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. ^[1] Utiliza una matriz de fotositios que consisten en 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 . ^[2] Las señales de los tres fotodiodos se procesan luego como datos de color aditivos que se transforman en un espacio de color RGB estándar . A fines de la década de 1970, Kodak desarrolló y patentó un sensor de color similar que tenía tres fotodetectores apilados en cada ubicación de píxel, con diferentes respuestas espectrales debido a la absorción diferencial de luz por parte del semiconductor. ^[3]

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

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 medida que pasa 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 del sensor que se muestran son solo ejemplos. En la práctica, los atributos de color de cada píxel de salida que utiliza este sensor son el resultado de los algoritmos de procesamiento de imágenes de la cámara , que utilizan un proceso matricial para construir un solo color RGB a partir de todos los datos detectados por la pila de fotodiodos. ^[2]

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 en otros sensores CMOS y CCD de silicio , se produce cierta difusión de electrones y pérdida de nitidez en las longitudes de onda más largas. ^[4]

La primera cámara digital en utilizar un sensor Foveon X3 fue la Sigma SD9 , una SLR digital lanzada en 2002. ^[5] Utilizaba una iteración de 20,7 × 13,8 mm, 2268 x 1512 × 3 (3,54 × 3 MP) del sensor y estaba construida sobre un cuerpo diseñado por Sigma utilizando la montura Sigma SA . La cámara fue seguida en 2003 por la Sigma SD10 mejorada pero técnicamente similar , ^[6] 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). La sucesora de la SD14, la Sigma SD15 , se lanzó en junio de 2010 ^[7] y utilizó el mismo sensor de 2640 × 1760 × 3 que la SD14. La Sigma SD1 se lanzó en junio de 2011 ^[8] con un nuevo sensor APS-C de 23,5 × 15,7 mm y 4800 × 3200 × 3 (15,36 × 3 MP) desarrollado para el mercado profesional. ^[9]

En 2004, Polaroid Corporation anunció la Polaroid x530, ^[10] una cámara compacta con un sensor de 1408 × 1056 × 3, 1/1.8 pulgadas. La cámara tuvo un lanzamiento limitado en 2005, pero fue retirada del mercado más tarde ese mismo año por problemas de calidad de imagen no especificados. ^[11] 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. Una versión revisada del prototipo se exhibió en 2007, y la cámara finalmente se lanzó en la primavera de 2008. ^[12] 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 DP1s y DP1x. En 2009, la compañía lanzó la DP2 , ^[13] una cámara compacta que utiliza el mismo sensor y cuerpo que la DP1 pero con una lente f/2.8 equivalente a 41 mm.

El funcionamiento del sensor Foveon X3 es diferente al del sensor de imagen con filtro Bayer , que se utiliza con más frecuencia en las cámaras digitales . En el sensor Bayer, cada fotosito de la matriz consta de un único sensor de luz (ya sea CMOS o CCD) que, como resultado de la filtración, se expone a solo 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 desmosaico , 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 a él. 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 da como resultado varias consecuencias significativas.

Debido a que no se requiere desmosaico para que el sensor Foveon X3 produzca una imagen a todo color, no se ven los artefactos de color (" dentados de color") asociados con el proceso. No se requiere el filtro anti-aliasing separado ^[14] que se usa comúnmente ^{[n 1]} para mitigar esos artefactos en un sensor Bayer; esto se debe a que se produce poco aliasing cuando los fotodiodos para cada color, con la ayuda de las microlentes , integran la imagen óptica sobre una región casi tan grande como el espaciado de los sensores para ese color. ^{[n 2] [15]} Por otro lado, el método de separación de colores por profundidad de penetración de silicio da más contaminación cruzada entre capas de color, lo que significa más problemas con la precisión del color.

En teoría, el fotosensor Foveon X3 puede detectar más fotones que entran en la lente de la cámara que un sensor de mosaico, porque cada uno de los filtros de color que se superponen a cada fotositio de un sensor de mosaico deja pasar solo uno de los colores primarios y absorbe los otros dos. Sin embargo, las capas individuales de un sensor Fovean no responden tan nítidamente a los colores respectivos; por lo tanto, la información indicadora de color en los datos brutos del sensor requiere una matriz "agresiva" (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. ^[16]

Según Sigma Corporation , "ha habido cierta controversia sobre cómo especificar el número de píxeles en los sensores Foveon". ^[17] La ​​discusión ha sido sobre si los vendedores deberían contar el número de fotositios o el número total de fotodiodos, como un recuento de megapíxeles, y si alguno de ellos debería compararse con el número de fotodiodos en un sensor de filtro Bayer o una cámara como medida de resolución.

