Foveon_X3感光元件

**Foveon X3** 是一種給數位相機使用的 CMOS 感光元件 ，由 Foveon. Inc 開發 （目前屬於適馬（Sigma）的子公司） 並由美國國家半導體和東部大宇電子（Dongbu Daewoo Electronics）負責生產，並將其使用在 Sigma 旗下的的數位相機上。

此種感光元件最有特色的地方在於他不同於現在市面上的產品，大部分廠商都是仿生物技術的三原色感光元件組成，例如所使用的 CCD/CMOS 一個像素只能感測紅、藍、綠三種光波其中一種光波的強度，最後再與鄰近的幾個不同的像素統整資訊得到近似的顏色。Foveon X3 利用可見光不同的波長擁有不同的穿透力的原理，在每個像素具有三層感光元件所以可以同時偵測紅、藍、綠三種波長的強度，有比傳統感光元件擁有更加銳利以及真實的顏色，由於這種特殊設計方式相當具有巧思，其潛在解析力甚至可以超越肉眼。

## 技術

Foveon X3 感光元件是利用矽晶圓被光線穿透時會根據光線不同的波長在會在不同的深度被吸收，波長較短的光波例如藍色以及紫色穿透力較弱，波長較長的光波例如黃光以及紅光擁有較佳的穿透力。透過這種原理讓光波穿過矽晶圓，將晶圓分為不同深度的藍、綠、紅三層偵測訊號強度並記錄起來，最後將數據交給圖像處理器推算出三原色的強度就可以得到正確的顏色。在色彩的精確性上領先所有的傳統感光元件。

因為每一個矽晶圓厚度只有五微米對於對焦以及色差的影響甚微，然而由於波長較長光波抵達最內層的紅色偵測器時會稍微衰減，可能會導致與傳統 CCD/CMOS 比起來對於波長較長的光波比較沒有那麼銳利。

## 使用

現在 Foveon X3 主要是使用在 Sigma 旗下的數位相機。第一款採用 Foveon X3 技術的相機是在 2002 年發表的 Sigma SD9，使用了一塊 2268 × 1512 × 3 (3.54 × 3 MP) 的感光元件，機身則使用了 Sigma 的 SA 接環。在 2003 年時 Sigma 作出了改進推出了規格相近的 Sigma SD10。在 2006 年推出了使用較高畫素的 Sigma SD14（2640 × 1760 × 3）。Sigma 在 2008 年宣布推出新的 Sigma SD15，不過直到 2010 年六月才正式上市。SD15 使用了一塊與 SD14 相同的感光元件。在 2010 年 Sigma 宣布了新一代針對專業市場的單眼相機 Sigma SD1，並在 2011 下半年發售，使用了一個總畫素高達四千六百萬畫素的感光元件 （4800 × 3200 × 3）。

除了單眼相機，2004 年時 Polaroid Corporation 推出了一款採用 1408 × 1056 × 3 大小的 Foveon X3 的小型數位相機 Polaroid x530，然而在 2005 年短暫販售後便由於影像品質問題被招回，Sigma 在 2006 年決定自己研發一款小型的數位相機，並在 2007 年推出原型機，最後 Sigma 在 2008 年推出了使用與 SD14 相同大小的 APS-C 感光元件的數位相機 DP1，使用一顆 17mm 的鏡頭（35mm 等效值 28mm）。之後陸續推出升級版 DP1s 以及 DP1x。在 2009 年 Sigma 發表了 DP2，機身與 DP1 相同但使用一顆 24.2mm 的鏡頭（35mm 等效值 41mm）。Foveon X3 感光元件也曾用在兩款叫做 Hanvision HVDUO-5M 以及 HVDUO-10M 的科學與工業用數位相機。

在 2012 年二月 Sigma 新上任的 CEO—— 山木和人宣布即將推出採用與 SD1 相同感光元件的 DP1　Merrill 以及 DP2　Merrill，並宣布將 SD1 重新命名為 SD1　Merrill，最主要的差異在於把原本過高的售價調降為約為原價 1/3 的 $2,299（美國代理商公告售價 $3,300）。

## 與傳統 Bayer 感光元件比較

傳統的 CCD/CMOS 一個畫素只能採集紅、藍、綠三種光波其中一種光波的強度，每一個畫素透過上面濾鏡過濾出特定顏色的光波交由下方的感刺器偵測強度。紅色、藍色以及綠色的畫素數量大致上的比例是 1:1:2，這些馬賽克式的三原色數據最後各自交由圖像處理器去馬賽克，由於只記錄 1/3 的資訊，圖像處理器必須去猜測這些遺失的資料，也就是將鄰近的幾個像素的數據混合出接近的顏色。
Foveon X3 感光元件中的每個像素都可以完整的回報三原色的強度，這導致了這兩種感光元件有一些差異。

### 色彩

Foveon X3 的色彩的精確性非常好，由於 Foveon X3 感光元件並不需要透過去馬賽克來得到彩色影像，並不會像傳統 Bayer 感光元件產生摩爾紋（或疊影），這是由於混色時的微小色差所造成的。大部分的照相機藉由加裝低通濾鏡來解決這個問題，但是這樣會大幅降低畫面的銳利度。而 Foveon X3 使用光波傳透矽晶圓深度的方式來區分色彩，也會造成一些交叉汙染尤其是對紅色感光層。

