Vor rund 10 Jahren in den USA

Dabei setzte er eigentlich nur das nahe liegende in die Praxis um: er schuf einen Bildsensor, der in seiner Funktionsweise dem analogen Farbfilm nachempfunden ist.

Links: Der Farbfilm mit drei Emulsionsschichten für die Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Mitte: Aufbau eines konventionellen CCD-Bildwandlers mit Bayer-CFA-Mosaik-Filter.
Rechts: Der neuartige Foveon X3 Direkt-Bildsensor mit drei Siliziumschichten für die Grundfarben.

Der Aufbau ist dem klassischen Farbfilm nachempfunden, jedes Pixel erhält die volle Farbinformation.

Doch betrachten wir zunächst den Film. Die ersten Versuche, einen Farbfilm zu entwickeln, liegen über 100 Jahre zurück. Die ersten verwendbaren Farbfilme kamen allerdings erst sehr viel später und waren anfangs wenig erschwinglich bzw. problemlos zu entwickeln, denn sonst hätten wir ja schon alle wunderschöne Farbbilder von unseren Urgroßeltern. Das damals entstandene Material wurde zwar stetig weiterentwickelt, doch blieb das Grundprinzip seines Aufbaus bis heute aus gutem Grund unverändert.

Abb. links: Vollständige Aufnahme der Farbinformationen dank Foveon-Technologie.

Abb. rechts: Der Foveon X3 Direkt-Bildsensor nutzt die unterschiedliche Eindringtiefe der Farben aus.

Farben sind nicht auf einer Wellenlänge

Abb. links: Der neue Foveon X3 Direkt-Bildsensor mit rund 14 Megapixel Auflösung.

Der Farbfilm macht sich die unterschiedlichen Wellenlängen des farbigen Lichts zu nutze. Das für uns sichtbare Licht besteht aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau, auch RGB-Farben genannt. Auf der Trägerschicht des Farbfilms befinden sich deshalb insgesamt drei Ebenen mit bestimmten Emulsionen. Jede einzelne Emulsionsschicht nimmt also die Farbinformation einer Grundfarbe entsprechend auf, da die Lichtwellen je nach Wellenlänge unterschiedlich tief in die Schichten eindringen.

Durch dieses Verfahren erreicht der „chemische Farbfilm“ einen sehr großen Tonwertumfang, hohe Dynamik und weist umfangreiche Farbdetails auf, so dass er als Maßstab für beste, erzielbare Bildqualität angesehen werden kann.

Die Digitaltechnik sollte also diesem Standard möglichst nahe kommen.

Das digitale Zeitalter wurde eingeläutet

Abb. rechts: Das Bayer-Farbfilter-Mosaik

Vor ca. 30 Jahren entstanden die ersten digitalen Bildsensoren, die so genannten „CCD-Chips“, wobei die Abkürzung für Charged Couple Device steht. Sie leiteten das digitale Zeitalter in der Fotografie ein. Die ersten Bildergebnisse waren jedoch äußerst bescheiden. Nicht nur dass die Bilder eine geringe Auflösung aufwiesen, sie waren auch in puncto Tonwertumfang, Dynamik und Farbwiedergabe nicht ansatzweise mit dem „analogen“ Film vergleichbar.

Aufteilung: Rot=25%, Grün=50% und Blau=25%.

Analoges Licht wird digital

Ein ganz entscheidendes Problem der neuen Digitaltechnik ist die Bildwandlung.

Das einfallende „analoge“ Licht wird auf der Sensorebene abgebildet, vergleichbar der Filmebenen. Dort muss es dann in elektrische Signale umgewandelt werden. Dies geschieht mit Hilfe von Photodioden.

Photodioden bestehen aus Silizium-Halbleitern, die nach dem lichtelektrischen Effekt auftreffendes Licht in einen elektrischen Impuls umwandeln und an einen Prozessor weiterleiten. Eine Photodiode bildet hierbei die kleinste lichtempfindliche Einheit, um einen Bildpunkt, auch Bildelement genannt, abzubilden; dass Pixel war geboren.


Ein Pixel macht noch kein Bild

Abb- links: Foveon: Drei volle Farbschichten.

Ein Pixel kann jedoch nicht zwischen den Farben unterscheiden, sodass erst durch die Verwendung eines vorgesetzten Farbfilters die einzelnen Pixel auf Farben „geeicht“ werden können. Auf einem CCD-Bildsensor werden die Pixel planar auf nur einer Ebene angeordnet und erhalten Farbfilter in einer ungleichen Verteilung: 50% Grün, 25% Blau und 25% Rot. 

Da das menschliche Auge auf Grün empfindlicher reagiert, ist für diese Farbe die Anzahl der Pixel doppelt so hoch. Die Pixel werden schachbrettartig nach dem Bayer-Farbfilter-Mosaik, auch Bayer-Matrix genannt, angeordnet.

Abb. links: Im Foveon-Verfahren wird auf das nachteilige Bayer-Mosaik verzichtet.





