• Thứ Sáu, 03/09/2004 10:48 (GMT+7)

    Cảm biến ảnh: Tinh tế ghi lại từng khoảnh khắc

    Cửa sổ tâm hồn" của thiết bị điện tử, cảm biến ảnh, ngày càng tăng mật độ, thu nhỏ kích thước, phản ứng nhanh nhạy và được chế tạo rẻ hơn. Khoảng cách trong khả năng ghi nhận giữa cảm biến ảnh và phim truyền thống đang dần bị xoá mờ.

    Chức năng ghi nhận hình ảnh của bộ cảm biến không chỉ được ứng dụng trong máy ảnh số như mọi người vẫn nghĩ. Nhìn rộng hơn, bộ cảm biến hình ảnh đã trở thành phần tất yếu trong hầu hết thiết bị có chức năng ghi hình. Bạn sẽ nghe nhắc đến bộ cảm biến trong máy quay phim, camera an ninh, kính hiển vi số, thiết bị hội nghị truyền hình và trong cả những thiết bị điện tử làm việc cá nhân như PDA, điện thoại di động... Đặc biệt, xu thế tích hợp máy chụp hình vào điện thoại di động phát triển mạnh đang kích thích ngành công nghiệp sản xuất cảm biến hình ảnh phát triển nhưng cũng đòi hỏi cao về yếu tố kích thước, chất lượng.

    Dựa trên bộ cảm biến ảnh, nhiều giải pháp ứng dụng thiết thực giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cũng đã được các nhà khoa học đưa ra. Công ty Micron (www.micron.com) trang bị bộ cảm biến ảnh trên ôtô để xác định trọng lượng của khách ngồi, cung cấp thông tin để hệ thống an toàn của xe tự động điều chỉnh lực bung của túi khí. Trong y khoa, cảm biến hình ảnh được dùng trong thiết bị nội soi hoặc camera con nhộng để quan sát sâu bên trong cơ thể người. Bộ cảm biến ảnh tốc độ cao còn giúp các nhà khoa học quan sát dễ dàng hơn những hành động diễn ra quá nhanh mà mắt người không ghi lại được.

    Cấu thành từ tế bào cảm quang (photodiode), chip cảm biến ảnh đang được sản xuất chủ yếu dựa trên công nghệ vi mạch là CCD (charge coupled device) và CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Chức năng chính của điểm cảm biến ảnh là chuyển đổi định lượng năng lượng ánh sáng chiếu vào tế bào cảm quang thành dòng điện. Tín hiệu dòng điện  (có thể được khuếch đại hoặc không) từ hàng triệu điểm ảnh như thế sẽ được truyền đến bộ xử lý ảnh để tổng hợp thành tập tin và lưu lên thiết bị lưu trữ. Trong quá trình này, các nhà sản xuất cũng áp dụng nhiều giải thuật xử lý ảnh riêng để nâng cao chất lượng ảnh cuối cùng.

    Nhưng điều chúng ta quan tâm nhất trong bài này vẫn chính là bộ cảm biến ảnh vì chất lượng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số S/N, độ nhạy, gam màu ghi nhận của cảm biến ảnh.

    Cảm biến ảnh CCD khởi đầu là Chip nhớ

     


    Cảm biến ảnh

     


    Willard Boyle và George Smith trình diễn CCD đầu tiên.

    Trong thập niên 1960, CCD được đầu tư thiết kế để trở thành bộ nhớ giá rẻ. Năm 1969, Willard Boyle và George Smith, thuộc phòng thí nghiệm Bell, chế tạo thành công bộ nhớ CCD. Sau đó, cảm biến ảnh CCD đầu tiên mật độ 100x100 điểm ảnh được Fairchild Electronics chế tạo thành công vào năm 1974. Chỉ một năm sau, thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong máy quay truyền hình thương mại, kính viễn vọng, hệ thống hình ảnh y khoa và hiện nay là máy ảnh số.

    Cảm biến ảnh CCD tích hợp hàng triệu tế bào cảm quang hình vuông. Sau khi định lượng năng lượng ánh sáng chiếu vào tế bào cảm quang và chuyển đổi chúng sang tín hiệu điện, cảm biến CCD đọc dữ liệu từ tế bào cảm quang theo cơ chế tuần tự. Lần lượt giá trị các hàng, các cột sẽ được chuyển đến thanh ghi chuyển hàng (row transfer register) và thanh ghi chuyển cột (column transfer register). Dữ liệu (đã ở dạng số) trên thanh ghi tiếp tục được chuyển đến bộ xử lý hình ảnh.

