適馬的x3系列感測器有什麼特點，是一種先進的理念嗎？

作為副廠而言，適馬這個公司真是“奇葩”一般的存在。經常奇思妙想的不按常理出牌，尤其以其“堆料”和自詡的“黑科技著稱”。

說到適馬的 X3 系列感測器，曾經一度有過關注，與傳統的“拜爾陣列CMOS感測器”不同，適馬的 Foveon X3 感測器實在是別具一格，因為相關內容實在過於枯燥乏味，我們從以下三個方面儘量簡單明瞭的聊一聊適馬的這款感測器。

傳統膠片的感光結構

拜耳列陣感測器

適馬 Foveon X3 感測器

傳統膠片的感光結構從上圖中我們可以看到：“傳統彩色膠片片基表面塗有三個感色圖層，從上至下分別為藍色、綠色和紅色的感光塗層。每個塗層內有鹵化銀顆粒和成色劑染料顆粒。和大家認知可能不太一樣的是，實際上每一層的成色劑染料顆粒呈現的顏色是這一層的補色。譬如藍色層使用的是黃色染料，綠色是品紅染料，而紅色則是青染料。實際當膠片曝光時，某一塗層內的鹵化銀顆粒受光轉變為黑色的金屬銀，同時附近的成色劑顆粒也對應轉變為相等比例的染料，染料以這種顏色的補色形式進行轉化。後期膠捲沖洗時，黑色的金屬銀被藥液洗掉，而每一個塗層內的燃料顏色則被固定下來”（資料來自於《美國紐約攝影學院攝影教材（上冊）》。拜爾列陣感測器

所謂拜爾陣列指的是 CCD（Charge Coupled Device）或 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）作為感光元件時，採集數字影象時用到的一種常見的方法。

拜爾陣列感測器是由柯達公司的工程師——布萊斯·愛德華·拜爾（Bryce Edward Bayer）發明並於1976年註冊專利，這位偉大的發明家已於2012年末在美國緬因州與世長辭。

由於影像感測器的基本單元光電二極體可測量光線強弱變化，卻不能感應色彩，只能拍攝黑白照片，拜爾創造性地設計了50%綠色、25%的紅色、25%藍色的色彩濾鏡矩陣，覆蓋在光電二極體上方，實現了拍攝彩色照片的目的。

這種設計只用一塊影象感測器，就解決了顏色的識別。做法是在影象感測器前面，設定一個濾光層（Color Filter Array），上面佈滿了一個個濾光點，與下層的畫素一一對應。每個濾光點只能透過紅、綠、藍之中的一種顏色，這意味著在它下層的畫素點只可能有三種顏色：紅、綠、藍，或者什麼也沒有（黑）。不同顏色的濾光點的排列是有規律的：每個綠點的四周，分佈著2個紅點、2個藍點、4個綠點。這意味著，整體上綠點的數量是其他兩種顏色點的兩倍。這是因為研究顯示人眼對綠色最敏感，所以濾光層的綠點最多。

如果一個畫素只可能有三種顏色，那麼怎麼能拍出彩色照片呢？前面說了，每個濾光點周圍有“規律”地分佈其他顏色的濾光點，那麼就有可能結合它們的值，判斷出光線本來的顏色。以黃光為例，它由紅光和綠光混合而成，那麼透過濾光層以後，紅點和綠點下面的畫素都會有值，但是藍點下面的畫素沒有值，因此看一個畫素周圍的顏色分佈——有紅色和綠色，但是沒有藍色——就可以推測出來（插值計算）這個畫素點的本來顏色應該是黃色。

這種計算顏色的方法，就叫做"去馬賽克"（Demosaicing）。上圖的下半部分是影象感測器生成的“馬賽克”影象，所有的畫素只有紅、綠、藍、黑四種顏色；上半部分是“去馬賽克”後的效果，即用插值演算法處理的結果。目前，絕大部分的數碼相機的感光元件都採用拜爾列陣來生成彩色數碼照片。為了紀念發明者布賴斯·拜爾，它被稱作“拜爾模式（Bayer Pattern）”或“拜爾濾光法（Bayer filter）”，同時，拜爾也被譽為“數字影象之父”。

拜爾陣列CMOS感測器最大的問題便是會產生摩爾紋和偽色，解決方案是在感測器表面安裝低通濾鏡以降低摩爾紋和偽色的程度，代價則是降低畫面細節的畫質。不過這幾年隨著拜爾陣列CMOS感測器大量的畫素堆積以及相機去掉低通濾鏡的設計，這樣的問題一定程度上得到了解決。

適馬 Foveon X3 感測器

Foveon X3感測器最初是由加州理工學院的 Carver Andress Mead 教授創立的 Foveon 公司研發，當時首席工程師 Dick Merrill 和首席科學官 Dick Lyon領導的團隊，共同發明了Foveon X3感測器，併成功將其商品化。

