Foveon X3センサー

Foveon X3センサーは、Foveon社（現在はシグマ社の傘下）が設計し、Dongbu Electronics社が製造したデジタルカメラ用画像センサーです。 ^{[1]このセンサーは、3つの垂直に積み重ねられた}フォトダイオード で構成されるフォトサイトのアレイを使用しています。3つの積み重ねられたフォトダイオードはそれぞれ異なる分光感度を持ち、異なる波長に対して異なる反応をします。^[2]次に、3つのフォトダイオードからの信号は加法的な色データとして処理され、標準のRGB色空間に変換されます。1970年代後半には、半導体による光の吸収の違いにより異なる分光応答を持つ、各ピクセル位置に3つの積み重ねられた光検出器を備えた同様のカラーセンサーがコダックによって開発され、特許を取得しました。^[3]

X3センサー技術は、2002年にシグマSD9 DSLRカメラに初めて採用され、その後、 SD10、SD14、SD15、SD1（SD1 Merrillを含む） 、 2008年と2009年にそれぞれオリジナルのミラーレスコンパクトシグマDP1とシグマDP2 、2014年からはシグマdp2 Quattroシリーズ、2016年からはシグマSD Quattroシリーズに採用されました。Foveon X3技術の開発は、ジョージ・ギルダーによる2005年の書籍「The Silicon Eye」のテーマです。

右の図は、Foveon X3 センサーの仕組みを示しています。左の画像は、シリコン ウェーハを通過する各波長の色の吸収を示しています。右の画像は、各出力ピクセルの各吸収レベルで検出された色を表す層状センサー スタックを示しています。示されているセンサーの色は単なる例です。実際には、このセンサーを使用した各出力ピクセルの色属性は、カメラの画像処理アルゴリズムによって決まります。このアルゴリズムでは、フォトダイオード スタックによって感知されたすべてのデータからマトリックス プロセスを使用して単一の RGB 色を構築します。^[2]

3つのセンサーのシリコンウェーハの深さはそれぞれ5マイクロメートル未満で、フォーカスや色収差への影響は無視できるほどです。しかし、最も深いセンサー層（赤）の収集深度は他のシリコンCMOSおよびCCDセンサーの収集深度と同等であるため、電子の拡散や長波長での鮮明さの低下が発生します。^[4]

Foveon X3センサーを採用した最初のデジタルカメラは、2002年に発売されたデジタル一眼レフのシグマSD9でした。 ^[5]このカメラは、20.7 × 13.8 mm、2268 x 1512 × 3（3.54 × 3 MP）のセンサーの反復を使用し、シグマSAマウントを使用したシグマ設計のボディ上に構築されました。このカメラは、2003年に改良されたが技術的には同様のシグマSD10に続き、^{[6] 2006年に}シグマSD14が続き、これはより高解像度の2640 × 1760 × 3（4.64 × 3 MP）センサーを使用しました。SD14の後継機であるシグマSD15は、2010年6月に発売され、 ^[7] SD14と同じ2640 × 1760 × 3センサーを使用しました。シグマSD1は、プロフェッショナル市場向けに開発された新しい23.5×15.7mm APS-C 4800×3200×3（15.36×3MP）センサーを搭載して2011年6月に発売されました^{[8] 。 [9]}

2004年、ポラロイド社は1408×1056×3、1/1.8インチセンサーを搭載したコンパクトカメラ、Polaroid x530 ^{[10]を発表しました。このカメラは2005年に限定発売されましたが、その年の後半に画質の問題によりリコールされました。 [11]}シグマは2006年にFoveonベースのコンパクトカメラのプロトタイプ、Sigma DP1を発表しました。これはSD14 DSLRと同じ14MPセンサーを搭載していました。プロトタイプの改訂版は2007年に展示され、カメラは最終的に2008年春に発売されました。 ^[12]ポラロイドx530とは異なり、DP1は28mm相当の単焦点レンズを備えたAPS-Cサイズのセンサーを搭載していました。 2009年に同社はDP1と同じセンサーとボディを採用しながらも41mm相当のf/2.8レンズを搭載したコンパクトカメラ DP2 ^{[13]を発売した。}

