Từ CCD đến stacked CMOS: Cảm biến máy ảnh số đã phát triển như thế nào trong 25 năm qua?

Giờ trong tay bất kỳ ai cũng có một chiếc máy ảnh số với cảm biến CMOS. Đấy chính là cái điện thoại trong tay anh em. Đương nhiên mỗi máy điện thoại sẽ chụp hình với chất lượng khác nhau vì nhiều lý do: Độ phân giải cảm biến, cách xử lý tín hiệu hình ảnh và những thuật toán nhiếp ảnh điện toán tích hợp trong điện thoại. Nhưng về cơ bản thì nền tảng để biến photon trở thành những tấm hình lưu trong máy của anh em thì không thay đổi.

Và giờ nếu chúng ta nói tới quá trình 25 năm, tức là một phần tư thế kỷ phát triển và hoàn thiện của công nghệ cảm biến hình ảnh số, nghe qua thì có vẻ dài, nhưng so sánh với quá trình phát triển của phim analog trong ngành nhiếp ảnh, thì 25 năm cũng chỉ là một cái chớp mắt.

Trong bài tổng hợp này, mời anh em lướt lại lịch sử 25 năm cảm biến máy ảnh số phát triển, với những cột mốc đáng kể trong suốt quãng thời gian ấy.

1988: CCD - Charge-Coupled Device

Đây từng là nền tảng của hầu hết những mẫu máy ảnh kỹ thuật số ban đầu, và đến tận bây giờ, vẫn còn không ít những người vẫn còn muốn ở lại với công nghệ CCD, với những chiếc máy như Leica M9 hay Nikon D200, vì cái màu sắc riêng có, do những photodiode của cảm biến CCD tạo ra. Đây cũng là công nghệ đầu tiên tạo ra được chất lượng hình ảnh "sử dụng được" và "hữu ích" trong những sản phẩm máy ảnh số tiêu dùng.

Fujifilm FUJIX DS-1P, 1988, chiếc máy được coi là máy ảnh số thương mại hóa đầu tiên…


…nhưng CCD-G5 mới được coi là camera kỹ thuật số thương mại đầu tiên, ra mắt năm 1983.

Cảm biến CCD đọc dữ liệu từ mép cảm biến, từng pixel một, truyền điện tích từ pixel này sang pixel khác. Tốc độ đọc này bị giới hạn bởi dòng điện cung cấp cho chip, do đó cần nhiều năng lượng để đọc nhanh. Điều này dẫn đến việc xem trước hình ảnh trước khi bấm nút chụp hình trở nên chậm chạp và có độ trễ.

CCD đã thống trị thị trường máy ảnh kỹ thuật số từ giữa những năm 90 đến đầu những năm 2010, và công nghệ này trong suốt quãng thời gian đó đã liên tục được cải tiến để giảm kích thước pixel và nâng cao hiệu suất.



Một hướng đi khác của các nhà sản xuất, là Super CCD, công nghệ từng được Fujifilm phát triển. Công nghệ này sử dụng những photodiode về cơ bản là sở hữu các điểm ảnh bị che bởi một lớp mask ở đằng trước. Những điểm ảnh bị che này thu thập được ít ánh sáng từ môi trường bên ngoài hơn, tức là sẽ ít xảy ra tình trạng cháy sáng khi chụp hình hơn, qua đó cho phép ghi lại những dữ liệu ở vùng highlight chi tiết hơn, những khu vực và chi tiết đáng lẽ ra sẽ bị mất vì cháy sáng trong quá trình chụp.

Quảng cáo

Với Super CCD, những chiếc máy như Fujifilm FinePix S3 Pro thế hệ thứ 2, ra mắt năm 2005 tạo ra được những tấm hình với dải tương phản động ấn tượng hơn rất nhiều so với những chiếc máy khác ở cùng thời kỳ. Một điều đáng tiếc, đó là công nghệ cảm biến này phải đánh đổi dải động với chi tiết hình ảnh, do lớp phủ ở phía trước mỗi photodiode của cảm biến, đặc biệt là ở ngưỡng ISO cao.

CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor

Cùng thời điểm CCD được thương mại hóa ra thị trường, một công nghệ cảm biến hình ảnh số khác cũng được phát triển và hoàn thiện, đấy chính là CMOS.

Với công nghệ cảm biến này, dữ liệu của từng photodiode, từng điểm ảnh trên cảm biến được truyền ra một cách lần lượt thông qua dây dẫn. Điện tích mà từng photodiode thu được khi chụp hình không cần phải đi qua tất cả những photodiode lân cận để đến được chip xử lý tín hiệu hình ảnh nữa. Nói một cách ngắn gọn, đọc dữ liệu quang học từ cảm biến CMOS nhanh hơn mà không cần nhiều năng lượng như cảm biến CCD. Quan trọng hơn, cảm biến CMOS cũng có chi phí sản xuất thấp hơn.



Canon chính là cái tên đi tiên phong trong việc áp dụng CMOS với máy ảnh DSLR D30 APS-C vào năm 2000. Rồi cũng chính là Canon đã ra mắt được máy ảnh số đầu tiên với cái giá dưới 1000 USD. Trong những năm tiếp theo, hiệu suất tiếp tục được cải thiện, và Canon đã tạo dựng được danh tiếng về chất lượng hình ảnh tuyệt vời ở ngưỡng ISO cao.

Màu ảnh CCD có thực sự khác màu CMOS?

Quảng cáo

Mặc dù nhiều anh em vẫn còn lưu luyến khả năng tái tạo màu sắc của cảm biến CCD, nhưng không có lý do gì khiến bản thân CCD lại ghi nhận màu sắc khác biệt so với CMOS.

Bất kỳ sự khác biệt nào trong hình ảnh đều không đến từ bản thân công nghệ cảm biến số, mà có thể bắt nguồn từ những thay đổi về khả năng chọn lọc màu và đặc tính hấp thụ của bộ lọc, vì các nhà sản xuất đã cố gắng cải thiện hiệu suất chụp thiếu sáng bằng cách sử dụng các bộ lọc cho phép nhiều ánh sáng đi qua bộ lọc để đến được các photodiode hơn.

Một hướng đi khác: Foveon X3

Foveon Inc. được thành lập tại Mỹ năm 1997, và đến năm 2008 thì được Sigma mua lại. Những gì các kỹ sư ở Foveon đã và đang làm thực sự bắt nguồn từ tham vọng giải quyết được mọi vấn đề của kỹ thuật lọc màu Bayer Filter rồi sau đó là nội suy màu sắc của một điểm ảnh dựa trên những dữ liệu mà pixel array RGB thu được. Thế nhưng như anh em thấy đấy, đến giờ những cảm biến của Foveon phát triển đều chỉ hiện diện trên những chiếc máy ảnh do Sigma bán ra thị trường, mà chúng cũng chưa đủ tạo ra cú hích cần thiết.



Cảm biến Foveon thì ứng dụng không phải một lớp photodiode như CMOS với Bayer Filter phổ biến hiện giờ, mà dùng tới ba lớp photodiode xếp chồng, mỗi lớp chỉ thu một dải ánh sáng R, G hoặc B độc lập. Trên lý thuyết, điều này giúp cảm biến máy ảnh chụp ra những tấm hình chi tiết hơn, vì không cần tới những thuật toán nội suy thông tin màu sắc nữa. Và thứ hai, thiết kế cảm biến đo thông tin màu bằng chiều sâu cảm biến silicon giúp hình ảnh chi tiết hơn, cả về tương phản lẫn chi tiết và màu sắc, vì không còn lớp Bayer Filter hấp thụ tới ⅔ lượng ánh sáng đi qua ống kính nữa.

