Tìm hiểu cảm biến ảnh (sensor) trên các thiết bị chụp ảnh

Camera trên các smartphone đang dần trở thành chuẩn mực để người dùng và giới công nghệ đem ra so sánh mỗi khi các hãng ra mắt sản phẩm mới, các cải tiến cảm biến ảnh (sensor) liên tục được nâng cấp cả về cấu trúc và độ phân giải. Trong bài viết này mình sẽ viết về một số kiến thức nhiếp ảnh cũng như cảm biến ảnh. Mong bạn đọc bỏ qua nếu có sai sót, mình sẽ liên tục cập nhật thông tin cho bài viết này! 

Đầu tiên, trước khi đi vào phân tích các loại cảm biến mà chúng ta hay nghe đến trên các smartphone thì hãy cùng nhau ôn lại một tí kiến thức nhiếp ảnh về "cảm biến ảnh" nhé.

Cảm biến ảnh là thiết bị có chức năng chuyển đổi tín hiệu hình ảnh thành tín hiệu điện tử thường được tích hợp trong các máy ảnh kỹ thuật số, máy quay kỹ thuật số và nhiều thiết bị ghi hình khác. Các loại cảm biến được sử dụng hiện nay là CCD (semiconductor charge-coupled devices), CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor).

Cảm biến ảnh chính là phần quan trọng nhất của một chiếc máy ảnh và là điểm để các phó nháy quyết định xem có nên mua chiếc máy ảnh đó hay không. Nói đơn giản thì Cảm biến (sensor) chính là linh hồn của một chiếc máy ảnh. Cảm biến ảnh thật chất ra là một tấm silicon chứa các tế bào quang điện giúp thu nhận ánh sáng và chuyển các ánh sáng và hình ảnh thu nhận được thành những tín hiệu điện tử về cả màu sắc và cường độ ánh sáng, tạo nên một bức ảnh như chúng ta thấy bằng mắt thường.

Cấu tạo của một cảm biến ảnh cũng tương tự và gần giống với cấu tạo của mắt người, bao gồm các "linh kiện" được sắp xếp theo một quy định giống nhau. Thứ tự sắp xếp là ống kính để thu nhận hình ảnh về cảm biến, bộ phận lọc màu và chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu số, cuối cùng là tấm nền thu nhận cường độ ánh sáng.

Các yếu tố để khiến một cảm biến có thể cho ra được một bức ảnh đẹp và nét mịn hay không là phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng ánh sáng đi qua ống kính (lens) mà cảm biến thu nhận được ( ống kính (lens) tốt và ống kính (lens) không tốt khác nhau ở khả năng thu nhận ánh sáng này), và còn phụ thuộc vào bộ lọc màu và chuyển đổi tín hiệu, tấm nền cảm quang có nhận được nhiều ánh sáng hay không.

"Cảm biến càng to mới càng tốt", cảm biến càng to thì diện tích thu nhận ánh sáng của các pixel ảnh càng lớn, vì thế chất lượng ảnh mang lại sẽ sáng hơn, mịn hơn và đẹp hơn. Đây chính là lí do mà một số người chơi nhiếp ảnh người ta thường không quá quan tâm quá đến số pixel của cảm biến mà quan tâm hơn đến kích thước, càng nhiều pixel mà cảm biến có diện tích nhỏ thì diện tích mỗi pixel cũng sẽ nhỏ, suy ra lượng ánh sáng thu nhận được sẽ thấp, và chất lượng ảnh sẽ không hoàn hảo. DSLR chuyên nghiệp Canon EOS 1DX là máy có kích thước cảm biến rất lớn (Full-frame) nhưng chỉ có 18.1-Megapixel, tất nhiên chất lượng ảnh từ 1DX là rất tuyệt vời và khó mà chê được điểm nào.

Nói cho cùng, số Megapixel cao cũng không hẳn là không có tác dụng. Các bức ảnh được chụp từ những camera có số Megapixel lớn thì chất lượng ảnh sẽ chi tiết hơn khi zoom vào.


CCD và CMOS


Ngày nay, hầu hết các máy ảnh đều sử dụng một trong hai loại cảm biến là CCD và CMOS. Cả CCD và CMOS đều thực hiện một nhiệm vụ giống nhau: biến các tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện tử.

CCD là một trong những công nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn. Hiện nay, CCD vẫn được sử dụng nhiều trong các mẫu máy ảnh du lịch giá rẻ, song quá trình lắp ráp khó khăn và điện năng tiêu thụ quá nhiều của CCD đã dẫn tới sự thống trị của CMOS.