Foveon X3 センサーの動作は、デジタル カメラでより一般的に使用されているベイヤー フィルターイメージ センサーの動作とは異なります。ベイヤー センサーでは、アレイ内の各フォトサイトは単一の光センサー (CMOS または CCD) で構成され、フィルター処理の結果、赤、緑、青の 3 原色のうち 1 つだけに露光されます。ベイヤー センサーからフルカラー画像を作成するには、デモザイク処理が必要です。これは、各フォトサイトに関連付けられた出力ピクセルに、隣接するフォトサイトによって報告された赤、緑、青のレベルに部分的に基づいてRGB値を割り当てる補間プロセスです。ただし、Foveon X3 センサーは、各フォトサイトでスタックされた各フォトダイオードの出力を組み合わせることによって、各フォトサイトの RGB カラー出力を作成します。この動作上の違いにより、いくつかの重要な結果が生じます。

Foveon X3センサーはフルカラー画像を生成するためにデモザイク処理を必要としないため、処理に伴うカラーアーティファクト（「カラージャギー」）は見られません。ベイヤーセンサーでこれらのアーティファクトを軽減するために一般的に使用される個別のアンチエイリアシングフィルター^[14]は必要ありません。これは、マイクロレンズの助けを借りて、各色のフォトダイオードが、その色のセンサー間隔とほぼ同じ大きさの領域にわたって光学画像を統合するときに、エイリアシングがほとんど発生しないためです。 ^{[n 2] [15]}一方、シリコンの浸透深度による色分離方法では、色層間の相互汚染が多くなり、色の精度に関する問題が増えます。

理論的には、Foveon X3 フォトセンサーはモザイクセンサーよりもカメラレンズに入る光子をより多く検出できる。これは、モザイクセンサーの各フォトサイトに重ねられた各カラーフィルターが原色のうち 1 つだけを通過させ、他の 2 つを吸収するためである。しかし、Foveon センサーの個々のレイヤーはそれぞれの色にそれほど鋭く反応しない。そのため、センサーの生データ内の色を示す情報には、標準色空間で色データを生成するために「積極的な」マトリックス (つまり、コモンモード信号の除去) が必要となり、低照度環境では色ノイズが増加する可能性がある。^[16]

シグマ社によると、「 Foveonセンサーのピクセル数をどのように指定するかについては議論があった」とのことです。 ^[17]販売者がメガピクセル数としてフォトサイトの数を数えるべきか、フォトダイオードの総数を数えるべきか、また、解像度の尺度としてベイヤーフィルターセンサーやカメラのフォトダイオードの数とどちらを比較すべきか、という点が議論の的となってきました。

たとえば、Sigma SD10 カメラのセンサーのフォトサイト アレイの寸法は 2268 × 1512 で、カメラはそれらの寸法 (3 つのカラー レイヤーの倍数) のネイティブ ファイル サイズを生成します。これは、3 色ピクセルで約 340 万個になります。ただし、各フォトサイトに赤、緑、青の色を感知するフォトダイオード、つまりピクセル センサー(2268 × 1512 × 3) が積み重ねられていることを考慮して、10.2 MP カメラとして宣伝されています。比較すると、Nikon D200 カメラの 10.2 MP ベイヤー センサーのフォトサイト アレイの寸法は 3872 × 2592 ですが、各サイトにはフォトダイオード、つまり 1 ピクセル センサーが 1 つしかありません。これらのカメラには同じ数のフォトダイオードがあり、同様の RAW データ ファイル サイズを生成しますが、ベイヤー フィルターカメラは、デモザイクによってより大きなネイティブ ファイル サイズを生成します。

ベイヤーセンサーによって生成される実際の解像度は、そのフォトサイトの数やそのネイティブファイルサイズから推測されるよりも複雑です。デモザイクと独立したアンチエイリアシングフィルターは、ベイヤーセンサーのモザイク特性によって生成される色モアレパターンの発生や重症度を軽減するために一般的に使用されます。このフィルターの効果により、センサーの画像出力がぼやけ、フォトサイトの数から推測されるよりも低い解像度が生成されます。このフィルターはFoveon X3センサーではほとんど不要であり、使用されません。Foveon X3センサーを搭載した最初のカメラであるシグマSD9は、色モアレなしで目に見える輝度モアレパターンを示しました。^[18]

その後の X3 搭載カメラは、マイクロレンズを搭載しているためエイリアシングが少なく、サンプル密度に見合った領域で光信号を平均化することでアンチエイリアシング フィルターを提供します。これは、ベイヤー型センサーのどのカラー チャネルでも不可能です。Foveon X3 センサーのエイリアシングは、「モノクロなので、はるかに気になりません」と Norman Koren 氏は述べています。^[19]理論上は、ベイヤー センサーと同じ数のフォトダイオードを備え、アンチエイリアシング フィルターを別途用意していない Foveon X3 センサーで、ベイヤー センサーよりも高い空間解像度を実現できます。独立したテストでは、Foveon X3 センサーの「10.2 MP」アレイ (Sigma SD10 内) の解像度は、5 MP ^[20]または 6 MP ^[21] ベイヤー センサーと同等であることが示されています。低ISO 速度では、7.2 MP ^[22]ベイヤー センサーと同等です。

