포베온 X3

1. 개요

포베온 X3는 빛의 파장에 따라 실리콘 웨이퍼 내에서 흡수되는 깊이가 다른 점을 이용하는 이미지 센서이다. 각 층에서 얻은 신호를 바탕으로 각 픽셀의 RGB 값을 계산하며, 디모자이크 과정이 필요 없어 가색이 나타나지 않는 특징이 있다. 하지만 색상 레이어 간의 교차 오염으로 색상 정확도 문제가 발생할 수 있으며, 저조도 환경에서 색상 노이즈가 증가할 수 있다. 시그마 SD9이 최초 탑재 카메라였으며, 2023년 현재는 CMOS 센서에 밀려 선호도가 감소했으나, 시그마는 새로운 Foveon 센서 개발을 진행 중이다.

2. 작동 원리

포베온 X3 센서는 빛의 삼원색인 빨강(R)・녹색(G)・파랑(B)이 실리콘을 투과하는 특성이 다르다는 점을 이용한다. 센서는 빛이 입사하는 방향으로 3층의 포토다이오드를 배치하여, 각 층에서 다른 색상 정보를 분리한다. 이는 컬러 필름과 유사한 방식이다.

센서의 작동 방식은 오른쪽 다이어그램과 같다. 왼쪽은 각 파장의 빛이 실리콘 웨이퍼를 통과할 때 흡수되는 정도를 나타내며, 오른쪽은 각 층에서 감지하는 색상을 보여주는 센서 스택을 나타낸다. 실제 센서의 각 픽셀 색상은 카메라의 이미지 처리 알고리즘에 의해 결정되며, 이 알고리즘은 광다이오드 스택에서 감지된 모든 데이터로부터 RGB 색상을 계산한다.

3층 중 제1층(최상층)은 빨강・녹색・파랑 모든 빛에 반응한다. 제2층은 파란색 빛이 도달하지 않아 빨강・녹색 빛에 반응하며, 제3층(최하층)은 빨강 빛에만 반응한다. 이미지 처리 엔진은 최하층의 빨강 값을 중간층의 빨강・녹색 값에서 빼서 녹색 값을 구하고, 최상층 값에서 빨강과 녹색 값을 빼서 파랑 값을 계산한다.

포베온 X3 이미지 센서 각 층의 두께는 5μm 이하로, 초점이나 색수차에 미치는 영향은 극히 미미하다. 다만, 빨강색 수광층이 가장 깊어 다른 CMOS나 CCD 이미지 센서에 비해 긴 파장의 빛에서 일부 전자가 확산되어 선명도가 떨어진다.

3. 특징

포베온 X3 센서는 디지털 카메라에 더 일반적으로 사용되는 베이어 필터 이미지 센서와 작동 방식이 다르다. 바이어 센서는 각 픽셀마다 하나의 색상(빨강, 녹색, 파랑 중 하나)만 감지하고, 디모자이킹이라는 보간 과정을 통해 전체 색상 이미지를 생성한다. 반면, 포베온 X3 센서는 각 픽셀에서 빛의 삼원색(빨강, 녹색, 파랑)을 모두 감지하여 별도의 디모자이킹 과정이 필요 없다.

이러한 작동 방식의 차이로 인해 포베온 X3 센서는 다음과 같은 특징을 가진다.

* 색상 아티팩트(거짓색) 없음: 디모자이킹 과정이 없어 이와 관련된 가색(거짓색) 현상이 나타나지 않는다. 따라서 베이어 센서에서 가색 현상을 완화하기 위해 사용하는 안티앨리어싱 필터가 필요 없다.
* 앨리어싱 감소: 각 색상에 대한 광다이오드가 마이크로렌즈를 통해 해당 색상 센서 간 간격과 거의 같은 영역에서 광학 이미지를 통합하므로 앨리어싱이 거의 발생하지 않는다.
* 색상 정확도 문제: 실리콘 침투 깊이에 따른 색상 분리 방식은 색상 레이어 간의 교차 오염을 발생시켜 색상 정확도 문제를 야기할 수 있다.

Foveon X3는 CMOS 이미지 센서의 일종으로, 빛의 삼원색이 실리콘을 투과하는 특성이 다른 점을 이용한다. 센서는 빛이 입사하는 방향으로 3층의 포토다이오드를 배치하여, 각 층에서 다른 색 정보를 분리한다. 3층 센서 중 가장 위층은 빨강, 녹색, 파랑 모든 빛에 반응하고, 아래층으로 갈수록 파장이 짧은 파란색 빛이 도달하지 않아, 해당 색을 제외한 빛에 반응한다. 이미지 처리 엔진은 각 층에서 얻은 값을 계산하여 최종 색상 값을 결정한다.

