Khám phá hiểu về cảm biến máy ảnh

Cảm biến máy ảnh được coi là linh hồn của một chiếc máy ảnh. Nhưng liệu bạn đã biết cảm biến máy ảnh là gì? Có bao nhiêu loại cảm biến máy ảnh, các kích thước cảm biến máy ảnh phổ biến hiện nay và nên sử dụng loại nào?

Cảm biến máy ảnh là gì?

Cảm biến máy ảnh là phần phụ kiện quan trọng và có giá trị đắt nhất trong một chiếc máy ảnh, chi phí để sản xuất được cảm biến máy ảnh đôi khi chiếm 1/3 giá trị camera. Cảm biến sẽ quyết định rất nhiều điều về những chức năng của máy ảnh như:

• Khả năng chụp thiếu sáng
• Độ phân giải
• Kích cỡ ảnh
• Dải nhạy sáng
• Độ sâu trường ảnh
• Ống kính
• Kích thước máy ảnh
• …

Cảm biến máy ảnh có hình dạng như một tấm silicon trong đó chứa các tế bào quang điện, bộ phận này sẽ chịu trách nhiệm thu nhận ánh sáng và chuyển đổi những gì mắt người nhìn thấy qua kính ngắm hoặc màn hình LCD sang hình ảnh.

Các bạn có thể coi các điểm ảnh trên cảm biến máy ảnh giống như những “chiếc xô nhỏ”, thay vì hứng nước sẽ là hứng ánh sáng, sau đó xác định chất lượng hình ảnh và ghi lại chính xác màu sắc, độ tương phản và ánh sáng. Tiếp theo, bộ xử lý sẽ chuyển đổi dữ liệu thành các hình ảnh và lưu lại trong thẻ nhớ. Chất lượng ảnh sẽ còn phụ thuộc vào một số yếu tố nhưng sẽ dao động từ 16MP đến 102MP.

Cảm biến của máy ảnh quyết định về chất lượng của bức ảnh cao hay thấp, bức ảnh đẹp hay xấu và cả kích cỡ tối đa mà bạn có thể in bức ảnh ra. Chất lượng hình ảnh ngoài phụ thuộc vào kích cỡ vật lý của cảm biến mà còn liên quan đến số lượng pixel (điểm nhạy sáng có trên mặt của cảm biến) và kích cỡ của các pixel này. Ngoài ra, kích cỡ cảm biến cũng sẽ ảnh hưởng đến những gì bạn sẽ nhìn được qua kính ngắm, các cảm biến nhỏ thường thu được ít cảnh hơn so với cảm biến toàn khung hình.

Các loại cảm biến máy ảnh

Ở phần trên chúng mình đã giải thích khái niệm, chức năng sensor máy ảnh là gì. Phần này chúng tôi sẽ giới thiệu tới bạn đọc các loại cảm biến máy ảnh hiện nay được phân loại theo cơ chế hoạt động.

1. Cảm biến BSI/BI

Đây là một mẫu cảm biến nhỏ mà bạn sẽ thường gặp trên các thiết bị di động nhiều hơn là máy ảnh. Bởi ở thị trường máy ảnh các tính năng cùng mức giá của cảm biến BSI/BI không thể cạnh tranh được với các mẫu cảm biến tốt hơn nên rất ít máy ảnh sử dụng cảm biến này. Bộ cảm biến máy ảnh BSI/BI được Omni ra mắt lần đầu tiên vào năm 2007, nhưng không được đón nhận bởi mức giá quá cao mà khi chụp trong điều kiện ánh sáng thông thường vẫn bị hiện tượng cháy sáng.

Loại cảm biến này sẽ cho ra hình ảnh vô cùng sắc nét nếu loại bỏ phần lớp lọc AA, nhưng vẫn dính hiện tượng lỗi màu và phân tách vùng DR. Tuy nhiên, nếu so với cảm biến CMOS Fi thì, cảm biến BSI/BI cho hiệu quả cao hơn khi chụp ở điều kiện thiếu sáng.

Một số máy ảnh sử dụng cảm biến BSI/BI:

• Nikon Coolpix L610
• Sony Cyber-shot RX1R II
• Sony DSC-RX100
• …

2. Cảm biến CCD

Là một trong những sensor camera ra đời sớm nhất mà vẫn còn được sử dụng ở thời điểm hiện tại. Vào thời điểm mới ra mắt, cảm biến CCD luôn là sự lựa chọn hàng đầu của các hãng máy ảnh bởi sở hữu dải nhạy sáng và kiểm soát tiếng ồn, nhiễu tốt và cho chất lượng ảnh chụp vượt trội so với những mẫu cảm biến thời đó. Tốc độ xử lý CCD rơi vào khoảng 30 khung hình/giây.

