That Foveon Digital Photo Camera:The Technology Behind It

　　对数字照相机能否存在下去的可能性的争论要远远多于对它的检测。我们想试着对此做一下纠正。

　　最近几年人们谈论最多的是Foveon的专业数字相机，就连职业摄影师和图象开发商也众口一辞地称赞它是市场上出现的第一个、含三个CMOS传感器的创新产品。但同时也认为其在技术细节上及产品的内部构造过于复杂。但无论怎样，它已经超越了同类产品，成为市场上的佼佼者。

　　在最近德国举办的Photokina展会上，Foveon和Victor Hasselblad演示了Hasselblad 的“Dfinity”产品，这种产品把新颖的3-CMOS设计引入常规的照相机中，对象是从事科学、医药、档案应用和系统综合的人们，而不仅仅是手工照相室的摄影师。

内部
　　Foveon的发展是一个创新的过程。附属于国有半导体公司——一家芯片制造商，也是其技术伙伴和主要投资人，其起步产品在实际传送方面有一种不寻常的能力——这也是这场革命在当时不被提起的原因之一。

　　Foveon的设计用了三个芯片——每种颜色一个——比单芯片的产品更容易消除摩尔纹及其它一些人为问题。这种传感器是一种突破，它代表了CMOS图象传感工业在分辨率、品质和低消耗上的飞跃。作为对CCD公司的明确挑战（CCD公司认为这已不单单是挑战），这种产品是第一个使用0.18微米的图象传感器。Foveon的CMOS传感器拥有16兆象素的分辨率。

　　这是目前市场上第一个也是仅有的一个16兆象素的CMOS芯片；柯达公司日前发布了一款16兆象素的CCD芯片，但是，它并不是工作型的，而且，由于其大小和售价的关系，它是否能畅销于专业摄影工业也是值得怀疑的。

内部工作
　　Foveon的Richard Lydon讲过他们的最新装置的细节。在早期的开发中，Foveon决定离开数字彩色摄影的传统套路。通过对提高电子图象的途径进行分析，Foveon迈出了戏剧性的一步：他们没有采用CCD传感器作为色彩镶嵌过滤器，而是用分离的CMOS传感器取而代之。这种方法将图象质量大幅度提高，从而为Foveon公司赢得了大量的利润。

　　首次发布时，Foveon相机被描述成一个在前端带有一个数字彩色照相机的膝上型计算机。事实上，Foveon相机的功能远不止这些。数字相机的核心，是一个带有图象处理功能的、基于棱镜的色彩分离装置，是专为专业用途而设计的。Foveon产品的设计重点放在开发基于棱镜的、用三个传感器的电子相机及其操作系统。

三次感光相对于一次感光
　　从历史上说，相对于一次捕捉成像，三色光的分离使用有长处，也有不足。

　　有的人可能记得，在彩色照片的早期，Technicolor公司较早利用三色分离的胶片以获得完整的色彩光谱。同样的概念对水银卤化物和数字摄像术都适用。

　　在数字摄像术中，水平镜头在使用色彩镶嵌过滤器后得到发展，这种过滤器能调整和校准每个象素传感元件。每个位置感知镶嵌过滤器所分配给的三种基本色中的一种。这种方法的缺点在于，它的三个图象都是抽样不足的，这违背了Nyquist采样法则；它们用图象统计来弥补。

　　这里的问题是，图象的质量是决定于伪信号而不是象素的数量。在一个棱镜中使用三个独立的传感器，就象Foveon那样，一定数目的单独的象素传感元素就可以用来产生无需伪信号的图象，并且所有进到照相机中的光都能得到更充分的利用。

　　从代价的角度，高端传感器常常推动工艺的发展。以CCD传感器为例，相对于其体积的大小，这些部件都是昂贵的。CMOS较CCD便宜的多并不足为奇。但是，要得到更多的象素，用三个图象薄片比用单个大些的薄片要经济得多。

　　Foveon选择三芯片设计并不是因为它省钱，而是因为它能比一片式的照相机得到更清晰的放大效果——这种摄影术的起始图象数据就更好些。

　　而且，这种三片设计免去了最后成像时修改的需要。专业摄影师可以用一次感光的相机得到三次感光的效果，而且还可以捕捉快动作。

解决方案
　　相对于CMOS的硅片，Foveon对CCD的使用做了相当深入的调查。

　　由于与国立半导体公司有着密切的合作关系，他们有能力定义需要的修改，包括允许低泄露的类似功能、有效光感、高速数字支持以及适时电路（全部在一个薄片上）。

　　Foveon最初采用的是2K×2K尺寸的传感薄片，总共4百万个象素。由于Foveon的3片式设计，汇集成像的象素总数增加到一千二百万。在这篇文章写作的时候，Foveon刚发布了4K × 4K的图象传感片的提高产品；这本质上是一种指数速度的提高。（至于他们是如何做到这一点的，在专利申请下来之前，将作为一个商业机密。）

