FOVEON X3 quattro: risoluzione +30%

by / martedì, 26 febbraio 2019 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

SENSORE FOTOGRAFICO:

FOVEON X3 quattro

 

 

Recentemente la Sigma ha presentato al mercato le nuove fotocamere DP1 (che completa la serie con i modelli DP2 e DP3) con un nuovo tipo di sensore fotografico il Foveon X3 quattro. Questo sensore presenta delle speciali caratteristiche che vogliamo analizzare in dettaglio.

Ricordiamo brevemente le caratteristiche dei sensori di immagine. I sensori si dividono in 2 tipi fondamentali:

  • sensori CCD – assimilabili ad uno shift register sono i primi sensori realizzati (possiamo prendere come data di produzione gli anni ottanta) e sono ancora utilizzati principalmente nelle fotocamere consumer o per usi speciali.

  • sensori CMOS – basati sulla tecnologia dei transistor complementari. La ridotta area necessaria a questa tecnologia permette di realizzare i dispositivi in piccoli spazi.

I “normali” sensori di tipo CMOS utilizzano per acquisire l’immagine la struttura a matrice di Bayer. I singoli pixel sono raggruppati a gruppi di quattro e per ogni gruppo i diversi pixel sono specializzati alla cattura dei diversi colori primari secondo lo schema scelto dai singoli costruttori di fotocamere; questa scelta risulta economica ma successivamente bisogna provvedere alla corretta ricostruzione dell’intera immagine. I sensori Foveon utilizzano uno strato fotosensibile diverso per ogni colore fondamentale e vogliamo analizzare le loro caratteristiche.

Iniziano dal sensore Foveon X3. Questo sensore è stato sviluppato da Foveon Inc. che è stata successivamente integrata nel marchio industriale Sigma. La Sigma oltre alle proprie fotocamere, che sono le uniche sul mercato ad utilizzare i sensori Foveon, produce ottiche che si possono utilizzare anche su fotocamere di marchi diversi. Precisiamo subito che sia sul sito dei sensori Foveon (www.foveon.com) che sul sito della Sigma (www.sigmaphoto.com) è possibile trovare un buon numero di informazioni sui dati tecnici dei dispositivi utilizzati. Raramente si trovano un numero così abbondante di informazioni; sono presenti anche un discreto numero di pagine interattive per simularne il funzionamento. Invitiamo i lettori che vogliamo approfondire maggiormente l’argomento a visitare i siti citati. Per ora ci limitiamo ad estrapolare le informazioni che ci possono maggiormente interessare come il confronto con altri sensori dotati delle stesse caratteristiche. I dati del confronto sono forniti dalla stessa Foveon e potrebbero essere considerati di parte ma non per quanto riguarda le misure fatte utilizzando degli standard.

Sul mercato la prima fotocamera reflex ad utilizzare il sensore Foveon X3 è stata nel 2002 la Sigma SD9; l’ultima reflex uscita sul mercato (dal 2010 al 2013) che utilizza il sensore Foveon X3 è la Sigma SD15.

fotocamera reflex SD15 della Sigma con il sensore Foveon X3

A febbraio del 2010 è stata commercializzata la compatta mirrorless Sigma DP1X; da febbraio del 2014 sono state commercializzate le compatte DP1, DP2 e DP3 (in pratica la stessa fotocamere ma con tre diversi tipi di ottiche: grandangolare, standard e tele).

fotocamera mirrorless DP2 della Sigma con il nuovo sensore Foveon X3 quattro. Questa fotocamera utilizza un sensore APS-C e due processori di immagine denominati TRUE (Three-layer Responsive Ultimate Engine)

Nella struttura del sensore Foveon X3, analogamente alle pellicole analogiche, ogni singolo pixel e formato da diversi strati di materiale fotosensibile che permettono di catturare la luce incidente secondo i tre colori fondamentali. Il primo strato assorbe i fotoni che hanno la lunghezza d’onda del colore blu e lascia transitare verso gli strati più profondi gli altri colori fondamentali. Il secondo strato assorbe i fotoni legati al colore verde e lascia transitare il colore rosso verso lo strato più profondo. Utilizzando questo tipo di tecnologia per ogni pixel abbiamo direttamente tre informazioni da gestire in modo appropriato.

