Foveon X3

Obrazový snímač Foveon X3 alebo skrátene foveon je druh CMOS obrazového snímača pre digitálne fotoaparáty, vytvorený spoločnosťou Foveon Inc. (momentálne súčasť korporácie Sigma).

Všeobecné informácie a princíp fungovania

Princíp fungovania je už v princípe zásadne odlišný od najbežnejšie používaných CMOS snímačov s tzv. Bayerovou mriežkou a návrh foveonu bol zamýšľaný práve kvôli náhrade tohto typu snímača, resp. eliminácie jeho nedostatkov.
Obrazový snímač je kremíkový mikročip, rozdelený na množstvo políčok (pixelov), na ktoré dopadá svetlo a na fotoelektrickom princípe generuje elektrický signál. Ten sa ďalej spracúvava v obrazovom procesore, ktorý na základe prijatých signálov vygeneruje (vypočíta) surový obrazový signál na ďalšie spracovanie. Kým u CMOS senzoru s Bayerovou mriežkou predstavuje každé políčko fotobunky jedinú samostatnú fotodiódu a pomocou farebného filtra je jej priradená jedna z troch základných farieb RGB (zelená, červená, modrá), u foveonu je jediné políčko fotobunky schopné prijať všetky tri farby, pretože všetky tri fotodiódy sú navrstvené vertikálne.
Princíp fungovania v navrstvení fotodiód v kremíkovom substráte vychádza zo špecifickej fyzikálnej vlastnosti kremíku: jednotlivé farebné zložky celého spektra svetla, prestupujúce kremíkom, sa pohlcujú postupne s rastúcou hĺbkou. Kremík je totiž nepriehľadný len sčasti, dá sa skôr prirovnať k tmavému sklu a dopadajúce svetlo preniká v rámci niekoľkých mikrónov do hĺbky kremíku. Je to rovnaký princíp, ako keď svetlo dopadajúce na hladinu vody a prestupujúce vodou stráca s rastúcou hĺbkou vody iné časti svojej farebnej zložky. U vody sa najprv pohltí červená zložka, potom zelená a nakoniec modrá. (Preto sa vo vode javí všetko modrasté, pretože červená farba je pohltená hneď pri povrchu.) V kremíku sa, na rozdiel od vody, pohltí najprv modrá zložka, potom zelená a až nakoniec červená, ktorá prenikne najhlbšie.
Každá vrstva kremíkového čipu Foveon, ktorá na základe tohto fyzikálneho princípu pohlcuje inú časť spektra, je oddelená elektricky a odvysiela iný signál pre dané spektrum svetla. V obrazovom procesore sa tieto signály spájajú a prepočítavajú do výsledného obrazu.
Princíp fungovania Foveon čipu najlepšie ilustruje nasledujúci obrázok:

