Foveon X3

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Der von koreanischen Chiphersteller Dongbu HiTek Co. gefertigte und von Sigma (ehemals Foveon) designte CMOS-Sensor Foveon X3 verwendet drei übereinander liegende Sensorelemente anstatt mehrerer nebeneinander liegender Pixel, um mit jedem Bildpunkt Farbinformationen aufzuzeichnen.

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

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

Licht unterschiedlicher Wellenlänge dringt in Silicium unterschiedlich tief ein. So beträgt die durchschnittliche Eindringtiefe für blaues Licht (450−480 nm) etwa 1 bis 1,8 µm, für grünes Licht (520−560 nm) etwa 2,7 bis 3,6 µm und für rotes Licht (600−640 nm) etwa 5 bis 7 µm. Dies ermöglicht eine gewisse Farbseparation durch Aufbau eines Dreischichtsensors. Die Farbempfindlichkeit weicht erheblich von der des menschlichen Auges ab, insbesondere der Bereich zwischen 550 nm und 600 nm (grün → gelb → orange → rot) hat für das menschliche Auge eine ziemlich andere Charakteristik als für einem Foveon X3-Sensor (Absorptionskoeffizient ändert sich in diesem Bereich um etwa 30 Prozent). Durch geschickte Prefilterung und durch geschickte Signalverarbeitung kann das hinreichend korrigiert werden.

Vergleich mit konventionellen Farbdigitalkameras[Bearbeiten]

Systembedingte Vorteile[Bearbeiten]

Foveon X3-Sensoren ist im Gegensatz zu Bayer-Sensoren durch die räumlich übereinanderliegenden Farbsensoren Farbmoiré so gut wie unbekannt. Dadurch kann man die schärfemindernde Antialias-Filter einsparen, ohne Farbmoiré befürchten zu müssen. Damit ergeben sich die zwei objektive Hauptvorteile dieser Sensoren: Kein Farbmoiré und hohe Bildschärfe bei schon geringer Pixelanzahl. Weitere (teilweise subjektive) Vorteile sind eine angenehmere Darstellung von orangefarbenen und roten Farbtönen.

Weitere häufig aufgezählte Vorteile sind dagegen entweder in der Praxis nicht nachweisbar oder nachweisbar falsch. So können heutige Foveon-Sensoren kein Kapital aus dem Fehlen der Lichtabsorption in einer Farbmaske schlagen, sie sind in der Empfindlichkeit weit abgeschlagen. Der Auflösungsvorteil gegenüber Bayersensoren liegt weiterhin nicht bei einem Faktor von 3, sondern eher zwischen 1,5 und 2. Weiterhin liefern weder Foveon- noch Bayer-Sensoren direkte Farbwerte. Foveon-Sensoren benötigen aber kein Interpolation. Allerdings benötigen alle Sensoren (so auch Dreichip-Lösungen, Three-Shot-Lösungen und selbst Multispektral-Sensoren) ein Dematrixing, was erheblich das Farbrauschen verstärkt.

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.

Angabe der Pixelzahl[Bearbeiten]

Sigma gibt für den Foveon-X3-„Direktbildsensor“ Pixelzahlen an, die sich trotz der Tiefenstaffelung der drei Farben in einem Pixel in Analogie zu Pixelzahlen für Bayer-Sensoren aus der dreifachen Anzahl der Pixel ergeben. Beim letzten 44,25 MPixel-Sensor wurde weiterhin großzügig auf 46 MP aufgerundet.

Die Auflösung von Kameras mit Bayer-Sensor und gleicher Anzahl der Pixel wird in Bezug auf die Helligkeitssignal 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 (beide 2268×1512 × 3), SD14, SD15 (beide 2652×1768 × 3) und der neuen Profikamera SD1 mit einem 30 Prozent größeren Sensor und 14,7 × 3 Megapixeln (4704×3136 × 3) sowie den Kompaktkameras der DP1-, DP2- und DP3-Reihe verbaut. Die 2014 vorgestellte DP2 Quattro verfügt über den neu entwickelten Foveon X3 Quattro-Sensor. Dieser ist größenmäßig gleich geblieben, besteht aber aus viermal mehr blauen Dioden.[2] 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.[3][4]

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. Sigma dp2 Quattro im Test. Abgerufen am 27. August 2014.
  3. Polaroid X530: Preiswerte Digicam mit Foveon-Chip. chip.de, 11. Februar 2004, abgerufen am 28. September 2010.
  4. Polaroid ruft Digitalkamera X530 zurück. test.de, 4. Mai 2005, abgerufen am 1. Februar 2013.