Các loại cảm biến của máy ảnh

Tương tự mắt người, trên cảm biến của máy ảnh có những đơn vị rất nhỏ thu sáng rất nhạy, gọi là photodiode (diode tách sóng quang). Những photodiode này chỉ nhạy với một màu duy nhất :

• Đỏ (R)
• Xanh lá cây (G)
• Nước biển (B)

Đây cũng là biểu đồ RGB rất quen thuộc được sử dụng cho màn hình TV (kinh điển)



Vậy, giữa một photodiode và một diểm ảnh (pixel) có gì khác nhau ? Có nhiều sự nhầm lẫn trong vấn đề này và một số người không phân biệt được giữa hai thứ ấy. Bản thân người viết bài này thích nghĩ về định nghĩa sau đây hơn: Một điểm ảnh có thể được tính toán dựa trên dữ liệu thu nhận được bởi ba photodiode hoặc nhiều hơn (R + B + G +…). Thử xem xét giải thích sau đây để hiểu thêm chi tiết :

Loại cảm biến “Bayer”

Cảm biến Bayer hiện đang là loại phổ biến nhất. Cảm biến “Bayer” được thiết kế bởi các cụm 4 photodiode chồng khít nhau. 
Mỗi cụm gồm 2 photodiode nhạy sáng với xanh lá cây, 1 đỏ - và một xanh nước biển (các photodiode được xác định như là những bộ lọc màu). 
Một điểm ảnh đơn “được xử lý theo kiểu Bayer” là căn cứ trên những dữ liệu RGB thu thập từ bốn photodiode. 
Vậy kiểu xử lý đó là gì ? Nhìn vào minh hoạ bên dưới người ta có thể để ý thấy là 2 photodiode bên phải của điểm ảnh #1 được chia sẻ với điểm ảnh #2. Vì thế sẽ có một dư lượng nhất định trong hệ thống. Vậy, người ta có thể xử lý theo cách Bayer này với 6 triệu pixel ((xmax-1) * (ymax-1)) từ 6 triệu photodiode chẳng hạn, song độ phân giải hữu dụng thu được thực ra sẽ vẫn hơi thấp hơn một chút.


Mới đây xuất hiện một ít biến đổi về đề tài này:
Hãng Sony thay thế một trong 2 photodiode xanh lá cây của cụm 4-diode bằng một photodiode mới lọc màu ngọc lục bảo (do đó trở thành RGBE). Như đã xuất hiện trên thị trường máy in phun với ý tưởng cải thiện độ chính xác của màu sắc và căn cứ vào những đánh giá đầu tiên, phương pháp mới này có vẻ tiến triển rất tốt.


Một thay đổi đáng quan tâm khác đã được hãng Fuji phát triển :
Các máy ảnh kỹ thuật số phổ biến hiện nay vẫn đang phải chịu hạn chế năng lực ghi nhận ở một mức độ nhất định (giữa màu đen tuyền và màu trắng sáng) kết quả là bị giới hạn khả năng giải quyết các chi tiết nằm trong bóng tối hoặc ngoài chỗ quá sáng.

Hãng Fuji đã tìm ra một giải pháp cho vấn đề này bằng cách thêm vào một vùng phụ (nhỏ hơn) cho một photodiode có độ nhạy sáng thấp hơn. Thủ thuật này được cho là tăng thêm 2nấc trị giá thời chụp ở photodiode phụ so với photodiode thông thường.



Nhìn vào minh hoạ dưới đây người ta cũng có thể quan sát thấy có một khác biệt nữa so với thiết kế cổ điển – các photodiode với hình tám cạnh theo kiểu tổ ong dẫn đến một mật độ bố trí cao hơn do các photodiode xếp ở hai hàng lân cận một chút. Nhờ thiết kế đặc biệt này mà máy ảnh Fuji S3 Pro đạt đến 12 pixel dựa trên các photodiodes 6 triệu. Trong khi điều này có thể hơi lạc quan đôi chút, thiết kế “Super CCD” có vẻ thực sự vượt trội hơn về độ phân giải hữu dụng so với cảm biến Bayer có cùng số lượng photodiode.


