Radioelektronik Audio-HiFi-Video 3/2003

W firmie Foveon opracowano detektor

obrazu o zupe³nie nowej konstrukcji

umo¿liwiaj¹cej uzyskanie bardzo

dobrych parametrów.

S

ercem ka¿dego cyfrowego aparatu fotograficznego lub wi-

deokamery jest _ jak wiadomo _ odpowiedni przetwornik

optyczno-elektroniczny, w którym sygna³ œwietlny pochodz¹-

cy od obrazu jest przekszta³cany w sygna³ elektryczny.

W klasycznych detektorach obrazu CCD lub CMOS z regu³y wykorzy-

stuje siê mozaikê kolorowych filtrów tak, aby jedynie okreœlone barwy

zasadnicze mog³y oddzia³ywaæ na elementy œwiat³oczu³e. Ostatnio fir-

ma Foveon opracowa³a detektor obrazu X3 o znacznie doskonalszej

konstrukcji, w którym poszczególne sk³adowe barw zasadniczych s¹

rejestrowane na ró¿nych g³êbokoœciach detektora (rys. 1). W ten spo-

sób pojedynczy piksel dostarcza informacji o ca³ym widmie kolorów ele-

mentów obrazu. Pojawi³a siê te¿ pierwsza kamera SLR z wymiennym

obiektywem, w której zastosowano taki w³aœnie detektor. W kamerze

firmy SIGMAtypu SD9 (rys. 2) uzyskano rozdzielczoœæ lepsz¹ ni¿ w nor-

malnym filmie ma³oobrazkowym. Mo¿na oczekiwaæ, ¿e nowy detek-

tor obrazu, jeœli nie zrewolucjonizuje, to przynajmniej w istotny sposób

wp³ynie na ¿ywio³owo rozkwitaj¹cy rynek cyfrowego sprzêtu fotogra-

ficznego.

Detektor Foveon X3 stanowi radykalne odejœcie od klasycznych de-

tektorów ze sprzê¿eniem ³adunkowym CCD (Charge Coupled Devi-

ces) i przetworników obrazu wykonanych w technologii CMOS. Auto-

rem pomys³u jest jeden z pionierów mikroelektroniki Carver Mead (do

1999 roku profesor California Institute of Technology w Pasadenie, który

w roku 1997 za³o¿y³ firmê Foveon Inc.). Istot¹ tego pomys³u by³o

wzorowanie fotografii cyfrowej na znanej od dawna fotochemicznej tech-

nice emulsji kolorowych b³on filmowych, a celem _ unikniêcie szcze-

gólnych niedostatków cyfrowych przetworników obrazu przejawiaj¹-

cych siê w postaci kolorowych krawêdzi lub mory.

Emulsje chemiczne filmów kolorowych s¹ wykonywane w postaci

na³o¿onych na siebie warstw czu³ych na zasadnicze barwy œwiat³a _

czerwon¹, zielon¹ i niebiesk¹. W ka¿dym punkcie b³ony filmowej po-

szczególne œwiat³oczu³e warstwy filtruj¹ mieszaninê kolorów i selek-

tywnie je rejestruj¹ (rys. 3a).

Taka sama jest zasada dzia³ania detektora Foveon X3 (rys. 3b), lecz

w wymiarze mikroelektronicznym. W poszczególnych punktach ma-

trycy detektora obrazu s¹ umieszczone, jeden nad drugim, trzy optycz-

nie przeŸroczyste fotodetektory _ podobnie jak warstwy œwiat³oczu-

³e b³ony filmowej. Wykorzystywany jest przy tym efekt polegaj¹cy na

tym, ¿e œwiat³o o ró¿nej d³ugoœci fali zostaje zaabsorbowane na ró¿-

nej g³êbokoœci warstwy krzemowej. Sk³adowa niebieska jest absorbo-

r

PODZESPO£Y

8

wana bezpoœrednio pod po-

wierzchni¹, potem zielona oraz

nieco g³êbiej _ czerwona. W ten

sposób ka¿dy zespó³ fotodetek-

torów w chipie X3 dostarcza trzy

sygna³y wyjœciowe, wykorzysty-

wane do uzyskiwania pe³nego

obrazu. Do obróbki obrazu firma

Foveon opracowa³a specjalnie

oprogramowanie.

