Các loại cảm biến máy ảnh

28/01/2016, 13:21 PM

Hiện nay, đa số mọi người đều biết công dụng của cảm biến trong máy ảnh số và quen thuộc với các loại như CCD và CMOS. Thực tế, đây chỉ là hai loại cảm biến thông dụng trong số những loại cảm biến hiện có trên thế giới. Vậy những cảm biến đó là gì và cụ thể từng loại ra sao, cùng Binhminhdigital Nha Trang tìm hiểu:

Cảm biến CCD

Đây là một trong những cảm biến ra đời sớm nhất và được ưu tiên sử dụng đến ngày nay. Đã có thời gian rất dài cảm biến CCD thống lĩnh thị trường vì có dải tần nhạy sáng và kiểm soát tiếng ồn, nhiễu tốt cho chất lượng ảnh chụp vượt trội khi so với những mẫu cảm biến cùng thời. Tốc độ xử lý CCD là 30 hình/giây. Độ phân giải của một CCD đơn sắc là 350-500 dòng, tối đa là 600 dòng. Hiện nay, cảm biến CCD được dùng trong các máy ảnh như: Samsung WB110, Canon Powershot SX400IS, Fujifilm FinePix S4500, Panasonic DMC-SZ8, Olympus Mju-7050…
Tuy CCD là mẫu cảm biến thông dụng trên thị trường nhưng nó không được đánh giá cao vì quá trình lắp ráp khó khăn và điện năng tiêu thụ quá nhiều. Trong CCD có một vùng quang hoạt- lớp epitaxy của silicon. Mỗi mảng nhỏ của vùng quang hoạt phản ứng với ánh sáng và chuyển đổi cường độ vào một tín hiệu điện cho phép CCD chuyển đổi ánh sáng tập trung vào nó để tạo ra một ma trận các cường độ ánh sáng, cùng với một 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 trong nhất thực hiện quá trình chyển đổi tín hiệu là photodiode và các mạch hỗ trợ. Cơ chế xử lí của CCD là thông tin trên mỗi hàng điểm ảnh sẽ được đưa xuống một rãnh tín hiệu đầu ra, tốn rất nhiều thời gian và năng lượng để xử lí, các rãnh lại chiếm không gian nên làm giảm hiệu suất thu nhận ánh sáng.

Cảm biến CMOS

Từng được xếp sau CCD về chất lượng nhưng bằng công nghệ hiện đại, CMOS đã vượt mặt đối thủ của mình.
Vì cùng lúc thực hiện nhiều tính năng nên cảm biến CMOS trong những ngày đầu hình ảnh bị nhiễu hạt cao. Để cải thiện điều này, các thế hệ sau đã 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 có kích thước nhỏ gọn do không phải tốn diện tích cho rãnh truyền thông tin vì quá trình xử lí tín hiệu được thực hiện qua linh kiện bán dẫn transistor và hệ thống dây dẫn. Với nhiều chức năng được được tích hợp sẵn hơn, cảm biến CMOS có khả năng xử lí nhanh và nhạy sáng tốt, ít nhiễu và tiêu thụ ít điện năng hơn (bằng 1/5 hoặc 1/10 CCD), phù hợp hơn để chụp tốc độ cao. Giá cho bộ xử lí này cũng được đánh giá là rẻ hơn CCD.
Dự đoán trong tương lai, khi cải tiến công nghệ lên một bước cao hơn, CMOS sẽ chính thức là sản phẩm được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường. Các dòng máy ảnh đang được trang bị cảm biến loại này gồm có: máy ảnh Sony A6000, Nikon D710, Fujifilm X70, Canon EOS 5DS, 5DS R, Phase One XF 100MP.

