Foveon X3

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Der von Foveon gefertigte CMOS-Sensor Foveon X3 verwendet anstatt mehrerer nebeneinander liegender Schichten 3 übereinander liegende Sensorelemente, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.

Absorptionseigenschaften und Aufbau eines Foveon-X3-Bildsensors für ein Pixel

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

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. Das Mehrschichten-Prinzip findet eine ähnliche Anwendung bei der Farbfotografie mit Farbfilmen, bei welchen auch verschiedene farbempfindliche Schichten übereinander liegen.

Vergleich mit konventionellen Farbdigitalkameras[Bearbeiten]

Systembedingte Vorteile[Bearbeiten]

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 % (beziehungsweise 50 % bei Grün) 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 Megapixeln (effektiv 3 × 4,7 MP) Auflösung angebotene Foveon-Kamera entspricht einer Bayer-Kamera mit 10,5 Megapixeln (monochrom – effektiv 5,25 MP grün und je 2,625 MP rot und blau – im arithmetischen Mittel 3,5 MP).

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[Bearbeiten]

Ein weiterer, nicht immer zu Recht behaupteter Vorteil des Foveon-X3-Sensors soll eine hohe Farbtreue sein. In der Praxis stellt sich heraus, dass die Farbreinheit stellenweise überbetont, an anderer Stelle hingegen reduziert ist. Graublau und Lila werden zu leuchtendem Enzianblau, Blattgrün-Töne sind schlecht differenziert und tendieren zuweilen in Richtung eines gelblichen Olivs.

Nachteilig kann sich ein farbiges Bildrauschen bemerkbar machen, das sich vom farbneutralen Rauschen bei Bayer-Sensoren vor allem durch seine ins Auge springende, meist grüne oder gelbe Grießigkeit unterscheidet. Geringe Helligkeit ist gleichbedeutend mit geringer Photonenstrahlung, was in einem Fotosensor grundsätzlich zu einem schwachen Signal führt. Schwache Signale müssen, um verarbeitet werden zu können, unter Umständen verstärkt werden. Bei Schwachsignalverstärkungen ist es ungleich schwieriger, die Proportionalität zwischen Eingangs- und Nutzsignal für die Digitalisierung zu gewährleisten.

Beim Foveon-Sensor sind nun drei Schichten zu durchdringen. Zwangsläufig wird der Photonenstrahl von filternder Schicht zu Schicht schwächer. Die Filterwirkung der Schichten beruht auf den physikalischen Eigenschaften des Schichtenmaterials. Es hat zwangsläufig eine Bandbreite für herausgefilterte Lichtfrequenzen. Das Rauschen der drei Schichten ist somit nicht identisch. Da nun die drei Schichten für je eine Farbe zuständig sind, kann es zu unterschiedlichem Rauschen bei den jeweiligen Farben kommen, besonders bei der Farbe, die der untersten Schicht zugeordnet ist. Daher setzt das Unterbelichtungsrauschen immer in der Farbe Rot ein.

Auflösungsangaben[Bearbeiten]

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 aus der dreifachen Anzahl der Pixel ergeben.

Die Auflösung von Kameras mit Bayer-Sensor und gleicher Anzahl der Pixel wird in Bezug auf die Leuchtdichten faktisch aber nicht erreicht. Allerdings ist der Foveon X3 bei der Farbauflösung den Bildsensoren mit Farbmosaiken deutlich überlegen.[1] Die optische Auflösung, die mit einer Kamera tatsächlich erreicht wird, wird oft nicht durch die Bildauflösung, sondern durch andere Einflüsse begrenzt, wie zum Beispiel den Einsatz von optischen Tiefpassfiltern und Rauschunterdrückungsverfahren oder durch Aberrationen und Fokussierungsfehler.

Anwendungen[Bearbeiten]

Zurzeit wird der Chip nur von Sigma in den digitalen Spiegelreflexkameras SD9, SD10, SD14, SD15 und der neuen Profikamera SD1 mit 46 MP sowie den Kompaktkameras der DP1-, DP2- und DP3-Reihe verbaut. In der 2004 vorgestellten Polaroid X530 wurde der Chip ebenfalls verwendet, die X530 erreichte wegen ihrer Probleme mit der kamerainternen Bildverarbeitung jedoch nie die Marktreife und wurde noch in der Einführungsphase wieder zurückgezogen.[2][3]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • 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[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Resolution for Color photography (PDF; 279 kB)
  2. Polaroid X530: Preiswerte Digicam mit Foveon-Chip. chip.de, 11. Februar 2004, abgerufen am 28. September 2010.
  3. Polaroid ruft Digitalkamera X530 zurück. test.de, 4. Mai 2005, abgerufen am 1. Februar 2013.