового зображення утворюється комбінацією одноколірних сигналів із групи поруч розташованих на поверхні сенсора фотодіодів-субпікселів, «накритих» кольоровими фільтрами. На відміну від фотосенсорів байєрів у сенсорах Foveon кольорові фільтри не використовуються і, завдяки збору сигналу по трьох колірних каналах в одній точці, відпадає потреба в інтерполяції сигналів кольорових субпікселівдля формування зображення.
Завдяки малій (менше 5 мкм) товщині сенсора, можливий вплив хроматичних аберацій на зображення мінімальний. Однак, як і в інших різновидах матриць, поглинання червоної частини спектра відбувається на максимальній глибині. Внаслідок паразитної дифузії фотоелектронів та засвічення косими променями в області максимальних довжин хвиль відбувається додаткове розмиття зображення. Зокрема, цей ефект ускладнює подальше (порівняно з нинішніми матрицями) зменшення розміру елемента і підвищення роздільної здатності. [4]
Більш чітке зображення:
- Не потрібна процедура інтерполяції відсутніх компонентів у кожному пікселі.
- Не потрібно постановки перед матрицею фільтра, що розмиває (обов'язкового компонента байеровских матриць, він же англ. Anti-aliasing filter ) для вирішення проблеми колірного муара - явища, характерного для мозаїчних матриць;
Потенційно кращі шумові характеристики:
- Теоретично дозволяє покращити співвідношення сигнал/шум завдяки відсутності поглинаючих ⅔ світлового потоку кольорових фільтрів. Але через поглинання світлового потоку верхніми шарами та необхідність відновлювати насиченість кольору додатковою обробкою виграш у чутливості виявляється невеликий.
- За заявою розробників, Foveon Х3 має ще одну цікаву властивість - розмір ефективного пікселя, що змінюється. Малий розмір дозволяє робити знімки високої роздільної здатності. Більший – дає можливість знімати при слабкому освітленні. Об'єднання пікселів у системи 1×1, 4×4, 1×2 тощо. буд. проводиться у динамічному режимі. [5]
- Недостатня точність кольору і неможливість її радикального поліпшення, оскільки найбільшою мірою вона визначаєтьсявластивості кремнію як такого, і довільний вибір барвника для компонентів неможливий.
- Відносно високий рівень цифрового шуму. На жаль, поділ виявляється далеко не повним. Частина фотонів поглинається у «чужій» області. В результаті, колірна інформація виявляється неповною, насиченість кольору при прямому використанні R G B сигналів із сенсора як значень пікселя зображення дає малоконтрастну ненасичену картинку. Для компенсації цього ефекту потрібно вводити агресивний алгоритм відновлення відтінку кольору. Саме вимушений підйом насиченості робить основний внесок у збільшення підсумкового шуму матриці. [6][7][8]
Подібно виробникам байєрівських фотосенсорів, що вказують у характеристиках матриць число одноколірних субпікселів, компанія Foveon позиціонує матрицю X3-14.1MP як «14-мегапіксельну» (4,68 млн. трьохсенсорних «колонок»). Такий маркетинговий підхід, коли «пікселем» називають елемент, що сприймає один колір [9], є в даний час загальноприйнятим у фотоіндустрії. Також "пікселем" помилково називають елемент світлочутливої матриці(сенсель - від sensor element).
Разом з тим, у випадку байєрівських матриць з подальшою програмною інтерполяцією сенселів за рахунок їх просторового рознесення досягається дещо більший дозвіл, ніж у Foveon (14.1 млн субпікселів), тобто за роздільною здатністю зображення матриці Foveon X3-14.1MP порівняно із зображенням, отриманим з байрів матриці роздільною здатністю 8-10 Мп [10]). Однак необхідно відзначити, що відсутність необхідності в програмній інтерполяції у Foveon забезпечує більш точну дискретизацію вихідного зображення, зменшуючи спотворення, пов'язані з дискретизацією (расструванням), наприклад, муара.