2008年，適馬公司正式收購了Foveon公司和Foveon X3技術。後又於2012-13年，整整一代的SD系列單反相機、DP系列行動式數碼相機型號均被冠以“Merrill”這個姓氏，來紀念Foveon X3之父Dick Merrill（資料來源於適馬官網）。

第一款配備 Foveon X3 感測器的相機是在 2002 年釋出的適馬 SD9 數碼單反相機。適馬 SD9 配備了一塊 20.7×13.8mm 尺寸的 APS-C 畫幅 Foveon X3 感測器，單層畫素數約 350萬，共三層畫素排列。

（2）Foveon X3 感測器的原理

由上圖中可以看到，Foveon X3 運用矽吸收光波之特性：接近表面吸收較短光波，而較長光波則可進入較深位置。因此，Foveon X3 建構成垂直三層矽製造的感測器，分別吸收藍、綠、紅光之三原色，在每一個單獨畫素元件上，以縱向方式擷取全部色彩訊息。（資料來源於適馬官網）

Foveon X3感測器的這種結構與膠片的結構類似，每個畫素其實是由紅綠藍三層畫素疊加而成，每個畫素都能完整地感知三種色彩，而傳統的拜耳式列陣感測器只有一層畫素，上面分佈著紅綠藍三種畫素點，每個獨立的畫素點都只能感應一種顏色，而損失掉其他兩種，最終的顏色是通過後期插值計算（猜色）完成。

簡單地說，由於不同顏色的光波長不同，紅色的波長大於綠色波長，綠色波長大於藍色波長，排列順序是則是按照短波在前長波在後的順序，並不是像膠片那樣直接的感色層，而是依靠感受不同的波長並吸收相應色彩波長來計算出相應的色彩；X3 感測器的三層結構中，第一層感受的是包含紅綠藍三基色的全色彩，在透過第一層後的藍色光被感測器吸收掉，剩下的紅綠色光到達第二層感測器被感受並吸收掉綠色光波，到達最底層的光波只有紅色，被感測器的第三層感受到產生唯一的不需要計算就可識別色彩——紅色電訊號。

所以，從理論上講，Foveon X3 感測器理論上每一個畫素位置便可直接計算出RGB值，高取樣率也意味著摩爾紋的發生率大大降低，因此也不需要低通濾鏡來濾除高頻資訊，能夠展現出豐富的色彩和驚人的細節。

按道理說，因為不需要插值計算RGB資料、去馬賽克，Foveon X3 感測器的資料儲存速度應該要更快，但實際上極高的取樣率伴隨的則是資料量的大量攀升；同時光線在穿透每一層畫素後必然導致資料損失，因此每層畫素所感應到的光量並不一樣（最底層的紅色畫素最吃虧），這就導致三種色彩資訊在最終合成的時候會有所偏差，反映到照片上就是較為容易偏色；此外伴隨這種三層畫素排列結構帶來的光訊號損失，必然就是信噪比降低、高感能力的下降。

（3） Foveon X3 Quattro全色彩影象感測器

為了解決 RAW 格式在每一畫素位置儲存 RGB 訊息的影像資料時，影象檔案容量過分龐大的問題，新一代 Foveon X3 Quattro 感測器在結構上做出了改變，從以往 1:1:1 變化為 1:1:4 的比例來分配紅、綠和藍的畫素組成，頂層負責記錄藍色光和明暗資訊的光電二極體的數量分別是記錄綠色和紅色的4倍，中層和下層的光電二極體只負責記錄對應顏色色光，不參與記錄明暗資訊。隨後在資料處理過程中，上層的明暗資訊也同樣被應用於中層和底層。根據官方資料，新結構的 Foveon X3 Quattro 感測器解析度增加了30%，資料處理速度也更快、相機續航也有效提升。

以適馬的 SD Quattro為例，藍色頂層是1960萬畫素，綠色與紅色層是490萬畫素，將頂層的亮度資訊加權到下面兩層後，實現“APS-C 畫幅卻依然可以展現出等效3900萬畫素的畫質（來源適馬官網）”，其實這也是適馬 Foveon X3 感測器最大的爭議——三層疊加演算法。

雖然結構上的變化的確降低了感測器獲取的整體資料量，資料處理速度也更快，但這種垂直方向鋪設三層光電二極體的方式有著天然的致命缺陷，就是“絕對靈敏度閾值”偏高。絕對靈敏度閾值是使“訊號等同於由感測器產生的噪聲”的光子數。這是一個重要指標，因為它代表了能夠觀察到任何有意義的訊號、理論上所需要的最小光量。在弱光環境下，隨著進入感測器絕對光量的減少，必然伴隨的是光量的逐層衰減，換言之，與傳統的拜爾式列陣的 CMOS 感測器相比，X3 感測器需要更多的入射光子才能獲得同樣的信噪比，最終導致 X3 感測器的高感能力極為羸弱，再簡單點講，實際的可用 ISO 範圍只是最低檔—— ISO 100。