Hình tiếp theo minh hoạ cấu trúc hàng dọc của cảm biến Fuji Super CCD( HR) – ngoài phong cách thiết kế của Fuji và hình thức của photodiode, việc sắp thành lớp là điển hình đối với các cảm biến (bao gồm ca Foveon) được sử dụng cho dòng máy D-SLR. Lớp ở bề mặt được làm thêm các lăng kính siêu nhỏ. Tại sao lại như vậy ? Các photodiode vốn đều hơi lõm và nếu các tia sáng không chiếu vuông góc với photodiode, và đó là điểm đặc trưng của các mép điểm ảnh, thì chúng sẽ tạo ra những bóng mờ khi ở mức độ lộ sáng là thấp hơn. (hình ảnh không rõ nét khi chụp ở môi trường ánh sáng kém).
Khi xét ở mức cực nhỏ, sự phơi sáng có thể không đều từ trung tâm ra đến ngoài mép. Các lăng kính siêu nhỏ đã được dùng để hiệu chỉnh khuyết điểm ấy (và mới đây, các nhà sản xuất đã bắt đầu điều chỉnh các thiết kế ống kính của mình để khắc phục vấn đề này).
Lớp thứ hai chứa đựng các photodiode như đã mô tả ở trên, trong khi lớp thứ ba tập trung vào việc truyền dẫn các dữ liệu thực.

Cảm biến Foveon

Như đã đề cập ở trên, các cảm biến kiểu Bayer, với mức lợi nhuận khủng, là cảm biến thông dụng hiện nay, nhưng vẫn có một công ty nhỏ đang cạnh tranh với đại gia ấy, đó là “Foveon”. Foveon có được lợi thế nhờ một thành công nổi tiếng đối với những người chụp ảnh Trắng Đen: Dùng bộ lọc thì chỉ ngăn chặn được một màu duy nhất trong khi các màu khác vẫn không hề hấn gì. Vì thế người ta sắp xếp ba lớp gương trong suốt bán phần của photodiode lại với nhau thay vì rải chúng ra như bên trong các cảm biến Bayer.



Phương pháp này có một số lợi điểm và một ít khiếm khuyết. Ở mặt tích cực, ta có thể thấy là với điểm ảnh đơn/một vị trí sản sinh ra một màu “thật” và thông tin về độ sáng – chẳng cần phải thêm thắt gì và đúng như vậy, các hình ảnh có xu hướng hơi sắc nét hơn so với các cảm biến Bayer thông thường có cùng độ phân giải. Đồng thời cũng có một tác dụng phụ tốt, các photodiode cũng có thể có kích thước lớn hơn (gấp 3 lần) nhờ đó mà cảm biến ít gây nhiễu hơn – Điều này mới là KHẢ NĂNG CÓ THỂ chứ hiện tại thì vẫn chưa xảy đến.
Về mặt tiêu cực, người ta cần NHIỀU (gấp 3) điểm ảnh hơn nữa mới đạt được chất lượng như cảm biến Bayer. Cảm biênS Sigma SD10 có 10.2 triệu photodiode – như vậy là nhiều hơn so với Canon EOS 10D hoặc Nikon D100 chỉ có các photodiode 6 triệu, và gần như tương đương với một máy Canon EOS 1Ds với 11 triệu photodiode. Tuy nhiên, do cách bố trí các điểm ảnh ấy mà độ phân giải hữu dụng kỳ thực chỉ ở mức 3.4 triệu.pixel (10.2 triệu./3 lớp) và như vậy thì chẳng mấy ấn tượng khi nhìn với góc độ của các cảm biến Bayer ngày nay.
Vì thế, trong khi giải pháp của Foveon có tiềm năng hơn về lâu về dài, thì người ta đang gặp phải vấn đề về trong tiếp thị như hiện nay – một máy Canon EOS 10D 6 megapixel nghe có vẫn vẻ gợi hứng hơn một máy Sigma SD10 với 3.4 megapixel có giá tương tự.