1- le pellicole a colori utilizzano tre strati di elementi fotosensibili (uno per ogni colore fondamentale),

2- il sensore Foveon utilizza la stessa struttura

3- i sensori a matrice di Bayer utilizzano un solo strato diviso tra i colori fondamentali

I tre strati di silicio, ognuno con le caratteristiche appena citate, sono “sepolti” a diverse profondità all’interno del cristallo di silicio. La penetrazione dei fotoni nei singoli strati di silicio determina la sua sensibilità spettrale e di conseguenza quella dell’intero dispositivo.

i sensori Foveon sono formati per ogni pixel da tre strati fotosensibili sovrapposti, uno per ogni colore fondamentale, così da catturare tre informazioni separate

A parità di area di silicio utilizzato, questa parità ci permette di confrontare i risultati per i diversi tipi di sensore che stiamo considerando, l’unico modo che abbiamo a disposizione per ottenere più informazioni rimane quello di utilizzare più strati.

a parità di area per ogni pixel la struttura a CMOS è meno profonda della struttura FOVEON, inoltre sono necessari meno contatti per leggere i segnali

Il singolo elemento sensibile alla luce che ci permette di ricavare una tensione al variare dei fotoni incidenti sulla superficie è assimilabile ad un fotodiodo. Il fotodiodo è un dispositivo a due terminali che quando viene colpito dalla luce produce una tensione che è proporzionale alla luce incidente sulla superficie esterna. Ovviamente quando vengono costruiti più elementi fotosensibili sulla stessa superficie abbiamo bisogno di avere a disposizione una coppia di terminali per ogni elemento. In pratica questa necessità ci riduce l’area efficace per ogni elemento fotosensibile. Del resto nelle macchine fotografiche digitali oltre alla dimensione del sensore utilizzato per acquisire l’immagine sarebbe molto significativo se i costruttori fornissero le effettive dimensioni di ogni singolo pixel. Purtroppo questo dato è quasi sempre non fornito ed un confronto “esatto” tra due diversi sensori è praticamente impossibile. I costruttori per i sensori di acquisizione delle immagini forniscono il numero dei Mega-pixel utilizzati; ma questo è sempre un dato che va ulteriormente elaborato in funzione della struttura completa del sensore della fotocamera.

Il sito fornisce i dati per il confronto tra vari sensori secondo lo standard ISO TC42/WG18 17321 WD4 per le tecnologie grafiche e per la fotografia che usa lo spettro dei vari colori primari. Questo standard usa come parametro l’indice di Metamerismo per fotocamere digitali (Digital Camera Metamerismo Index). Questo indice mostra come una fotocamera digitale è in grado di analizzare una scena. In pratica l’indice corrisponde all’errore tra le funzioni RGB e la sensibilità spettrale della fotocamera quando si utilizza un metodo standardizzato. In tabella sono riassunti i risultati per i dispositivi messi a confronto. Più il valore è piccolo e migliore è la qualità del sensore preso in esame.

fotocamera

sensore

Tipo di sensore

Indice di metamerismo

Kodak DCS-460 (dorso digitale da aggiungere ad una fotocamera reflex)

Kodak

CCD di tipo professionale

0.2974

Concord EyeQ (fotocamera digitale compatta)

Agilent

CMOS

0.2873

Sigma SD9 (fotocamera digitale reflex)

Foveon X3 – F7

CMOS

0.1999

HP 618 (fotocamera digitale compatta)

Sony ICX-284

CCD

0.1802

Per migliorare l’accuratezza dei colori e minimizzare il rumore si possono aggiungere al sensore dei filtri. Rispetto ai sensori a matrice di Bayer, dove servono dei filtri diversi per ogni colore fondamentale, per i sensori Foveon basta un solo tipo di filtro per tutti i pixel del sensore. Ricordiamo che in generale per migliorare la ripresa vengono aggiunti dei filtri che riducono gli ultravioletti (UV) e gli infrarosso (IR), ovviamente il confronto per essere efficace va fatto escludendo questi filtri.