Dziêki naturalnemu sposobowi rozdzielania barw nowy detektor

obrazu ma trzykrotnie wiêksz¹ œwiat³oczu³oœæ od konwencjonalnego

mozaikowego przetwornika obrazu CCD lub CMOS (st¹d nazwa

X3). Pierwsze dostêpne komercyjnie detektory X3 (F7-35X3-A25B)

o wymiarach 20,7 x 13,8 mm maj¹ rozdzielczoœæ 2304 x 1536 pe³no-

kolorowych pikseli. Drugi przetwornik dla formatu pó³calowego

(F10-14X3-D08A) ma wymiary 6,4 x 4,8 mm i zapewnia rozdzielczoϾ

1344 x 1024 pikseli.

Detektor X3 ma jeszcze jedn¹ zaletê. Zale¿nie od dostêpnego oœwie-

tlenia mo¿na pe³nokolorowe piksele prze³¹czaæ elektrycznie w grupy

o zmiennej liczbie podstawowych pikseli VPS (Variable Pixel Size).

Œwiat³oczu³oœæ wzrasta przy tym nawet 16-krotnie, a w aparacie fo-

tograficznym mo¿e to byæ realizowane równie¿ w sposób automatycz-

ny. Zmniejsza siê wtedy jedynie rozdzielczoœæ _ podobnie jak w przy-

padku kolorowej b³ony filmowej o wiêkszej czu³oœci (i wiêkszych ziar-

nach emulsji).

Mo¿liwe s¹ trzy stopnie rozdzielczoœci. Tryb HI, o najlepszej jakoœci,

ma rozdzielczoœæ 2268 x 1512 pikseli i wymaga oko³o 8 MB pamiê-

ci. Tryb MED, o rozdzielczoœci 1512 x 1008 pikseli zajmuje oko³o 4 MB,

natomiast tryb LOW ma rozdzielczoϾ 1134 x 756 pikseli i wymaga

ok. 2 MB pamiêci. W trybie LOW mo¿na przy pomocy detektora X3

rejestrowaæ równie¿ obrazy ruchome. Jakoœæ obrazu w nowym de-

tektorze, zdaniem jego twórcy, nie ustêpuje uzyskiwanej za pomoc¹

najwy¿szej klasy kamkorderów. Detektory X3 s¹ ju¿ produkowane na

normalnej linii technologicznej 0,18

µ

m CMOS w fabryce pó³przewo-

dników koncernu National Semiconductor. Znani producenci czujni-

ków obrazu CCD, tacy jak Sony czy STMicroelectronics, bêd¹ praw-

dopodobnie, przez odpowiedni¹ politykê cenow¹, starali siê utrzymaæ

swoj¹ dominuj¹c¹ pozycjê na rynku detektorów obrazów (zdobyt¹ nb.

kosztem wysokich inwestycji). Wynalazca detektora X3, Carver

Mead uwa¿a jednak, ¿e wkrótce stanie siê on standardem do nowo-

czesnych przetworników obrazu do kamer fotograficznych.

n

Jerzy Chmielewski

L I T E R A T U R A

Werner Schulz: Filterlos mit vollfarbigen Pixeln. Elektronik, nr 9, 2002

Opracowano na podstawie materia³ów firm Foveon i Sigma (www.sigma.photo.com

i www.foveon.com )

NOWY DETEKTOR OBRAZU

Rys. 1. Rozró¿nianie barw sk³adowych: a _ w czujniku Foveon X3 przez oddzia-

³ywanie poszczególnych barw na ró¿nych g³êbokoœciach, b _ w konwencjonalnych

czujnikach obrazu CMOS i CCD przez mozaikê kolorowych filtrów

a)

b)

Rys. 2. Detektor obrazu X3 (F7-35X3-

A25B), zainstalowany w kamerze SD9

firmy SIGMA, (rozdzielczoϾ

2304 x 1536 pikseli)

Rys. 3. Zasada dzia³ania: a _ barwnej b³ony fotograficznej z kilkoma, umieszczony-

mi nad sob¹, warstwami œwiat³oczu³ej emulsji, b _ detektora Foveon X3

Bia³e œwiat³o

Film kolorowy

Detektor Foveon X3

Detektor Foveon X3

Struktura mozaikowa z filtrem barw

Warstwa niebieska

Warstwa zielona

Warstwa zielona

Warstwa czerwona

Warstwa czerwona

Warstwa niebieska

Bia³e œwiat³o

a)

b)