Výhody konštrukcie

Konštrukcia tohto typu senzoru prináša celý rad výhod a, ako ukazuje praktické použitie, aj nevýhod.
Najhlavnejším je to, že na obraz s rovnakým rozlíšením (počtom bodov) obrazu, je pri rovnakej veľkosti každej fotobunky potrebná u Foveonu, vďaka vrstveniu fotobuniek, iba štvrtinová veľkosť čipu, než u CMOS snímaču s "Bayerom ". Teoreticky by to malo mať priamy dopad na výrobnú cenu čipu (na jeden wafer sa vojde 4x viac čipov foveonu), ale výroba foveonu je vďaka jeho konštrukcii podstatne náročnejšia, výrobná cena teda v konečnom dôsledku vychádza takmer rovnako. Menší rozmer obrazového čipu však priamo vplýva na menšie rozmery optiky, a teda aj celého fotoaparátu.
Keďže každé políčko foveonu "vyprodukuje" všetky tri farebné zložky každého jednotlivého pixelu, významne sa eliminuje tzv. moaré efekt, ktorý je priamym dôsledkom použitia bayerovej masky (pri štandardnom rozložení RGBG). V súvislosti s tým nie je potrebný antialiasing filter, ktorý je nevyhnutný pre čipy s bayerovou maskou a ktorého jedným z dopadov na výslednú fotografiu je aj rozostrenie obrazu (zníženie ostrosti) a teda aj skutočne zaznamenaného rozlíšenia.
Aj pri podstatne menšom rozmere čipu (1/4 veľkosti ako u CMOS čipov s Bayerovou maskou) zostáva zachovaná rovnaká veľkosť jednotlivých fotobuniek pre každú farbu. Samotná fyzická veľkosť každej fotobunky má pomerne zásadný dopad na výslednú kvalitu fotografie. Menšia veľkosť bunky znamená menšie množstvo fotónov, ktoré na ňu dopadnú a teda horšia výsledná kvalita fotografie. So zmenšujúcou sa veľkosťou fotobunky totiž výrazne narastá aj tzv. šum, ktorý výrazne degraduje kvalitu fotografie, obzvlášť pri zhoršených svetelných podmienkach. Elektronický šum sú falošné elektrické signály, ktoré vznikajú samovoľne v senzore kvôli jeho teplote, pretrvávajúcom elektrostatickom náboji a pod. Principiálne platí, že čím väčší senzor a čím viac svetla na neho dopadne, tým získame viac "užitočného signálu" a pomer užitočného signálu k tomu neužitočnému je tak veľký, že šum (neužitočný signál) je prakticky neviditeľný. Situácia sa však obracia k horšiemu hneď ako sa snímač, resp. každá jeho fotobunka zmenšuje, a/alebo fotografovaná scéna nemá dostatok svetla. Šum (neužitočný signál) získava väčší diel v pomere užitočný vs. neužitočný signál. Na výslednej fotografii sa objavujú rôznofarebné škvrny, ktoré ale nekorešpondujú so skutočnosťou.
Šum v digitálnej fotografii sa stal hlavným problémom najmä s rozmachom mobilnej elektroniky, kompaktných fotoaparátov a mobilných telefónov s možnosťou fotografovania, kde je vyvíjaný obrovský tlak na miniaturizáciu. To prináša so sebou aj nutnosť zmenšovania samotných obrazových senzorov, ktorých počet fotobuniek (pixelov) presahuje niekoľko miliónov na ploche iba niekoľko málo mm². Výrobcovia navyše vedú tzv. megapixelovú vojnu, v ktorej sa predháňajú uviesť fotoaparát s čo najvyšším rozlíšením. To však spolu so zmenšovaním obrazového senzora má negatívny dopad na výslednú kvalitu fotografie, úroveň šumu a iné dôsledky. Výrobcovia sa snažia tento problém riešiť rôznymi úpravami snímačov, optickej sústavy alebo lepšieho algoritmu prepočítavania (počítania obrazu z elektrických signálov zo snímača) v obrazovom procesore. Napriek enormnej snahe a veľkému technologickému pokroku je stále bez akýkoľvek pochybností, že fyzická veľkosť obrazového snímacieho čipu, resp. veľkosť jednotlivých jeho buniek, sa nedá nahradiť žiadnym následným dopočítavaním.

Rozlíšenie

Podľa spoločnosti Sigma "existujú rôzne názory, ako prezentovať počet pixlov na Foveon senzoroch"
Diskusie sa týkajú otázky, ako majú predajcovia uvádzať rozlíšenie Foveonu (najčastejšie v Mpix). V hre je nielen samotné verné opísanie určitej špecifickej vlastnosti senzora, ale aj dosť vplyvné marketingové dopady. Kontroverzia a problémy ohľadom správneho označovania vyplývajú z rozdielnosti samotnej konštrukcie čipu pri porovnaní s doteraz najbežnejšie používanými čipmi s bayerovou maskou.
Pre objasnenie problematiky možno uviesť príklad:
Reálny počet samostatných fotopolí na snímanie obrazu senzorom foveon vo fotoaparáte Sigma SD10 je 2268x1512. Skutočne snímané rozlíšenie obrazu je teda 3,4 Mpix. Ale každé fotopole predstavuje jeden plnofarebný obrazový bod – pixel, ktorý je zložený z troch základných farieb (červená, zelená a modrá), a pre ktorú ma obrazový snímač samostatnú fotodiódu. Z tohto uhla pohľadu teda celkový počet fotodiód (fotopolí) u senzoru foveon je 2268 x 1512 x 3 (10,28 Mpix) a v podstate korešponduje s označovaním a počtom fotopolí pre senzory s Bayerovou maskou. Tie však majú fotopolia umiestnené vedľa seba, pričom ale výsledný jeden plnofarebný bod fotografie sa vytvára kombináciou vždy štyroch susedných polí, čo znamená zníženie ostrosti. Ostrosť je navyše ešte ďalej znížená aj vďaka nutnosti použitia antialiasing filtra, ale obrazový procesor použije algoritmy na interpoláciu a opäť stratené informácie dopočíta na hodnotu 10,2 Mpix. Vo výsledku teda z čipu s 10,2 miliónmi fotobuniek získame obraz z veľmi veľkej časti len výsledkom akéhosi čarovania s elektrickými signálmi a matematickými vzorcami. Iným slovami, fotografia z takéhoto fotoaparátu, majúca 10,2 Mpix, rozhodne nie je presným ani verným obrazom 10,2 Mpix zosnímanej reality.