CCD – zwei Drittel der Farbinformationen fehlen

a) CCD-Chip | b) CCD-Chip und Weichfilter | c) Foveon-Technologie: scharfe Konturen ohne Moiré und Artefakte.

Da jeder Pixel nur die Farbe des darauf aufgebrachten Filters erkennen kann, fehlen bauartbedingt zwei Drittel der Farbinformationen.

Erst durch Interpolation mit den Nachbarpixeln werden die gesammelten Farbinformationen zu einem kompletten farbigen Bild zusammengesetzt oder besser gesagt zusammengerechnet.

In komplizierten Rechenprozessen und Algorithmen werden also fehlende Farbinformationen gemittelt und geschätzt. Dies führt jedoch zwangsläufig zu Farbfehlern, Artefakten und Verlusten im Detail.

Links: Moiré-Effekte bei CCD-Sensoren. | Rechts: Selbst kleinste Details bleiben dank Foveon-Technologie erhalten.



Abtastfehler in der Schwebe

Drei übereinander liegende Sensorelemente, jede Ebene für eine Grundfarbe.

Des Weiteren können durch Schwebung verursachte Abtastfehler Moiré- und Farb-Alias-Effekte hervorrufen. 

Auch die später aufkommenden CMOS-Bildsensoren (CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor) konnten an diesem Grunddilemma nichts ändern, da sie nach ähnlichem Prinzip wie CCD-Sensoren aufgebaut sind und ebenfalls ein Filter-Mosaik verwenden.

Vollfarbige Pixel – Foveon macht’s möglich

Der Foveon X3 Direkt-Bildsensor verwendet hingegen drei übereinander liegende Sensorelemente, wobei jede einzelne Ebene für eine Grundfarbe „zuständig“ ist. Die einzelnen Ebenen bestehen aus Silizium. Vergleichbar dem chemischen Farbfilm werden die unterschiedlichen Wellenlängen der Grundfarben Rot, Grün und Blau von den Siliziumschichten unterschiedlich absorbiert, da das langwellige rote Licht tiefer in das Silizium eindringt, als etwa das kurzwellige blaue Licht. 

Durch dieses Prinzip werden alle Pixel mit allen Farbinformationen versorgt und es kann eine höhere Auflösung erzielt werden, als mit der gleichen Anzahl an Pixeln bei herkömmlichen CCD- oder CMOS-Bildsensoren. 

Eine Interpolation der Farbinformationen ist somit nicht mehr nötig, was zu einer höheren Farbtreue führt sowie Farb-Fehler und -Artefakte verhindert.

    
Links: CCD / CMOS: Schriftzeichen sind unscharf und schlecht lesbar.
Mitte: Foveon: Die Schrift bleibt gut lesbar.
Rechts: Auftretende Moiré-Effekte bei CCD-/CMOS-Abtastung.

Links: Mit dem Foveon-Sensor treten keine Abtastfehler auf.
Mitte: Die CCD-Aufnahme wirkt leicht verschwommen.
Rechts: Durch den Foveon-Sensor ist die Oberflächenstruktur und Brillanz der Aufnahme erhalten geblieben.

Keine Kompromisse

Hochwertige Farbbilder mit feinen Mustern und feiner Zeichnung in naturgetreuer Farbwiedergabe sowie beeindruckender Oberflächenstruktur sind das Resultat des Foveon X3 Direkt-Bildsensors. 

Kurzum, Sie erhalten beste Bildqualität, die viel näher am hohen Maßstab des analogen Farbfilms heranreicht, als herkömmliche Bildwandler dies vermögen. Optische Fakten werden ohne Auslassungen oder Entstellungen in originalgetreue Bilder umgewandelt und Sie müssen in der Verarbeitung der Bilddaten keine Kompromisse mehr hinnehmen.

Herkömmliche Mosaik-Sensortechnik, die Farben wirken matt und kraftlos, die Zeichnungen erscheinen grob und unscharf.

Dank Foveon X3 Direkt-Bildsensor bleiben feinste Zeichnungen gestochen scharf und die Farben wirken frisch und natürlich.

Foveon non calculat – keine Interpolation nötig

Da aufwendige Rechnerleistungen der kamerainternen Prozessoren entfallen, können diese für andere Zwecke verwendet werden oder gar eingespart werden, um Stromverbrauch und Herstellungskosten zu senken. 

Da der Foveon X3 Direkt-Bildsensor zum Teil auf der CMOS-Architektur aufbaut, besitzt er auch die CMOS-typischen Vorteile wie geringer Stromverbrauch, schnelle Ansteuerbarkeit, geringer Signalverlust und niedrige Herstellungskosten.


VPS – das Superpixel

Ein weiterer Vorteil, den die Foveon-Technologie bietet, ist die Fähigkeit, einzelne Pixel zu Gruppen zusammenfassen zu können, um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren wird „Variable Pixel Size“ kurz VPS genannt. Da die Pixelgröße des X3-Sensors mit rund 9µm recht hoch ist, besitzt der Foveon-Chip auch ohne VPS bereits eine hohe Lichtempfindlichkeit. 

