X3 Sensor

Der von Foveon gefertigte CMOS-Sensor Foveon X3 Direkt-Bildsensor verwendet drei übereinander liegende Sensorelemente, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.

Funktionsprinzip

Die unterschiedlichen Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau werden in unterschiedlichen Schichten absorbiert, weil langwelliges (rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe hat, als kurzwelliges (blaues). Bei Verwendung eines Infrarot-Sperrfilters ergeben sich für die Schichten des Sensors Farbempfindlichkeiten, die den Empfindlichkeiten der Zapfen des menschlichen Auges ähnlich sind. Leider schneidet dieser (auswechelbare) Sperrfilter in der Sigma SD14 das sichtbare Spektrum im langwelligen Bereich etwa 50 Nanometer zu früh ab, so dass Wolken zwar weiß bleiben, aber ein neutralblauer Himmel in Richtung Azur tendiert. Die dunkel violettblaue Himmelsfarbe eines Tages im Hochsommer kann dann in Anwesenheit von Laubgrün auch nachträglich nicht korrigiert werden ohne letzteres zu verfälschen. Ein breitbandigerer Sperrfilter wäre wünschenswert. Das Mehrschichten-Prinzip findet eine ähnliche Anwendung bei der Farbfotografie mit Farbfilmen, bei welchen auch verschiedene farbempfindliche Schichten übereinander liegen.

Vergleich mit konventionellen Farb-Digitalkameras

Systembedingte Vorteile

Bei herkömmlichen Sensoren mit Bayer-Mosaikfarbfilter kommt es – besonders auffällig bei feinen Mustern – bei rot und blau, aber auch noch bei grün, zu Schwebungen und Farbrändern durch Abtastfehler. Nur 25 % bzw. 50 % ihrer Sensorfläche nehmen jeweils eine Primärfarbe auf. Zwischen den einzelnen Farbpixeln verbleiben Abtastlücken. Auch punktförmige Lichtquellen in größerer Entfernung könnten beispielsweise „übersehen“ oder falschfarbig erfasst werden.

Die klassischen Farbsäume oder "Artefakte" bei der Schärfung von Bayer-Sensor Bildern treten beim Foveon-Sensor nicht auf. So können die im Vergleich zunächst nicht ganz so scharf wirkenden Foveon-Bilder später auf ein hohes Niveau gebracht werden. Im Vergleich zum Bayer-Sensor beträgt die Auflösung etwa zwei Drittel der Herstellerangabe. Eine mit 14 Megapixel Auflösung angebotene Foveon-Kamera entspricht somit etwa einer Bayer-Kamera mit 9 Megapixel.

Beim Foveon X3 Sensor ist keine Interpolation wie bei Sensoren mit Bayer-Mosaikfarbfilter nötig. Jedes einzelne Sensorpixel nimmt sämtliche Farbinformationen auf. Beispielsweise für die Erstellung hochwertiger Farbbilder, wie etwa für messtechnische Anwendungen, ergeben sich daraus systematische Vorteile.

Systembedingte Nachteile

Ein weiterer, nicht immer zu Recht zitierter Vorteil des Foveon-X3-Sensors ist eine hohe Farbtreue. In der Praxis stellt sich heraus, dass die Farbreinheit stellenweise überbetont, an anderer Stelle hingegen reduziert ist. Graublau und Lila wird zu leuchtendem Enzianblau, Blattgrün tendiert zuweilen in Richtung Oliv. Die Nachkorrektur eines solchen Bildes mittels Software ist dann schwierig.

Nachteilig ist (derzeit) noch ein spezifisches, farbiges Bildrauschen, welches sich vom farbneutralen Rauschen bei Bayer-Sensoren vor allem durch seine, sehr ins Auge springende, meist grüne oder gelbe Grießigkeit unterscheidet.

Man kann grundsätzlich zwei Bedingungen unterscheiden, bei denen ein verstärktes Farbrauschen am Foveon auftritt.

"Bulb-Rauschen"

Der Foveon eignet sich derzeit nur schlecht für Langzeitfotografie. Die aktuell längste mögliche Belichtungszeit eines Foveon-Sensors beträgt nur 2 Minuten (an einer Sigma SD14)!

