Tìm hiểu cảm biến ảnh của máy ảnh

Giữa một photodiode và một điểm ảnh (pixel) có gì khác nhau ? Có nhiều sự nhầm lẫn trong vấn đề này khi không phân biệt chúng. Một điểm ảnh có thể được tính toán dựa trên dữ liệu thu nhận được bởi ba photodiode (Đỏ (R)+ Xanh lá cây (G) + Nước biển (B)) hoặc nhiều hơn (R + B + G +…). Thử xem xét giải thích sau đây để hiểu thêm chi tiết.

Loại cảm biến “Bayer Filter”
Phát minh vĩ đại của Bryce Bayer từ năm 1976 được dùng trong hầu hết máy ảnh số, máy quay phim và camera điện thoại trong thị trường trước nay. Cảm biến nội suy Bayer là loại phổ biến. Cảm biến “nội suy Bayer” được thiết kế (chồng khít) thành các cụm 4 photodiode. Mỗi cụm dựa trên photodiode nhạy sáng gồm 2 xanh lá cây, 1 đỏ và một xanh nước biển (được xác định là những photodiode với bộ lọc màu). Một điểm ảnh đơn có thể được “nội suy Bayer” căn cứ trên dữ liệu từ bốn photodiode (thu thập thông tin RGB cần thiết). Bản chất kiểu mội suy này là gì ? Nhìn vào minh hoạ bên dưới đây 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 có một dư lượng nhất định trong cả cụm hệ thống.

Hãng Sony biến đổi một ít khi họ thay thế một trong hai photodiode xanh lá cây của cụm 4-diode bằng một photodiode mới có một bộ lọc màu ngọc lục bảo (do đó mà thành RGBE).

​

Hãng Fuji đã có một thay đổi rất đáng quan tâm. Các máy ảnh kỹ thuật số phổ biến vẫn chịu hạn chế công năng ở một mức độ nhất định (làm sao giữ chi tiết ảnh ở khu vực màu đen tuyền và màu trắng sáng), là giới hạn khả năng giải quyết các chi tiết trong vùng tối hoặc ngoài vùng 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 với nguồn sáng thấp hơn. Thủ thuật này được cho là tăng thêm 2stops phụ cho photodiode 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 có một hình tám cạnh theo kiểu tổ ong dẫn đến một mật độ bố trí cao hơn do các photodiode ở hai hàng lân cận có thể gối lên nhau một chút. Thiết kế được gọi là “Super CCD” này 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 cả Foveon) được sử dụng cho dòng máy DSLR.

• Lớp ở bề mặt được làm bằng các lăng kính siêu nhỏ. Tại sao lại như vậy ? Các photodiode đều hơi lõm và nếu các tia sáng không chiếu vuông góc với photodiode, và đó là điểm đặc trưng của các mép ảnh, chúng tạo ra những bóng mờ trong một số hoàn cảnh ánh sáng thấp. Khi chụp cận cảnh, sự phơi sáng có thể không đều từ trung tâm ra đến ngoài mép. Các lăng kính siêu nhỏ được dùng để hiệu chỉnh khuyết điểm ấy. Song song đó là các hãng cũng điều chỉnh các thiết kế hệ thấu kính trong ống kính của họ để khắc phục vấn đề này.
• Lớp thứ hai chứa đựng các photodiode như đã mô tả ở trên, trong khi lớp thứ ba chỉ tập trung vào việc truyền dẫn các dữ liệu.

Cảm biến Foveon
Foreon là tên một công ty điện tử tại Mỹ, tiên phong trong các thiết kế vi mạch bán dẫn. Foveon có được lợi thế nhờ một thành công nổi tiếng đối với những người chụp ảnh Trắng Đen (cũng như các thợ lặn với bình khí nén) : Dùng bộ lọc thì chỉ ngăn chặn được một màu duy nhất trong khi các màu khác vẫn y nguyên. 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 số khiếm khuyết. Ở mặt tích cực, ta có thể thấy là điểm ảnh tại một vị trí sản sinh ra một màu “thật” và thông tin về độ sáng, các hình ảnh có đội sắc nét tốt hơn so với các cảm biến Bayer thông thường có cùng độ phân giải. Hơn nữa, các photodiode cũng có thể làm lớn hơn (gấp 3 lần) để nhờ đó mà cảm biến tái tạo hình ảnh ít bị nhiễu hạt hơn, đó chỉ là lý thuyết vì giá thành thực hiện sẽ tốn kém rất nhiều.

Nhưng, để có số lượng điểm ảnh nhiều bằng cấu trúc bayer, phải cần nhiều (gấp 3 lần) điểm ảnh mới đạt được như cảm biến Bayer. Chẳng hạn cảm biến Sigma SD10 có các photodiode 10.2 mio – như vậy là nhiều so với Canon EOS 10D hoặc Nikon D100 chỉ có các photodiode 6 mio., và gần như tương đương với một máy Canon EOS 1Ds với các photodiode 11mio. Tuy nhiên, phụ thuộc cách bố trí các điểm ảnh ấy mà độ phân giải hữu dụng kỳ thực chỉ ở mức 3.4 mio.pixel (10.2 mio./3 lớp).

Vì thế, trong khi giải pháp của Foveon vẫn đang là tiềm năng về lâu về dài, nhưng lợi nhuận kinh doanh và trào lưu quảng cáo như hiện nay chạy theo "chấm" – người ta dễ dàng chọn một máy nhiều số megapixel hơn. Thị trường hiện tại có dòng máy Sigma đã được khá nhiều người biết chất lượng cảm biến của nó và say mê với chất lượng ảnh của chúng.