포베온 X3 센서 각 층의 두께는 5μm 이하로, 색수차는 매우 적다. 그러나 가장 깊은 빨간색 수광층은 다른 센서에 비해 긴 파장에서 전자가 확산되어 선명도가 손실될 수 있다.

일반적인 베이어 필터 카메라는 각 픽셀에서 한 가지 색만 캡처하고 연산을 통해 다른 색 값을 구하는 반면, Foveon X3는 빛의 삼원색을 직접 캡처한다. 따라서 베이어 배열 센서에서 나타나는 가색이 Foveon X3에서는 원리적으로 발생하지 않는다. 하지만, FOVEON은 색 분리에 실리콘 투과 특성을 이용하므로, 색 필터에 비해 색 분리가 좋지 않아 정확한 색 재현이 어렵고, 베이어형 센서와 다른 전용 이미지 처리 엔진이 필요하다.

3.1. 광 수집 및 저조도 성능

이론적으로, 포베온 X3 이미지 센서는 모자이크 센서보다 더 많은 광자를 감지할 수 있다. 이는 모자이크 센서의 각 포토사이트를 덮고 있는 컬러 필터가 기본 색상 중 하나만 통과시키고 나머지 두 개는 흡수하기 때문이다. 그러나 포베온 센서의 개별 레이어는 각 색상에 대해 예민하게 반응하지 않으므로, 센서의 원시 데이터에서 색상을 나타내는 정보는 표준 색 공간에서 색상 데이터를 생성하기 위해 "공격적인" 매트릭스(예: 공통 모드 신호 제거)가 필요하며, 이는 저조도 상황에서 색상 노이즈를 증가시킬 수 있다.

포베온 X3는 빛의 삼원색인 빨강(R)・녹색(G)・파랑(B)이 실리콘을 투과하는 특성이 다르다는 것을 이용하여 소자의 두께 방향(빛이 입사하는 방향)으로 3층에 포토다이오드를 배치하고 있다. 3층 센서 중 제1층(최상층)은 빨강, 녹색, 파랑의 모든 빛의 세기에 반응한다. 제2층 이하는 파장이 짧은 파란색 빛이 도달하지 않으므로, 파란색 요소를 제외한 빨강, 녹색 빛의 세기에 반응한다. 마찬가지로 제3층(최하층)에서는 제2층까지 흡수된 빨강, 녹색을 제외한 빨강 빛의 세기에 반응한다. 이미지 처리 엔진에서는, 최하층에서 얻은 빨강 값을 중간층에서 얻은 빨강, 녹색 값에서 빼서 녹색 값을 구하고, 최상층 값에서 빨강과 녹색 값을 빼서 파랑 값을 구한다.

포베온 X3 이미지 센서에 포착되는 광자는 모자이크 이미지 센서보다 많다. 이는 모자이크 이미지 센서의 경우 삼원색 중 한 가지 색상만 이미지 센서에 도달하고, 나머지 두 색상의 광자는 컬러 필터에 의해 차단되기 때문이다. 포베온 X3는 집광력이 크지만, 개별 레이어는 각 색상에 반응하지 않는다. 저조도 환경에서는 색상 노이즈가 증가하므로 표준 색 공간의 색상 데이터를 생성하기 위해 이미지 센서의 RAW 데이터 내 색상 정보에 대한 적극적인 매트릭스화가 필요하다 (본질적으로 공통 모드 신호를 제거).

3.2. 공간 해상도

시그마 주식회사에 따르면, "포베온 센서의 화소 수를 어떻게 지정해야 하는지에 대한 논란이 있다." 광학 수용체 수, 총 광다이오드 수, 메가픽셀 수 계산, 베이어 필터 센서와의 비교 등 다양한 쟁점이 존재한다.

예를 들어, 시그마 SD10 카메라는 2268 × 1512 크기의 광학 수용체 배열을 가지고 있으며, 약 340만 개의 삼색 픽셀에 해당하는 기본 파일 크기를 생성한다. 그러나 각 광학 수용체에 적층된 적색, 녹색, 청색 광다이오드(픽셀 센서)를 고려하여 1020만 화소(2268 × 1512 × 3) 카메라로 광고되었다. 반면, 니콘 D200 카메라는 3872 × 2592 크기의 1020만 화소 베이어 센서를 가지고 있지만, 각 위치에는 하나의 광다이오드 또는 픽셀 센서만 존재한다. 두 카메라는 동일한 수의 광다이오드를 가지지만, 베이어 필터 카메라는 디모자이크를 통해 더 큰 기본 파일 크기를 생성한다.