Trên CCD, thông tin trên mỗi hàng điểm ảnh sẽ được đổ xuống một rãnh tín hiệu đầu ra, khá là mất thời gian xử lí thông tin. Sau này thì nhà sản xuất có cải tiến thêm một số chi tiết nhỏ để cải thiện được tốc độ xử lí nhằm tiết kiệm điện năng. Ưu điểm của CMOS là cho kích thước nhỏ gọn (do không phải tốn diện tích cho rãnh truyền thông tin), khả năng xử lí nhanh và nhạy sáng tốt. Nhược điểm cảm biến này vào đời đầu là cực nhiễu, nhưng sau này đã được cải tiến và đỡ nhiều rồi. Giá thành sản xuất cũng rẻ hơn nữa.

Trong lịch sử, cảm biến CMOS luôn được cho là có chất lượng ảnh chụp thấp hơn so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD. Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn nhiều hơn CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và có tốc độ chụp nhanh hơn CCD.

Các công ty lớn trong lĩnh vực sản xuất Sensor bao gồm: Canon, Nikon, Fujifilm, Samsung, Sony và còn rất nhiều hãng khác.

Cảm biến FI và BI (BSI)

CMOS BI (BSI) Back-illuminated Sensor hay Backside Illumination Sensor.

Bộ cảm biến này được giới thiệu đầu tiên năm 2007 do Omni Vision (hãng cung cấp cảm biến cho hệ thống J1, V1 của Nikon) và gọi là BI. Tuy nhiên lúc này không ai sử dụng cảm biến này cả vì giá của cảm biến BSI quá cao so với cảm biến CCD và CMOS.

Năm 2009 lấy ý tưởng từ hệ thống TV của mình, Sony thay đổi một số thành phần hoá chất và kết cấu từ bản mẫu BI của Omni Vision. Cảm biến chiếu sáng sau lần đầu tiên được đưa vào thực dụng và gọi là BSI-CMOS. Sony cũng đăng ký bằng sáng chế cho công nghệ mới này và gọi loạt cảm biến sản xuất cho hệ thống máy ảnh Sony là Exmor-R. Công nghệ mới này đem lại hiệu quả thu ánh sáng gấp đôi so với cảm biến BI ban đầu của OmniVision và giá thành chỉ đắt hơn CMOS thông thường một chút. Những máy DSLR đầu tiên áp dụng cảm biến này là D90 (Nikon) và A500 (Sony).

Sau đó, do tính hiệu quả nên tất cả các hãng đều mua lại công nghệ này, trong đó có Canon và Fujifilm mua lại và tự nghiên cứu sản xuất riêng, đặc biệt là Canon (Fuji thì hạn chế thông tin nên không tìm kiếm được chi tiết).

Về sau này Fuji thay đổi lại một số kết cấu cho phù hợp với màu sắc của mình, bỏ lớp lọc AA và gọi là X-trans. Loại cảm biến này rất sắc nét do bỏ lớp lọc, nhưng cũng dẫn đến nhiều lỗi màu và phân tách vùng DR. Hiện nay tới máy mới nhất vẫn chưa thể khắc phục được hoàn toàn, nhưng trong tương lai chắc chắn sẽ rất tốt.

Nikon và Panasonic thì về cơ bản vẫn sử dụng cảm biến của Sony (hoặc cùng công nghệ nhưng do hãng phối hợp như Toshiba hoặc các hãng khác sản xuất). Mỗi hãng có một yêu cầu riêng phù hợp với "chất ảnh" của mình. Tuy nhiên do có khác biệt về màu sắc nên mỗi hãng đều đặt tên riêng.



Tháng 1 năm 2012, Sony đăng ký sáng chế và giới thiệu công nghệ tích hợp với khả năng cải thiện 30% so với BSI và Exmor R. Và gọi là Exmor RS, các sản phẩm đầu tiên sử dụng công nghệ Exmor RS được ra mắt vào cuối 2013.

Nói tóm lại, hiện nay hầu như tất cả các máy ảnh vẫn đang dùng cùng công nghệ. Nếu có sản phẩm nào tốt nhất thì đó là Sony vì họ nắm rõ nhất công nghệ này. Tuy nhiên như vậy cũng không hẳn đúng, vì mỗi hãng đều có sự thay đổi cho phù hợp. Mình nghĩ bạn thích màu hãng nào thì dùng hãng đó sẽ hợp lý hơn.

Hầu hết các thiết bị có khả năng ghi hình hoặc chụp ảnh nhỏ như smartphone hiện nay đều sử dụng cảm biến CMOS vì độ nhỏ gọn, ít tiêu thụ điện năng và giá thành hợp lí. Nhưng việc sử dụng CMOS lại gặp một hạn chế. Vì việc tích hợp vào thiết bị cầm tay nhỏ gọn nên kích thước cảm biến CMOS trên các sản phẩm là rất nhỏ, chính vì thế chất lượng ảnh lại là trở ngại lớn, cảm biến quá nhỏ khiến chất lượng ảnh chụp trong điều kiện thiếu sáng hay ánh sáng phức tạp là cực kì hạn chế...