Die Rauschneigung bei Langzeitbelichtungen deutet auf eine hohe Wärmeentwicklung beim Auslesevorgang hin, möglicherweise als Folge des mehrschichtigen Sensoraufbaus. Die bekannte Stromhungrigkeit der Sigma SD-Kameras, die sich gerne in Problemen der Akkuleistung äußert, deutet ebenfalls in diese Richtung.

"Schwachlicht-Rauschen"

Wie bei allen Bild-Sensoren tritt, bei zu knapper Belichtung, ein Rauschen in unterbelichteten Bildbereichen auf. Warum dieses Rauschen als Farb-Rauschen auftritt, kann nur spekuliert werden, aber die grüne bis gelbe Färbung verweist auf einen Wegfall des Rotsignals.

Als Ursache dafür bieten sich folgende Ansätze an:

1. Der lange vertikale Signalweg vom untersten Sub-Sensor an die Sensoroberfläche ist unterhalb eines gewissen Ladungsniveaus nicht mehr zuverlässig.
2. Die unterschiedliche Belichtung der einzelnen Subsensorschichten führt dazu, dass der oberste Sub-Sensor (blau) bei weißem Licht drei mal so viele Photonentreffer erhält wie der unterste Sub-Sensor (rot). Daher setzt das Unterbelichtungsrauschen immer in der Farbe Rot ein.

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Auflösungsangaben

Sigma gibt für den Foveon-X3-„Direktbildsensor“ Auflösungen an, die sich trotz der Tiefenstaffelung der drei Farben in einem Pixel in Analogie zu Auflösungsangaben für Bayer-Sensoren als ${\rm Pixelanzahl}_{\rm horizontal}\cdot{\rm Pixelanzahl}_{\rm vertikal}\cdot 3\,{\rm Farben} = P_{\rm Sigma}$ errechnen, also beispielsweise $2.652\cdot 1.768 = 4{,}6\,{[{\rm MP}_{\rm Foveon}]}\cdot 3 = 14\,{[{\rm MP}_{\rm Sigma}]}$.

Die effektive Bildauflösung der CCDs mit Bayer-Mosaikfarbfilterung ist theoretisch $P_{\rm Bild}\approx\frac{P_{\rm CCD}}{2}$. Die effektive Auflösung $P_{\rm Bild}\approx P_{\rm Foveon}$ des als 14 Megapixel klassifizierten Direktbildsensors im Beispiel liegt mit ${{\rm MP}_{\rm CCD}}\approx\frac{2}{3}\cdot 14\,{[{\rm MP}_{\rm Sigma}]}$ zwischen handelsüblichen $8\,{[{\rm MP}_{\rm CCD}]}$ und $10\,{[{\rm MP}_{\rm CCD}]}$. Welche Bildauflösung eine Kamera tatsächlich realisiert, hängt sowohl bei CCD als auch bei Foveon – bei einigen Kameras maßgeblich – von mehr Einflußgrößen ab als nur der physikalischen Auflösung des Bildsensors.

Anwendungen

Zur Zeit wird der Chip in wenigen Kameras wie den digitalen Sigma-Spiegelreflexkameras SD9, SD10, SD14, der Sigma-Kompaktkamera DP1 sowie der Polaroid X530 verwendet. Letztere erlangte wegen ihrer Probleme mit der kamerainternen Bildverarbeitung jedoch nie die volle Marktreife.

Siehe auch

• One-Shot-Sensor
• Three-Shot-Sensor
• Zeilensensor

Literatur

• Paul M. Hubel und Markus Bautsch: Resolution for Color Photography in: Electronic Imaging: Digital Photography II, SPIE-proceedings 6069, San Jose, CA, January 2006, paper 6069-22

Weblinks

• Der Visionär Carver Mead
• henner.info erklärt den FOVEON-Sensor im Unterschied zu anderen Sensoren
• Resolution for Color photography
• Foveon und Bayer Sensor im direkten Vergleich