綜上所述

總而言之，適馬的 X3結構在設計理念上的確有其獨到之處，在環境光量充足，低感靜態環境（ISO 100）下，的確可以獲得更加細膩和清晰的影像，“豐富的色彩和驚人的細節”，為了更加強調這一能力，適馬隨後又推出了 SFD（Super Fine Detail 超精細細節）拍攝模式，即是所謂的“Foveon Quattro 感測器從影象中提取出最大細節數量，同時將影象噪點控制到極低的水平”；其實際上就是以標準測光為中心，相機自動拍攝 7 張照片，曝光範圍從 -3 EV 到 +3 EV（即正負 3EV 的包圍曝光），隨後將其儲存為單個 X3I 檔案，在適馬專用的 RAW 影象轉換軟體 SIGMA PhotoPro（SPP）中合成 HDR 影象。不過這種多幀曝光及後期合成的方式僅僅適用於靜物或完全無風的環境，被攝物體稍有移動，後期合成中適馬就顯得相當簡單粗暴，拖動的殘影和動態模糊完全無法避免。

雖然適馬不斷強調其 Foveon X3 Quattro 的“提供的完整資料是從每個畫素單元所擷取，不需計算機插值方式來補充，具有忠實呈獻所見景緻的特性。（來源適馬官網）”但其天然的結構缺陷導致的高感能力羸弱，短期內沒有看到技術上解決的可能。所以，基於 X3技術開發的適馬相機，也註定不會成為主流市場的寵兒，只能是追求極致另類的少數派選手，正所謂“愛的人愛不釋手，恨的人嗤之以鼻”吧。

沒有愚蠢的問題，只有無趣的回答。

我是攝影師“知非”，但願我的回答足夠有趣而嚴謹。

作為國內極少數真正用過適馬FOVEON感測器相機的人，我來說幾句。

X3感測器的概念就不復述了，總之就是多層感測器。大家可以看其他人的回答。最簡單的做法是看適馬公司官網的標準解釋。

我要解釋的是華人用一些不科學眼光產生的謬誤。

其中最大的謬誤就是以為X3感測器和膠片一樣，在不同的層之間是有色掩膜的，因此很多人認為X3感測器對於安置在最下層的紅色感光層效能就最差勁了。

其實這是錯的。

因為X3感測器用的基本原理請牢記：

光線在透過矽片時，在不同的厚度具有不同的吸收效能。到最下層時，只有紅色波長的能量還剩下。

這才是X3感測器用的基本原理。

所以，X3感測器對色彩的還原並不存在厚此薄彼的問題。

上面這幅曲線圖才是X3系列感測器真正的原理。

和很多技術路線一樣，X3感測器有有點就有缺點。

我自己用sd Quattro很長一段時間。

這臺相機發熱量巨大，反應速度慢（幾乎不能連拍），體積巨大，高感幾乎沒有，這些都是X3感測器的先天缺點帶給相機設計的問題。

但是，它也有畫質色彩非常純淨，而且厚實的特點。畫面立體感表現力強的特點。

這種相機，愛的人非常愛，愛到幾乎全盤接受它的缺點，比如我；恨得的人可以非常恨，恨到絕對不會使用的。

作為一個攝影愛好者，我算是一個資深的適馬單反忠實使用者了。十四年時間一共用了四適馬機器。我說下我的感受吧。第一臺機器是05年買的SD10，之前在色影無忌看到過豬豬的SD9照片就中毒了。色彩特別紮實。影象的立體感強。但對機器的偏色和操控確實不放心。觀望了一年時間，SD10上市了，聽說改進了色彩和操控，就毫不猶豫的買了。回來發現色彩確實好，操控確實差。成片率不到10%吧。拍出來的都是黃疸病人。拍一張得準備兩分鐘。不過要是偶爾出來的好片那是確實好。大概到了11年換了SD15色彩改進很大，除了拍人，其他的題材都能拍了，不用太多後期校色。最大的問題是跑焦。見過自家機身配自家鏡頭跑焦的麼？適馬就是這唯一的一家。後來添加了一個備機DP1S這個確實不跑焦。就是操控慢，比Sd10還慢。這麼小的一個機器用出了中畫幅的速度。再後來18年換了SDQH這次終於是一個能用的相機了，不偏色，不跑焦。反應速度還是慢，但能接受了。但代價就是畫素結構妥協了，出來的色彩確實不夠紮實。但這個代價我覺得是值得的。畢竟能拍出來可用的照片才是第一位的。這時候備機是RX1R2。兩個機器挺互補的，出片率比提高好多。我的經驗就是，買適馬，可以買。但看你拍什麼題材，畫質獨樹一幟。還有，不要買奇數代次的產品，在我看來SD9,SD14,SD1M都不夠成熟，只能算是試驗品。買他們的改進型號還是穩妥點。別當小白鼠。

三層感光器 每層負責紅綠藍單獨顯色，解析度爆表，色彩在合適的條件下比馬賽克的好看且不存在馬賽克猜色錯誤的情況。