    Tế bào cảm quang chỉ có thể ghi nhận cường độ ánh sáng chiếu vào chứ không phân biệt được màu sắc nên bên trên mỗi tế bào cảm quang, nhà sản xuất đặt thêm một kính lọc màu, tạo nên ma trận 3 màu RGB cơ bản. Dạng ma trận đang được dùng phổ biến được phân bổ theo nguyên tắc khảm (mosaic) với mức phân bố 25% màu đỏ, 50% màu xanh lục và 25% màu xanh dương (tỷ lệ 1:2:1). Do mắt người có khả năng nội suy màu từ các điểm lân cận và cũng do kích thước các điểm ảnh rất nhỏ nên hình ảnh tái hiện cuối cùng vẫn có sự liên tục màu sắc.

    Fujifilm và Sony không hài lòng với kiến trúc CCD chuẩn nên đưa ra Super CCD và Super HAD CCD với nhiều cải tiến mới tạo ảnh chi tiết, sáng và gam màu rộng hơn.

    Fujifilm super CCD cấu trúc tổ ong

    Tháng 10/1999, Fuji Photo Film và Fujifilm Microdevices chính thức công bố bộ cảm biến Super CCD thế hệ đầu tiên với sự thay đổi đột phá về kiểu dáng thiết kế và cách bố trí điểm ảnh.


    CCD


    Super CCD

    Tế bào cảm quang hình bát giác và cách bố trí theo dạng tổ ong giúp tăng diện tích ghi nhận ánh sáng, tăng độ nhạy, tỷ số S/N và khoảng biến thiên ánh sáng hơn so với cảm biến CCD thông thường. Diện tích cảm quang của Super CCD mật độ 2 megapixel (Mp) lớn gấp 1,6 lần CCD 2Mp thông thường. Tương tự, Super CCD 3Mp 1/2' có diện tích cảm quang rộng hơn CCD 3Mp thông thường khoảng 2,3 lần.

    Kiểu bố trí tổ ong rất phù hợp với đặc trưng cảm nhận của mắt người nên lượng điểm ảnh hiệu dụng cao gấp 1,6 lần lượng điểm ảnh thực của cảm biến. Kiến trúc này cũng giúp bảo toàn chất lượng ảnh khi phóng đại số và quay phim.

    Super CCD II, phát triển năm 2001, chủ yếu tăng lượng điểm ảnh và giảm nhiễu. Super CCD III, phát triển năm 2002, thay đổi giải thuật xử lý ảnh để đạt độ nhạy ISO 1600 và cho phép quay video với khung hình VGA 30fps.

    Super CCD IV được giới thiệu đầu năm 2003 bởi Fuji Photo Film có hai phiên bản: Super CCD High Resolution (HR) và Super CCD Super Dynamic Range (SR). Super CCD HR được tích hợp 6,63 triệu điểm ảnh trên chip lớn 1/1,7 inch, đạt danh hiệu CCD mật độ cao nhất tại thời điểm tháng 1/2003.

    Thiết kế Super CCD SR được Fujifilm sáng tạo dựa trên kiến trúc phim ảnh 4 lớp đặc trưng của hãng. Phim nhũ tương bạc được bọc bởi các hạt thạch anh kích thước khác nhau. Hạt nhạy sáng cao có kích thước lớn (diện tích nhận sáng rộng) để 'bắt' được ánh sáng cường độ yếu. Hạt nhạy sáng thấp tương ứng sẽ có kích thước nhỏ hơn để giảm diện tích tiếp sáng. Super CCD SR cũng được thiết kế trên chip 1/1,7' nhưng có đến hai loại điểm ảnh: 3,35 triệu điểm ảnh nhạy sáng cao (điểm ảnh S) và 3,35 triệu điểm ảnh nhạy sáng thấp (điểm ảnh R, độ biến thiên màu rộng hơn điểm ảnh S đến 4 lần). Ảnh cuối cùng sẽ được tổng hợp dựa trên thông tin của cả hai hệ thống điểm ảnh nên thể hiện chi tiết hơn những cảnh có môi trường ánh sáng phức tạp: vùng quá tối thì sáng hơn, vùng quá sáng bớt chói và rõ chi tiết.