シグマ SD14の導入により、14 MP (4.7 MP 赤 + 4.7 MP 緑 + 4.7 MP 青) Foveon X3 センサーの解像度は、10 MP ベイヤーセンサーの解像度と比較して、レビューで高く評価されるようになりました。たとえば、ddisoftware の Mike Chaney 氏は、「SD14 は、1700 LPI の「フォールオフ」ポイントまでシャープなディテールを維持できるため、一般的な 10 MP DSLR よりも優れた写真を生成します。一方、ベイヤーベースの 10 MP DSLR では、1700 LPI の制限よりずっと前から、コントラスト、色の詳細、シャープネスが低下し始めます」と述べています。^[23]

別の記事では、Foveon X3センサーは9MPベイヤーセンサーとほぼ同等であると評価されています。^[24]

14MP Foveonセンサーと12.3MP Bayerセンサーを視覚的に比較すると、Foveonの方が細部まで鮮明であることがわかります。^[25]

シグマSD10カメラに使用されているFoveon X3センサーは、2人の独立した評論家によって、より高いISO感度相当のベイヤーセンサーを使用した他のDSLRのセンサーよりもノイズが多く、特にクロマノイズが多いと評価されています。[26] [ ^{27 ] [28]}別の評論家は、長時間露光中にノイズが多くなることを指摘しました。^{[29] [n 3]}しかし、これらの評論家は、これがセンサー固有の特性なのか、カメラの画像処理アルゴリズムなのかについては意見を述べていません。

より新しいFoveon X3センサーを使用しているシグマSD14に関しては、ある評論家は、カメラのRaw画像形式を使用した場合のノイズレベルがISO 100で「非常に低い」からISO 1600で「中程度」の範囲であると判断しました。^[30]

シグマのSD14サイトには、Foveon 技術によって生成された色を示すフル解像度の画像ギャラリーがあります。14 MP Foveon チップは 4.7 MP のネイティブ サイズの RGB ファイルを生成します。14 MPベイヤー フィルターカメラは補間 (つまり、デモザイク) によって 14 MP のネイティブ ファイル サイズを生成します。12.7 MP ベイヤー センサーと 14.1 MP Foveon センサーからの画像を直接視覚的に比較すると、ベイヤー イメージは遠くの建物のレンガの間の線などの細かいモノクロのディテールで優れていますが、Foveon イメージは色の解像度で優れています。^[31]

ウィキメディア・コモンズには、 Sigma SD14 で撮影した写真に関連するメディアがあります。

2023年5月現在、Foveon X3センサーは平均的な写真家にはあまり好まれておらず、より低コストで高解像度と低ノイズを実現できるCMOSセンサーに取って代わられています。^[32]

しかし、2021年2月には、シグマが新しいFoveonセンサーの開発に取り組んでいたが、これまでの開発で重大な欠陥が見つかり、開発を最初からやり直さなければならなかったと報じられた。^[33]

2022年2月、シグマが新型フルサイズFoveonセンサーの試作第2段階にあると報じられた。この場合の第2段階の試作は、製品仕様と同じピクセルサイズだが総ピクセル数を減らした小型イメージセンサーの試作機を評価し、実際のイメージセンサーの性能特性を検証するものである。第3段階の試作では、ADコンバーターなどを含めた量産デバイスと同じ仕様のフルサイズイメージセンサーを評価する。2024年より前に量産が開始される可能性は低い。^[34]

• カラーフィルターアレイ
• ベイヤーフィルター
• CYGMフィルター
• RGBE フィルター

• Richard F. Lyon および Paul M. Hubel。「カメラに注目: 次世代へ」第 10 回カラー イメージング カンファレンス: カラー サイエンス、システム、アプリケーション。IS&T および SID、米国バージニア州スプリングフィールド、2002 年。349 ～ 355 ページ。
• Foveon X3センサー搭載のシグマSD14のサンプルギャラリー
• Foveon X3テクノロジーページ
• DPReview Foveon X3 プロトタイププレビュー
• シグマ/フォビオンの写真サンプル
• サンプル Polaroid x530/Foveon 写真 2012 年 2 月 4 日にWayback Machineにアーカイブされました
• シグマDP1