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在CP+2019上,适马宣布复活3层传感器Foveon
X3,在2020年发布搭载该CIS的L卡口全画幅相机。Foveon
X3不是什么新技术,早在2002年适马发布了基于该传感器相机SD9,松下、佳能、索尼手中也有类似专利,那为何只有适马钟情于三层传感器呢?

适马Foveon X3传感器模块

Foveon X3技术源自于美国的Foveon公司,适马SD9上的Foveon
X3传感器也是来自Foveon公司。不过在2008年适马趁着金融危机,众多企业价值被低估之际,从美国国家半导体、Synaptics
Inc.、New Enterprise Associates以及Franklin
Templeton四家公司收购了Foveon公司的所有股,自从Foveon成为适马全资子公司,Foveon
X3传感器从此成为适马产品。

近日佳能测试7500万像素专业单发的消息引起了不少人的关注。该相机造型与EOS-1D
X类似,搭载全新图像处理器,并有望于今年年底亮相。有读者推测,所谓7500万像素是70D“全像素双核CMOS
AF”技术的一种说法,其实际分辨率应该减半。

▲松下、佳能、索尼手中也有3层传感器专利

Northlight
Images最新消息显示,该相机将采用非拜耳滤镜矩阵传感器。目前采用该技术的厂商只有两家:富士和适马。富士官方曾骄傲地表示,X-Trans
CMOS技术不会外借,那么剩下的就只有适马Foveon X3技术了。

在SD9时代数码相机是依靠拜尔阵列拍摄彩色照片的,拜尔阵列以4×4个为阵列,每一个阵列由8个绿色、4个蓝色和4个红色像素组成,以RGGB形式排列,处理时2×2矩阵进行9次运算,最后生成一张彩色图像。拜尔阵列优势相当明显,只要像素多于1万即可生成彩色图像,所有像素水平布置,生产简单,对处理器要求较低。缺点也相当明显,每一个像素只能捕捉一种颜色,也就是说丢失了1/2绿光,3/4红光与蓝光,必须插值处理,因此实际分辨率低于理论值,摩尔纹、伪色相当明显。

早在几个月前,我们就已看到佳能类Foveon
X3背照式CMOS传感器专利的相关信息。该技术既可像分层传感器那样记录所有色彩数据,同时也解决了目前Foveon传感器高感光度性能弱的问题。按此计算,单色层分辨率应该是2500万像素,即照片实际分辨率为2500万像素。对佳能来说,在现有半导体制造工艺基础上即可做到,可谓一举两得。

▲Foveon X3与拜尔阵列对比

但消息归消息,至于佳能是否会继续像70D那样给我们带来惊喜,还是要等到产品发布才能知分晓。

Foveon
X3不同,是一个立体的像素阵列。它分为三层,自上而下分别是蓝色像素层、绿色像素以及红色像素,这样排列是因不同波长的光所能穿透半导体硅深度不同决定的。同时B:G:R像素数量比例为1:1:1,上层像素最薄,这样能透出更多光线到下层,越往下层像素越厚,以增强底层像素光电转换效率。使用Foveon
X3传感器的SD9一发布就展现出巨大优势,分辨率远超同像素相机,没有伪色、摩尔纹,但缺点同样巨大,高感差,耗电量高,连拍慢,色彩还原不准。

佳能类Foveon X3传感器显微结构图

▲Foveon X3三层像素排列不是效果图那么整齐的,而是上小下大

为了克服Foveon X3的不足,适马在2014年发布DP
Quattro系列相机上使用了改进型的Foveon X3 Quattro传感器。Foveon X3
Quattro传感器继续采用了三层像素结构,改变了每一层像素比例,B:G:R比例为4:1:1。Foveon
X3没有拜尔阵列上的三原色滤镜,每一层像素过滤颜色并不精准,容易产生不必要的“杂色”,也难以区分出微小差异,必须使用一套非常复杂的猜色算法。Foveon
X3
Quattro改变了三原色像素比例,绿色、红色像素只有蓝色像素四分之一,亮度信息主要由顶层蓝色像素捕捉,绿色、红色像素专注于捕捉色度信息。在付出小小的分辨率代价后,Foveon
X3
Quattro有效减少“杂色”,改善色彩还原,绿色、红色像素变大,高感有所提升。

▲Foveon X3与Foveon X3 Quattro

新Foveon X3
Quattro看起来是那么完美,那佳能、松下、索尼为何不用三层传感器呢?适马没有公布Foveon
X3、Foveon X3
Quattro传感器技术指标,但再2017来自伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校、圣路易斯华盛顿大学和英国剑桥大学研人员发表的论文中(Bio-inspired
color-polarization imager for real-time in situ
imaging),提及了他们设计三层传感器性能——像素为1280×720,量子效率大于30%。30%
QE是一个什么样的概念呢,D800上使用的索尼IMX094传感器量子效率达到了56%,索尼工业用背照传感器IMX342的量子效率为64.64%,可见三层传感器在层层阻挡下QE效率暴跌,即使改为BSI结构也无法缩小与拜尔阵列巨大的性能、高感差距。适马敢于在L卡口相机回归Foveon
X3更可能是依仗全画幅,运算性能更强的处理器,甚至是多帧降噪技术。

在层层光电二极管削减下,3层传感器量子效率始终不佳

Foveon
X3是一种优势劣势都极为明显3层传感器,它能创造出极致分辨率,除此之外一无是处,基于该传感器的相机用途非常单一,适马全幅L卡口全幅相机注定用途有限。松下、佳能、索尼相机是卖给大众消费者的、专业摄影师,更讲求各项性能均匀,与其耗费大量晶体管实现3层结构,不如去实现全局快门、双增益等技术。

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