    Sony Super Had CCD
    'Đeo' thêm kính

    Sony tăng cường độ nhạy CCD và thu nhỏ kích thước máy bằng cách thay đổi công nghệ và kiến trúc chế tạo phần tử cảm quang, đưa ra bộ cảm biến ảnh Super HAD (Hole-Accumulation Diode) CCD. Sony ứng dụng kỹ thuật vi thấu kính trên chip (on-chip microlen) để đặt trên mỗi điểm ảnh một thấu kính nhỏ, giúp mở rộng phạm vi ghi nhận nhằm tăng độ nhạy sáng.

    Những bước cải tiến kế tiếp của Sony đã cho ra đời CCD kiến trúc SIL (Single Inner Lens). Do nhận thấy khi mở tiêu cự tối đa, luồng ánh sáng chiếu vào tế bào cảm quang có thể bị chắn bởi lớp đế nên Sony đặt thêm thấu kính nhỏ thứ hai ngay bên trên tế bào cảm quang và áp dụng nhiều công nghệ chế tạo vi mạch mới để thu hẹp bề dày của lớp cách điện giữa lớp đế và điện cực.

    Cảm biến ảnh CMOS tận dụng nền tảng vi mạch sẵn có

    Năm 1998, công nghệ cảm biến CMOS được chính thức đưa ra làm đối trọng với công nghệ CCD trong lĩnh vực chụp ảnh số. Cảm biến ảnh CMOS được sản xuất bằng chính hệ thống sản xuất vi xử lý và bộ nhớ hiện nay nên giá thành rẻ hơn và mở rộng diện tích dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, kiến trúc CMOS cho phép truy xuất và đặt transistor khuếch đại độc lập trên mỗi điểm ảnh nên quá trình đọc dữ liệu diễn ra nhanh và tiêu tốn ít điện hơn.

    Hiện tại, cảm biến ảnh CMOS chủ yếu được dùng cho dòng máy ảnh số SLR đắt tiền. Đôi khi dòng máy ảnh số gia dụng cấp thấp cũng dùng cảm biến ảnh CMOS nhưng chất lượng không cao, hay bị nhiễu và quay video thường bị giật.

    Không dùng cơ chế chuyển dịch tuần tự như CCD, cảm biến CMOS tiến hành khuếch đại tín hiệu điện trực tiếp tại từng tế bào cảm quang. Mạch quét ngang, quét dọc sẽ lần lượt quét hết ma trận cảm biến ảnh và lần lượt đọc giá trị tại điểm giao để chuyển đến bộ xử lý ảnh. Vì thế phương pháp này được đặt tên là phương thức địa chỉ X-Y (X-Y address method). Phương pháp đọc dữ liệu tuần tự thường phải xác định trước vùng làm việc và tốc độ chuyển dữ liệu đến thanh ghi rất cao nên cần nhiều điện năng hơn phương pháp địa chỉ X-Y.

    Cảm biến ảnh CMOS xử lý độc lập từng điểm ảnh nên chức năng truy xuất cửa sổ (windowing) linh hoạt hơn CCD. Khi thực hiện chức năng zoom kỹ thuật số, lấy nét, canh sáng, hệ thống có thể trích xuất thông tin của một vùng bất kỳ trên cảm biến và giữ nguyên độ phân giải gốc. Với CCD, vùng truy xuất cần phải được chỉ định trước.

    CANON tăng kên đọc

    Một trong những yếu tố không thuyết phục giới nhiếp ảnh chuyên nghiệp của ảnh số là thiếu chiều sâu và góc nhìn hẹp bởi kích thước cảm biến CMOS nhỏ hơn khung hình 36x24 mm của phim 35mm. Năm 2002, Canon chế tạo bộ cảm biến CMOS kích thước bằng khung hình 35mm và trang bị cho dòng máy ảnh số SLR cao cấp EOS-1Ds nhằm tương thích và khai thác hết tính năng của dòng ống kính Canon EF rời. Bộ cảm biến ảnh này đạt mật độ 11,1 megapixel nên cơ chế đọc cũng cần được cải tiến để đảm bảo tốc độ đáp ứng của thiết bị. Để dữ liệu hình ảnh truyền nhận nhanh hơn, Canon cho phép đọc thông tin từ bộ cảm biến ảnh đồng thời trên hai kênh độc lập, hiện thực nên chức năng chụp hình liên tục 3 hình/giây.

    Không hướng đến kích thước toàn khung phim 35mm, bộ cảm biến ảnh dùng trong máy Canon EOS-1D Mark II tích hợp 8,5 triệu điểm ảnh (8,2 triệu điểm hiệu dụng) trong kích thước 28,7x19,1 mm lại có đến 8 kênh xuất nên đạt tốc độ chụp 8,5 hình/giây.