独特的棱镜设计
　　作为对他们日前发布的CMOS片的高级解决方案的补充，Foveon相机的关键部分是色彩分离棱镜。在它的独特光学设计中，包括有一系列三个光谱灵敏曲线，棱镜近似于一套色彩匹配功能。这对高品质的色彩保真很重要。

　　在色彩感知方面，Foveon用的是更大胆一些的方法，开发了一系列二向色颜色过滤器，允许紫色光进入红色传感通道。由于使用了紫色光，Foveon获得了更接近的颜色匹配功能，同时得到了更逼真的图象。由于使用了光谱的前过滤器，他们可以更好地控制全部的光谱灵敏度，效果比使用常规的抗IR过滤器要好。

　　与另一家总部设在加利福尼亚的光学制造企业合作，Foveon已经可以开发一种价格合理的、能产生高品质摄影成像的光机械装配技术。考虑到色彩的保真度和精确性，Foveon产品的色彩比其它相机的镶嵌滤波器的色彩逼真得多。

　　过去，使用常规的3-CCD技术，图象传感器与面对着一道气缝的独立棱镜校准。同样的，这些CCD传感器也有它们自己的玻璃盖和内部的另一个气缝。所有这些气缝使局部的内部反射成倍增加，结果只能得到模糊失真的图象。Foveon开发了直接把传感器附在棱镜上，中间没有任何空隙的技术。他们的技术包括一套照相机自身电力支持的精密光机械系统——这套系统在一副图象分析反馈的环线圈中起作用；然后还有一个带刻度的光学环氧树脂——这是棱镜上的传感器的重要装备。使用这种方法还可以消除光元件上和焦平面上的灰尘。

速度和格式的大小
　　据Richard Lydon所说，Foveon的格式大约相当于35平方毫米相机的一半，或大约12平方毫米。虽然还没有测量，Foveon相机的速度在通过ISO评估的50左右；然而由于它在32的低速时仍有相当大的感光范围，所以它的信噪比更好。

系统
　　Foveon相机设计的第一个基础是真正使用一台笔记本电脑以提供大多数的控制功能，

　　Foveon花了大量的时间、精力和财力，以期得到一个良好有效的工业和机械的设计。之后用他们特殊设计的传感器系统把这些功能综合到照相机里。这个设计使笔记本电脑可以处理与相机剩余部分的综合。

　　照相机元件，包括“笔记本电脑附件”，都放在一个镁制结构中。鉴于他们的相机的光圈和焦距用的是全电子控制界面，Foveon选择安装了佳能、Sigma和Tamron公司的系列透镜，而没有设计自己的透镜装置。

摄影室相机使用
　　Foveon的相机主要是为专业摄影工作室设计的。它有意适合了那些标准照明结构，可以象其它带三脚架的照相机一样使用。虽然它可以以标准的普通配线为动力，但它仍然带有自己的电池。正是基于这一点，它也可以在户外一次使用几个小时。

　　Foveon的软件小组在不断为这个相机开发处理和控制软件。使用者的界面将使用的屏幕按钮最小化，其它的隐藏按钮进行了合并以便于不易标记的按钮的使用。
相机镜头一侧的反光镜，与一个可移动的小型放大镜配合使用，就可以进行简单合成和实时聚焦。可以手工对焦，也可以电子对焦。

　　咔哒一声之后，表示抓拍、合成、对焦和曝光的完成，一幅即时画面就会在相机屏幕的右侧出现。软件还生成一个柱状图，指出色调的估计范围，感光过度的警报声还能提醒你没有以强光照射的部分所在。

结束语
　　中等尺寸的胶片比35毫米胶片有更高的清晰度，但这并不意味着35毫米胶片或者中等尺寸的胶片比22平方毫米的硅图象传感器的清晰度更高。实际上，从密度看，硅传感器比目前的大多数胶片的清晰度都高！

[时间：2001-06-06  作者：必胜网  来源：必胜网]