Cảm biến CMOS là gì?

Trước đây, các máy ảnh, máy quay video kỹ thuật số dùng chip cảm biến ánh sáng CMOS là loại rẻ tiền, chất lượng kém nên dần dần chip CMOS được thay bằng CCD.
Thế nhưng nay, những máy mới nhất, đắt tiền nhất lại được trịnh trọng quảng cáo là dùng chip CMOS.
Khi chọn mua máy ảnh hoặc máy quay video kỹ thuật số, đa số người dùng đều chú ý vào số chấm (số điểm ảnh tối đa mà máy hỗ trợ được, thường gọi là mega-pixel) mà quên đi những thông số khác.
Thật ra, số điểm ảnh tối đa đó phụ thuộc hẳn vào chip cảm biến hình ảnh trang bị trong máy. Có thể nói, chip cảm biến hình ảnh sẽ quyết định đến phần lớn chức năng của máy, như: độ nét của hình ảnh, độ nhạy sáng, năng lượng điện tiêu thụ… Vì vậy nó còn được ví là “trái tim của máy ảnh số”.
Hiện nay, trên thị trường, ngoài các máy ảnh, máy quay kỹ thuật số sử dụng chip cảm biến hình ảnh CCD, đã bắt đầu xuất hiện dần loại dùng chip cảm biến CMOS. Ở thời điểm hiện tại, loại máy dùng chip cảm biến CMOS đang thắng thế trên thị trường cao cấp so với loại máy dùng chip cảm biến CCD.

Sự trở lại ngoạn mục của CMOS

Trước đây, chip cảm biến CMOS được trang bị trong các thiết bị rẻ tiền (điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA…) do độ nhạy sáng thấp, hình ảnh thu được không sắc nét… Vì vậy, trong một thời gian dài nó không được các nhà sản xuất máy ảnh số quan tâm.

Trong khi đó, mặc dù đắt tiền hơn so với chip cảm biến CMOS nhưng nhờ khả năng vượt trội về mọi mặt (độ nhạy sáng cao, tái hiện ảnh với độ phân giải lớn, sắc nét…), chip cảm biến CCD được các nhà sản xuất máy ảnh và máy quay video kỹ thuật số phát triển qua hàng loạt dòng sản phẩm và giữ vai trò độc tôn về công nghệ.
Tưởng chừng chíp cảm biến CMOS sẽ rơi vào sự quên lãng, và không có khả năng chạy đua cùng CCD.
Nhưng kỳ diệu thay, đến năm 2000, nó đột ngột trổi dậy và gây tiếng vang bằng chiếc máy ảnh số chuyên nghiệp EOS D30 của hãng Canon với khả năng cảm biến đến 3,2 triệu điểm ảnh.
Hai năm sau, năm 2002, CMOS đã thật sự thể hiện được thế mạnh của mình qua phiên bản nâng cấp của EOS D30, đó là EOS D60 với khả năng cảm biến lên 6 triệu điểm ảnh. Đây là một cuộc lội ngược dòng ngoạn mục của CMOS khiến hầu hết các nhà sản xuất đang đeo đuổi CCD phải suy nghĩ.
Chỉ cần vài tháng sau đó, Kodak đã tung ra ngay dòng máy Kodak DSC 14n với 14 triệu điểm ảnh nhờ vào chip cảm biến CMOS thế hệ mới. Còn Canon tiếp tục phát triển chip CMOS và tung ra dòng máy Canon EOS 1Ds với 11 triệu điểm ảnh. Đến lúc này, CMOS đã vượt qua CCD về độ nhạy sáng, độ phân giải, chất lượng hình ảnh… nhưng đặc biệt là chi phí không cao đến mức như nhiều người nghĩ.