Die Gruppierung kann dabei zwischen 2x2, 4x4, 1x2 usw. Blöcken gewählt werden. Die Steuerung erfolgt über ausgeklügelte chipinterne Schaltkreise des Foveon-Chips. Durch diese Gruppierung entstehen größere Superpixel.

Durch die Gruppierung entstehen „Superpixel“

Wenn Sie also beispielsweise einen Foveon-Sensor mit 10,2 Millionen Pixel (2300 x 1500 Pixel x 3 Schichten) in einen 4x4 Block gruppieren, erhalten Sie zwar eine geringere Auflösung von 575 x 375 Pixel x 3 Schichten, aber das Rauschverhalten kann stark reduziert werden, was besonders bei Aufnahmen in ungünstigen Lichtverhältnissen von großem Vorteil ist. Außerdem können durch die geringere Auflösung höhere und schnellere Bildraten in Serienbildaufnahmen erreicht werden


Windowing – größte Flexibilität an jedem (Pixel)Ort

Abb. links: Windowing, größte Flexibilität an jedem Pixel

Da der Foveon X3 Direkt-Bildsensor jedes Pixel in voller Farbinformation aufzeichnet und keine Interpolation notwendig macht, können Sie jedes beliebige Pixel ansteuern bzw. jeden gewünschten Bildausschnitt ohne Rechenleistung aus ihrem Bild auswählen und vergrößern.

Die üblichen Farbartefakte beim Digitalzoom herkömmlicher CCD-Sensoren entfallen dabei. Auch in der Zonenbelichtung und im Autofokus erhalten Sie höchste Flexibilität.


Die intelligente X3 Aufhell-Funktion

Mit der X3 Aufhell-Funktion können Sie mühelos an der Kamera nachbelichten.
Wenn Sie Aufnahmen in Mischlicht- oder Gegenlichtsituationen erstellen, haben Sie oftmals das Problem, das dunkle Partien im Bild zu dunkel (auch Absuppen genannt) oder helle Partien zu hell (auch Ausfressen genannt) wiedergegeben werden.
Der Foveon X3 Direkt-Bildsensor verfügt über eine intelligente Steuersoftware, die es Ihnen ermöglicht, dunkle Partien im Bild durch Verschieben des Reglers an der Kamera aufzuhellen, ohne dabei die hellen Partien ausfressen zu lassen.


Nachbelichtung an der Kamera
Durch die X3 Aufhell-Funktion wird die Zeichnung in den Lichtern bewahrt, während die Mittentöne einfach mit dem Schieberegler angepasst werden können. Mit Begeisterung können Sie Ihre Ideen des künstlerischen Ausdrucks genauso umsetzen, wie Sie es vielleicht damals in der Dunkelkammer beim Abwedeln oder Nachbelichten getan haben. Scharfe und brillante Bilder bei gleichzeitig hoher Bildqualität werden somit garantiert.

Abb. links: Aufgenommen mit der SD10 – Naturgetreue Wiedergabe.

Technik die überzeugt – die SIGMA SD 14 mit neuester Foveon-Technologie
Diese Argumente haben auch SIGMA überzeugt und deshalb entschied man sich, statt die herkömmlichen CCD/CMOS-Sensoren, die neuartige viel versprechende Foveon-Technik in den digitalen Spiegelreflexkameras von SIGMA zu verwenden.
Bereits die erfolgreichen DSLR-Kameras von SIGMA, die SD9 und SD10, wurden mit 10,2 Millionen Pixel Foveon-Bildwandlern ausgestattet.

Aufgenommen mit der SIGMA SD9.

SD14 – Highlicht der Photokina 2006

Die neue SIGMA SD14 mit Foveon-X3 Direkt-Bildsensor (14 Megapixel).

Nach den vielen positiven Erfahrungen mit dieser Technik, wird auch in der neuen, auf der Photokina vorgestellten SD14 auf die Foveon-Sensoren nicht verzichtet. 

Der ebenfalls erst auf der Photokina vorgestellte brandneue Foveon X3 Direkt-Bildsensor findet in der SIGMA SD14 seine Anwendung. 20,7 mm breit und 13,8 mm hoch besticht der neue Foveon-Chip mit seinen sagenhaften 14,45 Megapixeln (2688 x 1792 x 3 Schichten). Beste Bildqualität in gestochen scharfer Auflösung und naturgetreuer Farbwiedergabe ist vorprogrammiert.

Hier finden Sie weitere Informationen zur Foveon-Technologie.

Referenzbilder

Links: Aufgenommen mit der SIGMA SD14 – Höchste Farbbrillanz.
Rechts: Aufgenommen mit der SIGMA SD9 – Satte Farben und feine Zeichnung dank Foveon-Technologie.