Đối với cảm biến CMOS FI (Front-illuminated Sensor) truyền thống, việc tích hợp bộ xử lí chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện tử gây trở ngại trong quá trình hấp thụ ánh sáng của tấm nền cảm quang, ánh sáng đến được tấm nền này thường là bị suy giảm khá nhiều so với ánh sáng gốc (các cảm biến trên máy ảnh thì ảnh hưởng là không lớn, vì diện tích cảm biến quá to). Và để khắc phục vấn đề này, nhà sản xuất đã đề ra một giải pháp nghe đơn giản, nhưng cực kì thông minh.

Nếu như cảm biến CMOS FI sẽ có một lớp điện môi xử lí tín hiệu phía trước tấm nền cảm quang, thì cảm biến BI sẽ có tấm nền cảm quang phía trước lớp điện môi xử lí tín hiệu. Việc đưa tấm nền lên phía trước sẽ giúp cảm biến thu nhận ánh sáng nhiều hơn đáng kể, hiệu suất tăng từ 60%-90%. Và khi mà độ thu nhận ánh sáng tăng vọt như thế, nhà sản xuất có thể thu nhỏ diện tích của cảm biến CMOS BI mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh tương đương với cảm biến CMOS FI diện tích lớn hơn.

Ngoài ra, việc đưa lớp điện môi tích hợp bộ xử lí tín hiệu về sau tuy có thể gây ra một số vấn đề như nhiễu tín hiệu, nhiễu màu nhưng vấn đề này có thể xử lí được khi tăng thêm số lớp điện môi xử lí lên mà không lo lắng gây ảnh hưởng đến khả năng thu nhận ánh sáng của cảm biến đồng thời hạn chế hiện tượng khúc xạ giữa các điểm ảnh lân cận.


Nếu xét về hiệu suất làm việc, cảm biến BSI cho ảnh ở các điều kiện thiếu sáng chất lượng vượt trội so với công nghệ FI trước đó. Tuy nhiên, trong một số ảnh chụp ánh sáng thông thường, chất lượng ảnh lại thấy có độ cháy hình hơi quá so với thông thường (cái này có thể điều chỉnh EV được).


Một số vấn đề của cảm biến BSI

Một câu hỏi được đặt ra, tại sao công nghệ BSI vượt trội như vậy nhưng các máy ảnh lại không trang bị nó? - Câu trả lời rằng thực chất BSI giải quyết vấn đề cho các thiết bị di động là chính chứ không phải cho toàn thể sản phẩm nhiếp ảnh. Các máy ảnh PnS hay DSLR đều có kích thước cảm biến rất lớn, và họ thường chọn cảm biến CCD hay CMOS FI làm việc vì chúng vẫn cho ảnh có chất lượng rất tuyệt hảo với màu sắc và cường độ sáng cân bằng, trong khi BSI lại thường bị cháy sáng khi chụp ở điều kiện thông thường. BSI chỉ phù hợp với cảm biến trên smartphone vì có diện tích rất nhỏ.

Tại sao BSI tuyệt vời vậy mà không phổ biến rộng rãi cho toàn thể các thiết bị di động? - Tuy rõ ràng là công nghệ này không hề mới, vì nó đã ra đời từ năm 2007, nhưng nếu xét đến công nghệ và giá thành thì cảm biến CMOS BSI vẫn rất khó sản xuất và có giá rất cao; công nghệ này là do Sony nắm quyền, lí do tại sao hắn là nhà phân phối cảm biến cho hầu hết điện thoại cấp cao.

Thế cảm biến BSI nào cũng chụp đẹp như nhau phải không?
- Câu hỏi trên đã kèm câu trả lời và câu trả lời lại có 2 vế. Một đúng và một sai. Đúng ở phần vì hầu hết các cảm biến BSI là do Sony sản xuất, nên hiển nhiên chất lượng của các tấm ảnh cho ra là tương đồng nhau, bạn có thể thấy khi so sánh các mẫu như iPhone 4S, HTC One X, Samsung Galaxy S III thì ảnh có chất lượng khá gần nhau.
- Nhưng tại sao lại sai ? Vì phần mềm can thiệp ảnh là một phần, tinh chỉnh phần mềm xử lí là một phần khác. Bạn sẽ thấy ảnh của iPhone khác ảnh của HTC hay Samsung, lí do là việc cân bằng trắng, cường độ sáng và EV của mỗi hàng là khác nhau. Vì thế nói cảm biến BSI cho ảnh đẹp như nhau là không hoàn toàn chính xác.

iSight Camera

"iSight" là từ hay được Apple dùng để mô tả cụm camera trên chiếc iPhone, iPad hoặc iPod touch của họ. Về cơ bản đây vẫn chỉ là một camera CMOS BSI do Sony cung cấp. Nhưng Apple đã tuỳ biến lại cảm biến này. Theo như Apple, iSight Camera có kích thước nhỏ hơn các cảm biến ảnh khác của đối thủ 25% nhưng vẫn đem lại chất lượng ảnh có phần tương đương hoặc nhỉnh hơn.