베이어 센서의 실제 해상도는 광학 수용체 수나 기본 파일 크기보다 복잡하다. 디모자이크와 별도의 안티 앨리어싱 필터는 색상 모아레 무늬를 줄이기 위해 사용되며, 이는 이미지 출력을 흐리게 하여 해상도를 낮춘다. 포베온 X3 센서는 이러한 필터가 불필요하며, 초기 시그마 SD9는 색상 모아레 없이 휘도 모아레 무늬를 보였다.

이후 X3 카메라는 마이크로 렌즈를 통해 앨리어싱을 줄였다. 마이크로 렌즈는 광학 신호를 평균화하여 안티 앨리어싱 필터 역할을 한다. 노먼 코렌(Norman Koren)은 포베온 X3 센서의 앨리어싱은 "단색이기 때문에 덜 성가시다"라고 언급했다. 이론적으로 포베온 X3 센서는 베이어 센서와 동일한 수의 광다이오드를 가질 때 더 높은 공간 해상도를 얻을 수 있다. 시그마 SD10의 "1020만 화소" 포베온 X3 센서는 500만 화소 또는 600만 화소 베이어 센서와 유사하며, 낮은 ISO 속도에서는 720만 화소 베이어 센서와 유사하다는 테스트 결과도 있다.

시그마 SD14 출시 후, 1400만 화소(470만 화소 적색 + 470만 화소 녹색 + 470만 화소 청색) 포베온 X3 센서는 1000만 화소 베이어 센서보다 긍정적인 평가를 받았다. 마이크 체니(Mike Chaney)는 "SD14는 1700 LPI까지 선명한 디테일을 전달하여 일반적인 1000만 화소 DSLR보다 낫다"고 평가했다. 다른 기사에서는 포베온 X3 센서를 900만 화소 베이어 센서와 동등하다고 평가했다. 1400만 화소 포베온 센서와 1230만 화소 베이어 센서 비교 결과, 포베온 센서가 더 선명한 디테일을 보였다.

3.3. 노이즈

초기 포베온 X3 센서는 높은 ISO 필름 속도 등가물에서 베이어 센서보다 노이즈가 더 많다는 평가를 받았다. 특히 크로마 노이즈가 심했다. 장시간 노출 시 더 높은 노이즈를 보인다는 언급도 있었다. 그러나 이것이 센서 자체의 특성인지, 아니면 카메라의 이미지 처리 알고리즘의 문제인지에 대한 의견은 제시되지 않았다.

이후 개선된 포베온 X3 센서를 사용하는 시그마 SD14와 관련하여, 한 리뷰어는 카메라의 Raw 이미지 형식을 사용할 때 노이즈 수준이 ISO 100에서는 "매우 낮음", ISO 1600에서는 "보통" 수준이라고 평가했다.

4. 탑재 디지털 카메라

Foveon X3 센서를 탑재한 디지털 카메라는 다음과 같다.

시그마 SD9, 시그마 SD10은 RAW 이미지 전용이었지만, 그 외에는 JPEG로도 기록할 수 있다.

Foveon 센서를 탑재한 카메라는 베이어 배열 센서 카메라의 1화소 면적에서 3화소 분의 정보를 생성할 수 있어, 총 화소수를 3배로 표시하는 경우가 있다. 예를 들어 시그마 SD9, SD10에 의해 생성되는 이미지는 2268×1512의 약 350만 도트이지만, 1도트에서 3화소 분의 정보를 생성할 수 있다고 하여 1030만 화소로 표기되어 있다. SD14는 2640×1760 (약 464만) 도트이므로 1400만 (464만×3 = 1392만) 화소로 표기한다.

5. 추가 개발

2023년 5월 현재, 포베온 X3 센서는 더 저렴한 비용으로 더 높은 해상도와 더 낮은 노이즈를 제공하는 CMOS 센서에 밀려 평균적인 사진작가들 사이에서 선호도가 떨어지고 있다.

하지만 2021년 2월, 시그마는 새로운 Foveon 센서를 개발해 왔지만, 개발 과정에서 치명적인 결함이 발견되어 처음부터 개발을 다시 시작해야 했다고 보도했다.

2022년 2월, 시그마는 새로운 풀프레임 Foveon 센서의 2단계 프로토타입 제작에 들어갔다고 발표했다. 2단계 프로토타입은 제품 사양과 동일한 픽셀 크기를 가지면서, 실제 이미지 센서의 성능 특성을 검증하기 위해 전체 픽셀 수를 줄인 소형 이미지 센서이다. 3단계 프로토타입은 AD 컨버터 등을 포함하여 양산 장치와 동일한 사양의 풀프레임 이미지 센서를 평가한다. 2024년 이전에 양산이 시작될 가능성은 낮다.