Tuy nhiên đến tận bây giờ, cảm biến Foveon vẫn chưa trưởng thành vì ba lý do:

• Độ phân giải cảm biến CMOS giờ đã vượt qua con số 100 megapixel, lợi thế của cảm biến Foveon không còn như trước nữa.
• Thứ hai, lợi thế về độ chính xác của màu sắc trên cảm biến Foveon là quá nhỏ nếu so sánh với công nghệ CMOS đương đại.
• Thứ ba, quan trọng nhất, là nhiễu điểm ảnh. Trên lý thuyết, không có bộ lọc Bayer, thì lượng ánh sáng lọt vào cảm biến tăng gấp 3, tức là tỷ lệ signal to noise khi biên dịch tín hiệu số thành hình ảnh số sẽ được cải thiện 1.7 lần. Nhưng trên thực tế mọi chuyện ngược lại hoàn toàn.

2007: CMOS trở thành tiêu chuẩn chung

Đến năm 2007, nhà cung cấp cảm biến hình ảnh lớn nhất thế giới, Sony Semiconductor đã quyết định chuyển hướng sang sản xuất cảm biến kích thước APS-C dựa trên công nghệ CMOS. Kể từ thời điểm đó, cảm biến hình ảnh kích thước lớn mặc định ứng dụng công nghệ CMOS.



Cùng khoảng thời gian đó, mọi người nhận ra, tốc độ đọc dữ liệu trên cảm biến CMOS càng lúc càng trở nên quan trọng, đối với cả chức năng quay video trên các máy ảnh như EOS 5D Mark II của Canon và chức năng xem trực tiếp, chức năng ngày càng trở nên quan trọng đối với trải nghiệm chụp ảnh trên máy ảnh cảm biến lớn khi kỷ nguyên máy ảnh mirrorless đang đến gần.

2009: Backside Illuminated CMOS - BSI

Năm 2009 chứng kiến sự ra đời của cảm biến CMOS chiếu sáng mặt sau (BSI) đầu tiên, một công nghệ ban đầu chủ yếu có lợi cho các điểm ảnh nhỏ trong cảm biến điện thoại thông minh và máy ảnh compact.

Cảm biến BSI được chế tạo theo cách tương tự như các thiết kế chiếu sáng mặt trước hiện có, nhưng vật liệu nền mà chúng được chế tạo sau đó được cạo đi, và 'mặt sau' của cảm biến được đặt sao cho nó hướng về phía ống kính và nhận ánh sáng.



Điều này có nghĩa là anh em sẽ không có hệ thống dây điện và mạch điện che lên photodiode, nhờ đó làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của cảm biến. Nhưng ở thời điểm đó, những lợi ích này ít được thể hiện rõ rệt hơn ở các cảm biến kích thước lớn. Phải vài năm sau đó, mới bắt đầu xuất hiện những cảm biến BSI CMOS kích thước Four Thirds hay APS-C, rồi mới tới full frame 35mm.

2009 đến nay: Hoàn thiện CMOS ở mọi khía cạnh

Các thiết kế mới cho phép tích hợp nhiều bộ chuyển đổi analog-digital (ADC) hơn, và đặt chúng gần các photodiode hơn. Điều này giảm thiểu lượng nhiễu điện tử có thể xâm nhập trước khi điện áp trên mỗi điểm ảnh được ghi lại, đồng thời số lượng ADC lớn giúp mỗi ADC không cần phải hoạt động quá nhanh để đảm bảo tốc độ đọc nhanh. Lượng nhiễu thêm vào bởi ADC liên quan đến tốc độ của chúng, vì vậy thiết kế này mang lại sự giảm đáng kể về nhiễu hình trong quá trình đọc dữ liệu.

Câu chuyện phát triển cảm biến không chỉ là câu chuyện của riêng Canon và Sony. Samsung là thương hiệu đầu tiên mang công nghệ BSI CMOS lên cảm biến APS-C với chiếc máy NX1, ra mắt năm 2014. Cảm biến của nó cung cấp tốc độ để phát hiện pha trên cảm biến nhanh chóng, cũng như quay video 4K, thay vì cải thiện hiệu suất ánh sáng yếu.