### 低光環境

傳統的 Bayer 感光元件透過上面濾鏡過濾出三原色的其中一種交由下方的感刺器偵測強度，在這個過程中其他 2/3 的光線被感光元件浪費掉了，而 Foveon X3 感光元件雖然在收及光線的效率更好，不過每一感光層所收集到的特定光線資訊反而較 Bayer 感光元件少，要透過圖像處理器產生出正確的顏色需要大量的資訊，這導致 Foveon X3 在低光環境會增加色噪的產生。

### 像素計算

根據 Sigma 的報告，很多人在爭論如何計算 Foveon X3 感光元件的總畫素 ，尤其是銷售商應該計算畫素的數量還是將每個感光層列入計算，而所得到的數據可不可以與傳統 Bayer 感光元件進行比較。舉例來說 Sigma DP1 的感光元件有 2,640 × 1,760，大約四百六十萬畫素。而 DP1 的感光層有 2,640 × 1,760 × 3，大約一千四百萬畫素。這個數據與 Canon 5D Mark I 的 4,368 × 2,912 大小的 Bayer 感光元件的感光層數量差不多，這兩台相機有相同的畫數以及相同的檔案大小，不過 Canon 5D 可以透過混色來得到較大的照片。

不過實際情況更為複雜，由於去馬賽克的過程中很容易產生摩爾紋，大部分的相機靠加裝低通濾鏡（或作模糊濾鏡）來避免產生過於嚴重的摩爾紋，低通濾鏡的主要的原理就是將感光元件所偵測到的訊號模糊化把摩爾紋降低到可接受的程度，所以會極大的影響輸出畫質。例如 Nikon 在 2012 年 2 月推出的 Nikon D800-E 版，透過取消低通濾鏡但犧牲摩爾紋產生機率的方式來得到非常高的畫質。而採用 Foveon X3 感光元件完全不需要使用這種濾鏡，
在有些最早期的產品例如 SD9 會產生輕微的亮度摩爾紋（非色彩摩爾紋） ，在之後的產品使用了微透鏡來解決這個問題，由於傳統的 Bayer 感光元件的單層構造導致無法使用這種技術。這項優勢讓 Foveon X3 感光元件可以比同樣畫素的 Bayer 感光元件有更高的解析度，在一些測試中一台總畫素 10.2MP 的 SD10（三百四十萬 × 3）可以和五百萬或六百萬的 Bayer 感光元件有類似的解析度，在低 ISO 下可以媲美七百二十萬畫素的 Bayer 感光元件。

而 Sigma SD14 的總畫素是一千四百萬（4.7MP 紅 + 4.7MP 藍 + 4.7MP 綠），經過比較可以達到一千萬畫素的水準。Mike Chaney 曾表示 "SD14 可以產生比普通一千萬畫素的相機更好的照片，因為它可以維持銳利的細節直到 1700 LPI 畫質才開始下降，對普通的一千萬畫素相機不論是在色彩細節以及銳利度上在達到 1700 LPI 這個極限之前老早就開始下降了。" 另外一篇文章表示這片 Foveon X3 感光元件等於九百萬畫素的 Bayer 感光元件。有一個比較之中顯示一千四百萬畫素的 Foveon X3 感光元件比一千兩百三十萬畫素的 Bayer 感光元件有更加銳利的表現。

### 高 ISO 以及儲存速度

目前 Foveon X3 感光元件被使用在 Sigma 相機上，最被人詬病的地方就在於在高 ISO 的表現不佳以及儲存速度較慢，由於在高 ISO 的情況下需要有更好的演算法處理更多的資訊才能夠降低色噪的產生，不過 Foveon X3 感光元件的驗算法比傳統感光元件更加複雜。以現在的技術來說在過高的 ISO 會產生比傳統感光元件更多的噪點。例如 Sigma SD1 被認為感光度一旦高於 ISO 800，便會產生過多的噪點。以至於在夜拍時必須調低 ISO 並使用三腳架之類的輔助工具。

而在儲存速度方面，根據 Foveon X3.Inc 原廠宣稱由於 Foveon X3 感光元件並不需要去馬賽克的處理過程，理論上應該比傳統 Bayer 感光元件有更短的等待時間，但 Sigma 所使用的 True-II 處理器仍然被使用者抱怨有過於緩慢的問題。

## 相關文章

* Sigma
* CMOS
* CCD
* 去馬賽克（Demosaicing）
* 摩爾紋（網版印刷業俗稱網紋）
* 低通濾鏡（Anti-aliasing filter）

## 參考資料

## 外部連結

* Sample gallery of Sigma SD14 with Foveon X3 sensor
* Foveon X3 technology page（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* DPReview Foveon X3 prototype preview（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Sample Sigma/Foveon photos（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Sample Polaroid x530/Foveon photos
* Sigma DP1 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Sigma DP1（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）