Cách làm việc của CMOS và CCD

Nhiệm vụ của chip cảm biến là bắt ánh sáng khi cửa trập được mở và chuyển chúng thành các điện tử; sau đó, các điện tử này được chuyển thành điện áp; cuối cùng điện áp chuyển sang dạng tín hiệu số.
CCD gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng được phủ bằng lớp bọc màu (đỏ – red, hoặc xanh lục – green, hoặc xanh dương – blue), mỗi điểm ảnh chỉ bắt một màu. Do đó, khi chụp ảnh (cửa trập mở), ánh sáng qua ống kính và được lưu lại trên bề mặt chíp cảm biến dưới dạng các điểm ảnh.
Mỗi điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ được chuyển đến bộ phận đọc giá trị theo từng hàng. Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ được khuếch đại và đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, cuối cùng đổ vào bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp. Chính quá trình đọc thông tin thực hiện theo từng hàng đã làm cho tốc độ xử lý ảnh chậm, rồi thiếu hoặc thừa sáng.
Các nhà nghiên cứu đã tính đến việc trang bị thêm bộ đọc ảnh bổ sung xen kẽ vào các điểm bắt sáng để đọc tất cả các thông tin điểm ảnh trong một lần nhưng điều này bắt buộc phải tăng không gian của chip cảm biến, do vậy mà không khả thi về mọi mặt.
Chính cái điều mà các nhà nghiên cứu muốn bổ sung cho CCD thì CMOS lại có sẵn, bởi cạnh mỗi điểm bắt sáng đã có sẵn mạch điện bổ trợ dễ dàng tích hợp ngay quá trình xử lý điểm ảnh. Với cấu trúc này, mỗi điểm ảnh sẽ được xử lý ngay tại chỗ và đồng loạt truyền tín hiệu số về bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp nên tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn rất nhiều.
Một ưu điểm nữa mà cấu trúc này mang lại là có thể cung cấp chức năng tương tác một vùng điểm ảnh (như phóng to một phần ảnh) cho người sử dụng, điều mà chíp cảm biến CCD khó làm được. Với khả năng bổ trợ nhiều như vậy nhưng chip cảm biến CMOS lại tiêu thụ ít năng lượng hơn chip cảm biến CCD, cộng với nhiều yếu tố khác mà giá thành sản xuất chip CMOS thấp.
Ở thế hệ đầu của chíp cảm biến CMOS, độ nhiễu tạo ra do việc khuếch đại điểm ảnh là đáng kể, làm cho ảnh chụp được không mịn. Điểm yếu này đã được cải thiện ở thế hệ sau đó bằng việc đọc hai lần điểm ảnh (lần 1 đọc giá trị bắt sáng, lần 2 đọc giá trị của mạch bỗ trợ; sau đó thực hiện phép trừ) và bằng vi thấu kính làm ánh sáng “rơi” vào đúng vị trí bắt sáng.

5 ưu điểm của chip cảm biến CMOS

Khi so sánh giữa chip cảm biến CCD và chip cảm biến CMOS, người ta thường nêu ra ngay 5 ưu điểm của CMOS:

• Độ nhạy sáng cao, độ phân giải cao.
• Điện năng tiêu thụ ít, kéo dài thời gian dùng pin.
• Ít bị nhiễu.
• Tốc độ xử lý ảnh chụp cực nhanh.
• Tích hợp nhiều chức năng tương tác trên ảnh chụp.

Với những ưu thế vượt trội của chip cảm biến CMOS thế hệ mới, bạn dễ nhận thấy được dòng máy ảnh, máy quay kỹ thuật số dùng chip CMOS ắt sẽ có nhiều chức năng, cả về khả năng xử lý lẫn tiện ích kèm theo.
Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường, dòng máy dùng chip cảm biến CMOS thường là dòng chuyên nghiệp hay bán chuyên nghiệp, đa số là ở máy quay video (gần đây cũng đã có máy ảnh bán chuyên nghiệp dùng chip CMOS của Canon), nên giá tiền có thể sẽ vượt quá khả năng của người dùng mua máy ảnh phục vụ cho nhu cầu của cá nhân, gia đình. Do vậy, máy ảnh dùng chip CCD vẫn còn chiếm lĩnh thị trường phổ thông trong thời gian trước mắt.