Por ejemplo, las dimensiones de la matriz de fotositios 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 píxeles de tres colores. Sin embargo, se ha publicitado como una cámara de 10,2 MP teniendo en cuenta que cada fotositio contiene fotodiodos de detección de color rojo, verde y azul apilados, o sensores de píxeles (2268 × 1512 × 3). En comparación, las dimensiones de la matriz de fotositios en el sensor Bayer de 10,2 MP de la cámara Nikon D200 son 3872 × 2592, pero solo hay un fotodiodo, o sensor de un píxel, en cada sitio. Las cámaras tienen la misma cantidad de fotodiodos y producen tamaños de archivo de datos brutos similares, pero la cámara con filtro Bayer produce un tamaño de archivo nativo más grande a través del demosaico .

La resolución real producida por el sensor Bayer es más complicada de lo que el recuento de sus fotositos o su tamaño de archivo nativo podrían sugerir; el demosaico y el filtro anti-aliasing separado se utilizan comúnmente para reducir la aparición o la gravedad de los patrones muaré de color que produce la característica de mosaico del sensor Bayer. El efecto de este filtro difumina la salida de imagen del sensor, lo que produce una resolución menor de la que parecería implicar el recuento de fotositos. Este filtro es en su mayoría innecesario con el sensor Foveon X3 y no se utiliza. La primera cámara con un sensor Foveon X3, la Sigma SD9 , mostró patrones muaré de luminancia visibles sin muaré de color. ^[18]

Las cámaras posteriores equipadas con X3 tienen menos aliasing porque incluyen microlentes, que proporcionan un filtro anti-aliasing 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 aliasing del sensor Foveon X3 es "mucho menos molesto porque es monocromático", dijo Norman Koren. ^[19] En teoría, es posible que un sensor Foveon X3 con el mismo número 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 la matriz de "10,2 MP" del sensor Foveon X3 (en la Sigma SD10) tiene una resolución similar a un sensor Bayer de 5 MP ^[20] o 6 MP ^[21] . A baja velocidad ISO , es incluso similar a un sensor Bayer de 7,2 MP ^{[22] .}

Con la introducción de la 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 ddisoftware dice que "la SD14 produce mejores fotos que una DSLR de 10 MP típica porque es capaz de mantener los detalles nítidos hasta el punto de 'caída' 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". ^[23]

Otro artículo juzga que el sensor Foveon X3 es aproximadamente equivalente a un sensor Bayer de 9 MP. ^[24]

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. ^[25]

El sensor Foveon X3, tal como se utiliza en la cámara Sigma SD10, ha sido caracterizado por dos revisores independientes como más ruidoso que los sensores de algunas otras DSLR que utilizan el sensor Bayer en equivalentes de velocidad de película ISO más altos , ^{[26] ruido} de croma en particular. ^{[27] [28]} Otro notó un mayor ruido durante tiempos de exposición prolongados. ^{[29] [n 3]} Sin embargo, estos revisores no ofrecen ninguna opinión sobre si esto es una propiedad inherente del sensor o de los algoritmos de procesamiento de imágenes de la cámara.

Con respecto a la Sigma SD14, que utiliza un sensor Foveon X3 más reciente, un revisor calificó sus niveles de ruido como "muy bajos" en ISO 100 a "moderados" en ISO 1600 cuando se utiliza el formato de imagen Raw de la cámara . ^[30]

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 por interpolación (es decir, desmosaico). La comparación visual directa de imágenes de sensores Bayer de 12,7 MP y 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. ^[31]

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Tomada con Sigma SD14 .

A partir de mayo de 2023, el sensor Foveon X3 es menos favorecido por el fotógrafo promedio, siendo superado por los sensores CMOS que se pueden fabricar a menor costo con mayor resolución y menor ruido. ^[32]

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. ^[33]

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. ^[34]

• Matriz de filtros de color
• Filtro Bayer
• Filtro CYGM
• Filtro RGBE

• Richard F. Lyon y Paul M. Hubel. Mirando hacia la cámara: hacia el próximo siglo. 10.ª Conferencia sobre imágenes en color: ciencia del color, sistema y aplicaciones. IS&T y SID, Springfield, Virginia, EE. UU., 2002. Págs. 349–355.
• Galería de muestra de la Sigma SD14 con sensor Foveon X3
• Página de tecnología del Foveon X3
• Vista previa del prototipo Foveon X3 de DPReview
• Fotos de muestra de Sigma/Foveon
• Fotos de muestra tomadas con la cámara Polaroid x530/Foveon archivadas el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine
• Sigma DP1