Tuy CCD là mẫu cảm biến thông dụng trên thị trường nhưng lại không được đánh giá quá cao bởi quá trình lắp ráp khó khăn cùng điện năng tiêu thụ quá nhiều. Bên trong cảm biến máy ảnh CCD có một vùng quang hoạt – lớp epitaxy của silicon. Mỗi mảng nhỏ của vùng này phản ứng với ánh sáng và chuyển đổi cường độ vào một tín hiệu điện cho phép CCD chuyển ánh sáng tập trung vào nó để tạo thành một ma trận các cường độ ánh sáng, cùng với bộ phim màu để lọc ánh sáng thành màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh (sử dụng một mô hình Bayer). Nhân tố quan trọng nhất trong quá trình chuyển đổi này là photodiode (là một loại diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện) và các mạch hỗ trợ. Cơ chế xử lý của CCD là thông tin trên mỗi hàng điểm ảnh sẽ được đưa xuống một rãnh tín hiệu đầu ra nên tốn rất nhiều thời gian và điện năng để xử lý, các phần rãnh đó lại còn chiếm không gian khiến hiệu suất thu nhận ánh sáng giảm đi đáng kể.

Một số máy ảnh sử dụng cảm biến CCD:

• Samsung WB110
• Canon Powershot SX400IS
• Fujifilm FinePix S4500
• Panasonic DMC-SZ8
• Olympus Mju-7050
• …

3. Cảm biến CMOS

Cảm biến CMOS là một trong những cảm biến máy ảnh phổ biến nhất hiện nay, đã từng xếp sau cảm biến CCD về chất lượng nhưng bằng tân tiến của công nghệ hiện đại, CMOS đã vượt qua đối thủ của mình. Vào thời điểm mới ra mắt, những hình ảnh mà cảm biến CMOS cho ra bị nhiễu hạt cao, để cải thiện điều này các thế hệ sau đã được trang bị vi thấu kính bắt sáng chính xác và đọc 2 lần điểm ảnh theo thứ tự đọc giá trị bắt sáng trước rồi đến giá trị của mạch hỗ trợ. CMOS sở hữu kích thước nhỏ gọn nên sẽ cần mất nhiều diện tích cho rãnh truyền thông tin vì quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện qua linh kiện bán dẫn transistor và hệ thống dây dẫn.

Với nhiều chức năng được tích hợp sẵn, cảm biến CMOS có khả năng xử lý nhanh hơn và nhạy sáng tốt, ít nhiễu và tiêu thụ ít điện năng hơn (chỉ bằng 1/5 hoặc 1/10 cảm biến CCD) phù hợp với việc chụp ở tốc độ cao và giá thành cũng thấp hơn so với cảm biến CCD.

Một số máy ảnh được trang bị cảm biến CMOS:

• Sony A6000
• Nikon D7100
• Fujifilm X70
• Canon EOS 5DS
• Canon EOS 5DS R
• Phase One XF 100MP

4. Cảm biến LiveMOS

Cảm biến LiveMOS là sự dung hòa hoàn hảo của hai cảm biến máy ảnh CCD và CMOS. Cảm biến LiveMOS có mức độ tiêu thụ điện năng thấp, tiếng ồn được giảm một cách đáng kể và cho ra chất lượng hình ảnh có độ phân giải cao.

Cảm biến LiveMOS sử dụng một hệ thống điều khiển mới mà theo đó các tín hiệu hình ảnh được gửi ra một điểm ảnh tại cùng thời điểm. Phần mạch đơn giản giúp giảm khoảng cách từ mỗi photodiode và tăng diện tích tiếp nhận ánh sáng. Cấu trúc mạch đơn giản cũng góp phần xử lý thông tin nhanh hơn. Ổ đĩa 5-V cũng được trang bị để giảm tiếng ồn. Cảm biến này cũng sẽ giúp bạn có thể chụp tốt trong môi trường ánh sáng yếu. LiveMos cũng sử dụng công nghệ tín hiệu mạch readout cùng với kiến trúc mạch điều khiển điểm ảnh, không những cho phép sử dụng điện áp thấp mà còn cắt giảm điện năng tiêu thụ. Tất cả những điều này giúp chất lượng ảnh mà cảm biến đưa ra có màu sắc tự nhiên mượt mà hơn.