Nel confronto è stato utilizzata la fotocamera Sigma SD9 con un sensore di acquisizione di 1536 x 2304 pixel per ogni colore primario (circa 3,5 Mega-pixel). Se moltiplichiamo per i tre strati che formano il sensore abbiamo circa 10,5 Mega-pixel. Viene fatto notare che la quasi totalità dei sensori CMOS utilizza il modello a matrice di Bayer 2 x 2 (visto la maggiore sensibilità dell’occhio umano al verde si utilizzano 2 pixel per il verde ed uno ciascuno per il rosso ed il blu). Questa struttura è quella che ha dato i migliori risultati per il rapporto segnale-rumore. In questo modo però ogni pixel riceve solo un terzo dell’informazione presente sulla superficie del sensore.

Ricordiamo che una immagine è formata da due diverse informazioni: la cromaticità (le informazioni sui colori della scena) e la luminanza (le informazioni sulla quantità di luce). L’occhio umano quando si trova in scarse condizioni di illuminazione continua a percepire la scena ma la vede in bianco e nero; perde la visione dei colori. Possiamo quindi affermare che il sistema visivo umano è più sensibile alla luminanza della scena cioè riesce ad analizzare meglio la nitidezza che non la cromaticità.

Per i sensori di acquisizione delle immagini la luminanza non è ripartita in parti uguali infatti scindendo l’informazione per ogni singola componente RGB (RED = ROSSO, GREEN = VERDE, BLUE = BLU) troviamo che la luminanza della scena per un tipico sensore Bayer (25% R, 50% G, 25% B) la seguente formula per la luminanza Y:

Y = R / 3 + G + B / 10

Questa equazione dimostra come il segnale di luminanza è dovuto in modo dominante dalla componente verde dello spettro mentre la parte meno significativa è dovuta alla componente blu.

Per la tecnologia Foveon ogni pixel fornisce tutte le informazioni, quindi anche l’informazione della luminanza. I risultati sono quindi immagini con maggiori informazioni per la luminanza rispetto ad un sensore che utilizza la matrice di Bayer. Inoltre questi sensori devono ricostruire, attraverso una routine di interpolazione chiamata “demosaicizzazione”, le informazioni mancanti per ogni gruppo di 4 pixel. Questo processo è particolarmente evidente con particolari tipi d’immagine, ad esempio per delle sottili linee nere su fondo chiaro. Per ovviare a questo inconveniente molte fotocamere introducono dei filtri di sfocatura (filtri passa basso) per compensare le informazioni mancanti. Questi filtri riducono i disturbi della demosaicizzazione ma introducono un ammorbidimento generale dell’immagine che riduce ulteriormente la nitidezza e la risoluzione della fotocamera. In pratica viene ulteriormente ridotto il numero dei Mega-pixel per il calcolo della risoluzione.

Come detto la maggior parte dell’informazione per la luminanza è compresa nel colore verde ma si possono utilizzare anche le informazione per la luminanza degli altri colori. Sommando tutte le informazioni abbiamo un altro vantaggio per il sistema Foveon.