    Canon cũng tăng mức điện áp nạp tối đa cho các tế bào quang nhằm ghi nhận nhiều mức trạng thái hơn, tăng độ nhạy lẫn tinh tế cho ảnh.

    Foveon X3 đột phá ba lớp

    Công nghệ cảm biến hình ảnh X3 vừa được Foveon giới thiệu đã nâng cao đáng kể chất lượng ảnh, mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vục cảm biến ảnh CMOS. Chip cảm biến X3 có độ phân giải gấp 3 lần phiên bản CMOS trước và hơn 50 lần độ phân giải của các chip cảm biến CMOS dùng trong dòng máy ảnh cấp thấp.

    Công ty Foveon, thành lập năm 1997, chuyên phát triển máy ảnh số chuyên dụng thay thế  dòng máy phim trung. Từ cuối năm 2000, công ty bắt đầu mở rộng sản phẩm sang đối tượng bán chuyên nghiệp, nghiệp dư và người tiêu dùng. Đến tháng 9/2000, Foveon tiên phong công bố bộ cảm biến ảnh phân giải cao nhất thế giới, công nghệ CMOS 0,18 micron đạt 16,8 triệu điểm ảnh. Tiếp sau đó, Foveon giới thiệu tiếp bộ cảm biến ảnh trực tiếp FOVEON X3 có thể bắt trực tiếp 3 lớp màu như phim truyền thống.

    Nếu như các công nghệ bộ cảm biến ảnh sử dụng ma trận mosaic 3 màu đỏ, xanh lục, xanh dương xen kẽ nhau thì Foveon X3 bố trí 3 lớp ghi nhận màu chồng lên nhau. Chip cảm biến hình ảnh Foveon X3 được thiết kế theo kiến trúc của phim màu truyền thống, cũng có ba lớp ghi nhận đồng thời 3 sắc màu xanh dương, xanh lục và đỏ cho từng điểm ảnh. Foveon đặt tên công nghệ này là X3 nhằm nhấn mạnh khả năng ghi nhận gấp 3 lần thông tin so với chip cảm biến ảnh thông dụng.

    Do bước sóng ánh sáng của 3 màu ảnh cơ bản khác nhau nên khả năng xuyên sâu vào lớp silicon của từng màu cũng khác nhau. Foveon đã nghiên cứu và thiết kế nên chip cảm biến ảnh có ba lớp ghi nhận màu đặt theo thứ tự lần lượt là xanh dương, xanh lục và đỏ. Mỗi lần mở màn trập, ánh sáng trắng nguồn sẽ được ghi nhận lần lượt giá trị màu xanh dương, xanh lục và đỏ cùng lúc tại từng điểm ảnh. Khác với thiết kế Mosaic CCD, mỗi điểm ảnh được ghi nhận đầy đủ bộ ba giá trị RGB nên ảnh tái hiện lại trên máy tính trung thực màu và không xuất hiện các nhiễu mosaic tại những vùng màu nhiều chi tiết, ít tương phản. Bộ cảm biến hình ảnh trực tiếp X3 cho phép tạo ra những bức ảnh sắc nét, màu sắc trung thực và đặc biệt là loại bỏ được hạt màu nhiễu thường gặp trong hệ thống máy ảnh số thông dụng. Vào thời điểm mới ra đời, X3 chỉ được ứng dụng cho những máy ảnh đắt tiền dành cho nghiên cứu khoa học, y tế, thương mại chuyên nghiệp nhưng Polaroid vừa công bố kế hoạch tung ra máy ảnh ngắm chụp đầu tiên dùng chip Foveon X3 dành cho người tiêu dùng phổ thông.

    Chức năng VPS (Variable Pixel Size) trong X3 cho phép ghép nhiều điểm cảm biến (điểm ảnh vật lý) nhỏ thành một cảm biến điểm luận lý. Tùy trường hợp, bạn có thể chọn chế độ điểm cảm biến nhỏ để hình đạt độ phân giải cao hoặc chọn chế độ điểm ảnh luận lý lớn để tăng khả năng ghi nhận ánh sáng yếu, rút ngắn thời gian lấy nét tự động và ứng dụng video.

    Được thiết kế 3 lớp cảm màu như phim truyền thống nên Foveon X3 cũng thừa kế nhiều ưu điểm vượt trội của phim như màu trung thực, sắc nét trên tất cả các vùng. Hiện tại, ảnh chụp của Foveon X3 Pro 10M tương đương chất lượng ảnh chụp phim cỡ trung (phim 56mm) và có thể phóng lớn đến khổ rộng 100cm.