Nói thêm về BSI CMOS. Trong các cảm biến lớn, dây dẫn tín hiệu chiếm một tỷ lệ nhỏ hơn nhiều so với kích thước các điểm ảnh rất lớn, do đó BSI mang lại ít cải thiện về chất lượng hình ảnh hơn. Tuy nhiên, nó vẫn mang lại những lợi thế nhất định.

Lợi thế đầu tiên là cải thiện góc mà các điểm ảnh có thể nhận ánh sáng. Điều này đặc biệt hữu ích ở rìa của cảm biến, nơi ánh sáng có thể chiếu vào cảm biến với một góc rất nhọn khó điều chỉnh xuống vùng nhạy sáng lõm sâu của cảm biến FSI (Front-Side Illumination). Thứ hai, việc di chuyển dây dẫn ra phía sau điểm ảnh cho phép mạch điện phức tạp hơn, nghĩa là tăng thêm số lượng ADC và tốc độ đọc nhanh hơn mà không làm tăng noise.

Cảm biến khuếch đại kép

Một bước tiến khác để cải thiện dải động đi kèm với các cảm biến khuếch đại kép, tiếng Anh là dual conversion gain.

Chúng lần đầu tiên xuất hiện trong các cảm biến Aptina được sử dụng trong máy ảnh Nikon 1 series. Chúng có một lựa chọn chế độ đọc trong mỗi điểm ảnh: Một chế độ tối đa hóa dải động ở ISO thấp, và một chế độ khác có dải Dynamic Range hẹp hơn nhưng tạo ra noise thấp hơn, cho hiệu suất hình ảnh tốt hơn ở ngưỡng ISO cao.



Khi công nghệ này được Sony Semiconductor mua bản quyền sở hữu trí tuệ, nó đã được kết hợp với các thiết kế Dynamic Range cao mà họ có, để tạo ra các cảm biến có dải động tuyệt vời ở ISO cơ bản và tăng cường hiệu suất ở ISO cao. Hai chế độ này không phải lúc nào cũng được nhà sản xuất quảng cáo, nhưng việc áp dụng khuếch đại kép là yếu tố đã mang lại hiệu suất ISO vô cùng tuyệt vời cho a7S thế hệ đầu tiên. Đây là trạng thái mà hầu hết máy ảnh số hiện đại đã đạt được.

Stacked CMOS

Tháng 12/2021, Nikon Z9 ra mắt. Ở trung tâm là cảm biến CMOS xếp chồng, độ phân giải 45 megapixel. Cảm biến của Nikon Z9 đủ nhanh để hoàn toàn dựa vào cửa chập điện tử của nó. Nó cũng có bộ đệm riêng biệt cho hình ảnh độ phân giải đầy đủ và cho AF (tự động lấy nét) và xem trực tiếp. Những tính năng vô cùng tiện dụng như thế này có lẽ mới chỉ là những thứ cơ bản nhất mà công nghệ cảm biến CMOS xếp chồng có thể làm được trong tương lai.



Stacked CMOS là công nghệ cảm biến máy ảnh số tiên tiến nhất hiện nay, và nó nâng cấp toàn diện giải pháp BSI, tạo ra các lớp vật liệu bán dẫn, gọt chúng khỏi lớp đế, và sau đó kết nối chúng lại với nhau để cho phép thiết kế có mạch điện phức tạp và tinh vi hơn trước rất nhiều.

Đây là một quy trình tốn thời gian và đắt đỏ, vì vậy nó chỉ xuất hiện trên các chip tương đối nhỏ trong smartphone và máy ảnh nhỏ gọn, cũng như trên các mẫu cảm biến kích thước và độ phân giải lớn, sở hữu hiệu suất cao và vô cùng đắt tiền.

Giống như công nghệ BSI, lợi ích chính của stacked CMOS không đến từ việc cải thiện chất lượng hình ảnh, mà là cho phép xử lý dữ liệu nhanh hơn và phức tạp hơn. Các ví dụ chúng ta đã thấy bao gồm RAM tích hợp để cho phép cảm biến chụp một hình ảnh khác trong khi hình ảnh trước đó vẫn đang được máy ảnh xử lý, hoặc các đường đọc dữ liệu đôi, cung cấp các đường dẫn song song để đọc, một cho hình ảnh chất lượng đầy đủ và một nguồn cấp dữ liệu thứ hai cho tính năng tự động lấy nét và cập nhật hình ảnh trên kính ngắm.