Alla fine dell’articolo viene presentato il confronto fotografico, a parità di condizione di ripresa (stesse ottiche, dimensioni dei pixel, esposizione, velocità ISO), tra un normale sensore CMOS, un sensore CMOS con l’aggiunta di un filtro di sfocatura ed un sensore Foveon. I risultati per quanto riguarda la nitidezza dell’immagine sono sicuramente a favore del sensore Foveon.

confronto dei risultati per: A) sensore di tipo CMOS,

B) sensore di tipo CMOS son filtro di sfocatura,

C) sensore di tipo Foveon. La nitidezza del sensore Foveon è evidente

Nella figura vediamo il risultato del confronto: l’immagine A) è abbastanza nitida ma presenta degli errori di acquisizione (le righe intorno al pinguino sono distorte). L’immagine B) non presenta più errori di acquisizione ma risulta troppo morbida. L’immagine C) è decisamente la migliore per la nitidezza. Se si vanno ad analizzare le singole componenti cromatiche nei file di tipo RAW vediamo inoltre che i sensori CMOS presentano delle “frange” che non corrispondono alla realtà.

Riassumiamo infine nella tabella un confronto tra le caratteristiche dei due tipi di sensori ma prima ricordiamo che il sensore non può essere analizzato se non nello stesso contesto che comprende la fotocamera nella sua completezza:

Sensori di tipo Foveon

Sensori di tipo CMOS

Nitidezza delle immagini molto superiore Nitidezza delle immagini inferiore
Dimensione del sensore più piccola (APS-C) Dimensione del sensore più grande (Full Frame)
Costi maggiori Costi minori
Velocità di elaborazione delle immagini minore Velocità di elaborazione delle immagini maggiore
Estensione gamma ISO minore Estensione gamma ISO maggiore
Morbidezza delle zone ad alto contrasto superiore Morbidezza delle zone ad alto contrasto inferiore
Qualità delle immagini superiore Qualità delle immagini inferiore

Per una prova della reflex Sigma SD1 Merrill si può consultare la rivista Fotografare di Agosto 2012.

Il nuovo sensore Foveon X3 Quattro è l’ultima generazione di questo sensore. Mantenendo le caratteristiche distintive dei suoi predecessori la qualità dell’immagine è stata ancora migliorata. La risoluzione è stata aumentata del 30%.

struttura del Foveon X3 quattro: il primo (alto) strato ha una risoluzione di 20 Mega-pixel e cattura luminanza e componente Blu, il secondo (medio) ha una risoluzione di 4,9 Mega-pixel e cattura la componente Verde, il terzo (basso) ha una risoluzione di 4,9 Mega-pixel e cattura la componente Rossa

Per questo sensore è stata adottata una struttura 1: 1: 4 per ogni singolo pixel di colore rosso, verde e blu rispettivamente. In pratica il primo strato, ad alta risoluzione (20 Mega-pixel) rispetto ai seguenti (5 Mega-pixel), cattura la luminosità della scena e le informazioni per il colore blu mentre i due strati sepolti catturano solo le informazioni per il proprio colore. Catturare le informazioni su un solo strato migliora le caratteristiche del rapporto segnale-rumore e permette inoltre l’elaborazione ad alta velocità dei singoli segnali per il colore. Va notato che il sensore Foveon è l’unico che cattura le immagini in verticale invece che in orizzontale.
Sviluppato specificatamente per il sensore è stato presentato il nuovo processore
TRUE III (Three layer Responsive Ultimo Engine). Questo processore delle immagini è una evoluzione del precedente che permette di gestire, utilizzando un elaboratore a 14 bit, i complessi dati provenienti dal sensore e ci restituisce le immagini acquisite al meglio della loro definizione.

un esempio di fotografia eseguita con il sensore Foveon X3. Vanno evidenziati gli altissimi livelli di nitidezza.

Questo sensore, secondo la Sigma, cattura piccoli soggetti con elevata precisione. Le caratteristiche dell’immagine sono riprodotte fedelmente e migliorano quelle delle vecchie generazioni di sensori. Personalmente riconosco l’elevata qualità delle immagini catturate ma per la scelta di una fotocamera bisogna tenere in conto molti altri fattori che possono influenzarla.

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 11 (Novembre) del 2014 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

 

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