Một số máy ảnh trang bị cảm biến LiveMos:

• Panasonic Lumix DMC-GF5
• Lumix DMC-GX8
• Lumix DMC-GF5
• …

5. Cảm biến Foveon X3

Hệ thống cảm biến Foveon X3 không đi kèm với mảng lọc Bayer nên sẽ không yêu cầu demosiacing để có thể sản xuất hình ảnh nên nó có nhiều lợi thế và tạo ra các bức ảnh có độ phân giải cao hơn nhiều.

Cảm biến Foveon X3 sẽ sử dụng một loại các photosite (các điểm nhạy sáng), mỗi nhóm trong số đó bao gồm ba điểm nhạy sáng xếp chồng lên nhau theo chiều dọc và được tổ chức theo kiểu một lưới hai chiều. Mỗi điểm trong số ba điểm nhạy sáng sẽ phản ứng với các bước sóng khác nhau của ánh sáng xuyên qua silicon tạo ra một độ sâu khác nhau. Các tín hiệu từ các điểm nhạy sáng sau đó được xử lý, kết quả là dữ liệu cung cấp số liệu của ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh dương.

Các cảm biến Foveon X3 thường sẽ được sử dụng trong các máy ảnh compact và máy ảnh như:

• Sigma DP0
• Sigma DP2s
• …

6. Cảm biến CMOS FI

Cuối cùng trong danh sách này sẽ là cảm biến máy ảnh CMOS FI (Front-illuminated Sensor) truyền thống, quá trình hấp thụ ánh sáng của tấm nền cảm quang không hiệu quả do lượng ánh sáng đã hao hụt khá nhiều bởi bộ xử lý chuyển tín hiệu quang học sang tín hiệu điện tử. Các nhà phát triển đã cải thiện vấn đề này bằng cách đặt lên một lớp điện môi xử lý tín hiệu đặt ở phía trước tấm nền cảm quang để tăng hiệu suất thu nhận ánh sáng, nhưng điều đó vẫn là chưa đủ để giúp cảm biến CMOS FI có thể chiếm được cảm tình của người sử dụng hiện nay.

Kích thước cảm biến máy ảnh

Bên cạnh việc phân loại sensor máy ảnh theo cơ chế hoạt động, cảm biến máy ảnh còn được chia thành 9 loại theo kích thước. Các kích thước cảm biến máy ảnh phổ biến nhất hiện nay là Full-frame, APS-C và Micro Four Thirds.

1. Cảm biến 1/2.3 inch (6.3 x 4.7mm)

Phổ biến nhất một thời và cũng có có kích thước nhỏ nhất, cảm biến máy ảnh 1/2.3 inch (6.3 x 4.7mm) có thể được sử dụng không chỉ trên các mẫu máy ảnh point-n-shoot, máy ảnh siêu zoom, mà còn được dùng trên điện thoại. Cảm biến này sẽ hỗ trợ độ phân giải từ 16-24MP và kích thước ảnh sẽ ở mức 6.3mm x 4.7mm.

Cảm biến 1/2.3 inch từng có thời điểm rất phổ biến trên các mẫu máy ảnh. Tuy nhiên, với nhu cầu cần những cảm biến có kích thước lớn hơn nên mẫu cảm biến nhỏ gọn này đang dần bị lãng quên. Nhưng với kích thước nhỏ gọn của chúng cho phép các nhà sản xuất tạo ra được những chiếc máy ảnh có thiết kế rất nhỏ gọn với ống kính dài như Panasonic ZS70/TZ90 hay Canon PowerShot SX730 HS.

Trong điều kiện ánh sáng tốt, những chiếc máy ảnh sử dụng cảm biến này sẽ đem đến những hình ảnh có chất lượng ổn định nhưng khi chụp ở điều kiện thiếu sáng thì bức ảnh cho ra sẽ bị nhiễu hạt và rất mờ.

2. Cảm biến 1/1.7 inch (7.6mm x 5.7mm)

To hơn đôi chút so với cảm biến 1/2.3 inch, chúng ta sẽ đến với cảm biến 1/1.7 inch với kích thước 7.6mm x 5.7mm, cảm biến này sẽ giúp việc tách đối tượng khỏi nền khá dễ dàng và mang đến hiệu suất tốt hơn so với cảm biến máy ảnh 1/2.3 inch khi chụp trong điều kiện chụp thiếu sáng.

Trong quá khứ, n