Theo DPReview

Khóa học Machine Learning cơ bản- Khoa học dữ liệu - AI

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Khoá học Quản trị Chiến lược Dành cho Lãnh đạo Doanh nghiệp

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Nơi hội tụ Tinh Hoa Tri Thức - Khơi nguồn Sáng tạo

Để tham gia khóa học công nghệ truy cập link: http://thuvien.hocviendaotao.com

Mọi hỗ trợ về công nghệ email: dinhanhtuan68@gmail.com

--- 

Khóa học Hacker và Marketing từ A-Z trên ZALO!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Hacker và Marketing từ A-Z trên Facebook!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa đào tạo Power BI phân tích báo cáo để bán hàng thành công

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Bảo mật và tấn công Website - Hacker mũ trắng

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học ​

KHÓA HỌC LẬP TRÌNH PYTHON TỪ CƠ BẢN ĐẾN CHUYÊN NGHIỆP

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Lập trình Visual Foxpro 9 - Dành cho nhà quản lý và kế toán

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học hướng dẫn về Moodle chuyên nghiệp và hay

Xây dựng hệ thống đào tạo trực tuyến chuyên nghiệp tốt nhất hiện nay.

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

KHÓA EXCEL CHUYÊN NGHIỆP

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học AutoIt dành cho dân IT và Marketing chuyên nghiệp

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khoá học Word từ cơ bản tới nâng cao, học nhanh, hiểu sâu

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học hướng dẫn sử dụng Powerpoint từ đơn giản đến phức tạp HIỆU QUẢ

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Thiết kế, quản lý dữ liệu dự án chuyên nghiệp cho doanh nghiệp bằng Bizagi

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng Power Query trong Excel

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Lập trình WEB bằng PHP từ cơ bản đến nâng cao

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng TableAU - Chìa khóa thành công!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học Phân tích dữ liệu sử dụng SPSS - Chìa khóa thành công!

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học "Thiết kế bài giảng điện tử", Video, hoạt hình 

kiếm tiền Youtube bằng phần mềm Camtasia Studio

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

Khóa học HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ VIDEO CLIP CHO DÂN MARKETING CHUYÊN NGHIỆP

​​​​​

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ QUẢNG CÁO VÀ ĐỒ HỌA CHUYÊN NGHIỆP VỚI CANVA

Hãy tham gia khóa học để trở thành người chuyên nghiệp. Tuyệt HAY!😲👍

 KHÓA HỌC VIDEO- XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ BẰNG MICROSOFT ACCESS

GOOGLE SPREADSHEETS phê không tưởng

Khóa hoc lập trình bằng Python tại đây

Hãy tham gia khóa học để biết mọi thứ

Để tham gia tất cả các bài học, Bạn nhấn vào đây 

Khóa học lập trình cho bé MSWLogo

Nhấn vào đây để bắt đầu học

Khóa học Ba, Mẹ và Bé - Cùng bé lập trình  TUYỆT VỜI

Khóa học sử dụng Adobe Presenter-Tạo bài giảng điện tử

Khóa học vẽ tạo giao diện demo cho website

Để thành thạo Wordpress bạn hãy tham gia khóa học 

Tham gia khóa học tại đây

Khóa học sử dụng Edmodo để dạy và học hiện đại để thành công

Nhấn vào đây để bắt đầu khóa học

==***==

Bảo hiểm nhân thọ - Bảo vệ người trụ cột

Cập nhật công nghệ từ Youtube tại link: congnghe.hocviendaotao.com
Tham gia nhóm Facebook
Để tham gia khóa học công nghệ truy cập link: http://thuvien.hocviendaotao.com
Mọi hỗ trợ về công nghệ email: dinhanhtuan68@gmail.com

Nguồn: Tinh Tế

Share !