    Đến nay đã có 3 nhà sản xuất ứng dụng công nghệ Foveon X3, đó là Sigma (SD9/SD10), Polaroid (x530) và HanVision (HVDUO-5M). Tiếc rằng chỉ có Polaroid x530 dành cho người tiêu dùng phổ thông, còn đa phần máy ảnh dùng công nghệ Foveon X3 đều dùng trong lĩnh vực điện ảnh, nghiên cứu khoa học, y tế, an ninh và liên lạc đòi hỏi chất lượng cao. Có thể đến quí III năm nay, định dạng tập tin raw Foveon X3 sẽ được hỗ trợ trực tiếp trên phần mềm Adobe Photoshop.

     

    CƠ CHẾ CÁCH MẠNG

     

     

    FOVEON X3 SO VỚI MOSAIC

     

     

    Foveon X3

     

    Mosaic

     

     

    Bộ cảm biến Foveon X3 có 3 lớp ghi nhận độc lập.
    Vì lớp silicon hấp thụ các màu cơ bản của ánh sáng ở các độ sâu khác nhau nên mỗi lớp cảm biến ghi nhận một màu khác nhau.
    Kết quả: X3 ghi nhận đầy đủ 3 giá trị xanh dương, xanh lục và đỏ cho mỗi điểm ảnh.

     

    Sử dụng một lớp cảm biến duy nhất, hệ thống thông thường sử dụng màn lọc màu để tạo thành ma trận mosaic 3 màu.
    Mỗi điểm cảm biến chỉ ghi nhận một trong ba màu cơ bản.
    Kết quả: Cảm biến mosaic ghi nhận 25% màu đỏ, 25% xanh dương và 50% màu xanh lục.

     

    NIKON LBCAST tách con đường chung

    Cảm biến LBCAST (Lateral Buried charge Accumulator and Sensing Transistor array) được Nikon công bố vào tháng 7 năm 2003 và trang bị ngay cho dòng máy ảnh SLR số cao cấp D2H. Cảm biến LBCAST được Nikon đầu tư nghiên cứu trong vòng 10 năm, kết hợp được ưu điểm của công nghệ CCD và CMOS. Theo Nikon, cảm biến LBCAST đọc dữ liệu nhanh hơn, nhạy cảm hơn, tái hiện màu sắc tốt hơn và tiêu thụ điện năng ít hơn so với cảm biến ảnh thông dụng hiện nay.

    LBCAST cũng dùng phương pháp địa chỉ X-Y nhưng lại thiết kế đến hai đường xuất tín hiệu. Khác với phương pháp Canon dùng trong EOS-1Ds, Nikon dành riêng một đường xuất cho tín hiệu màu xanh lục, đường còn lại dành cho màu xanh dương và đỏ. Nhờ vậy giải thuật tổng hợp dữ liệu tại bộ xử lý ảnh có phần đơn giản và dễ kiểm soát hơn. Nikon cho rằng màu xanh lục được mắt người tiếp nhận rất nhạy cảm và góp phần quan trọng tạo nên độ tương phản, sắc nét của ảnh nên cần được ưu tiên. Điều này cũng hợp với tỷ lệ bố trí 1:2:1 (tương ứng đỏ:xanh lục:xanh dương) trong ma trận màu Mosaic.

    Cùng sử dụng phương pháp địa chỉ X-Y nhưng LBCAST lại sử dụng JFET (Junction Field Effect Transistor) chứ không phải MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) như cảm biến CMOS. Vì thế, kiến trúc kết nối trong LBCAST không sử dụng transistor khuếch đại tín hiệu tại tế bào cảm quang mà truyền nguyên giá trị điện áp nạp lên thẳng đường tín hiệu. Đồng thời, cấu tạo của một điểm ảnh trong LBCAST còn ít hơn CMOS thông thường một lớp kim loại nên có thể giảm nhiễu và phạm vi cảm sáng mở rộng hơn.

    Với nhiều nỗ lực đáng trân trọng, Canon, Foveon, Fujifilm, Nikon và Sony đã đưa công nghệ cảm biến ảnh tiến khá xa so với mẫu cảm biến ảnh ban đầu. Cảm biến ảnh đang đạt gần đến khả năng cảm nhận tinh tế của phim nhũ tương bạc.

    Tham khảo
    www.canon.com;
    www.fujifilm.com.vn
    ; www.foveon.com; www.nikonimaging.com; www.sony.net

    Duy Khánh

    ID: A0408_98