Cảm biến Foveon X3

Hệ thống Foveon X3 không đi với mảng lọc Bayer nên không yêu cầu demosiacing để sản xuất hình ảnh của mình, do đó nó có nhiều lợi thế và tạo ra các ảnh độ phân giải cao hơn nhiều.
Nó sử dụng một loạt các photosite, mỗi nhóm trong số đó bao gồm ba photodiodes xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, tổ chức trong một lưới hai chiều. Mỗi điểm trong số ba photodiodes xếp chồng lên nhau phản ứng với các bước sóng khác nhau của ánh sáng; có nghĩa là, mỗi điểm có một đường cong độ nhạy quang phổ khác nhau. Có sự khác biệt này là bởi vì các bước sóng khác nhau của ánh sáng xuyên qua silicon tạo ra một độ sâu khác nhau. Các tín hiệu từ ba photodiodes sau đó được xử lý, kết quả là dữ liệu cung cấp các số liệu của ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh dương.
Vì chiều sâu trong các đế wafer silicon của mỗi trong ba lớp cảm biến Foveon X3 là ít hơn 5 micromet, nó có ảnh hưởng không đáng kể đến tập trung hoặc sai màu. Các cảm biến Foveon X3 mới chỉ được Sigma sử dụng trong các máy ảnh compact và máy ảnh DSLR của mình với Sigma dp0, Sigma DP2s…

Cảm biến LiveMOS

Đây là cảm biến có trên các mẫu Panasonia Lumix DMC-GF5, Lumix DMS-GX 8 Lumix DMC-GF5… và gần đây nhất là sản phẩm mới ra mắt hôm qua Olympus Pen-F.
Mang lợi thế của cả hai cảm biến CCD và CMOS, LiveMOS có mức tiêu thụ năng lượng thấp, tiếng ồn được giảm một cách tối đa và chất lượng hình ảnh có độ phân giải cao.
Cảm biến Live MOS có được những ưu điểm đó vì 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. Mạch đơn giản làm 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. Tiếng ồn được giảm ở các vùng ảnh tối, cho phép bạn có thể thu được hình ảnh rực rỡ ngay cả khi chụp trong môi trường ánh sáng yếu. L1 cũng sử dụng công nghệ ban đầu tín hiệu mạch readout cùng với kiến trúc mạch điều khiển điểm ảnh không chỉ cho phép sử dụng điện áp thấp mà còn cắt giảm điện năng tiêu thụ. Tất cả kết hợp hài hòa giúp cảm biến này tái tạo màu sắc tự nhiên có tính phân cấp mượt mà hơn, chất lượng hình ảnh tuyệt vời ngay cả khi ánh sáng vào ở một góc độ cao tần.

Cảm biến BSI/BI

Bộ cảm biến này thực ra thích hợp hơn khi dùng trên các thiết bị di động. Nhưng ở cả hai lĩnh vực máy ảnh và di động, các tính năng và giá cả của nó không cạnh tranh lại những mẫu cảm biến tốt hơn nên hình ảnh của nó dường như mờ nhạt trên thị trường. Nguyên do vì trong nhiều trường hợp, hình chụp trong điều kiện ánh sánh thông thường nhưng vẫn bị cháy sáng. Bộ cảm biến này được Omni giới thiệu đầu tiên năm 2007 nhưng nó không được đón nhận vì giá quá cao. Loại cảm biến này cho hình ảnh rất sắc nét khi bỏ lớp lọc AA, nhưng đi kèm hiện tượng lỗi màu và phân tách vùng DR. So với cảm biến FI bên dưới, cảm biến này cho hiệu suất cao hơn khi làm việc ở các điều kiện thiếu sáng.
Máy ảnh sử dụng cảm biến này có Nikon Coolpix L610, Sony Cyber-shot RX1R II, Sony DSC-RX100…

Cảm biến CMOS FI

Trong cảm biến 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 vì gặp trở ngại với bộ xử lí chuyển tín hiệu quang học sang tín hiệu điện tử. Nhà phát triển đã có những nỗ lực để cải thiện vấn đề này bằng cách đặt một lớp điện môi xử lí tín hiệu đặt phía trước tấm nền cảm quang để tăng hiệu suất thu nhận ánh sáng; nhưng điều đó vẫn không giúp vươn lên và chiếm được cảm tình của người sử dụng.

Trên đây là thông tin thống kê sơ bộ về các loại cảm biến để các bạn hình dung tỏng quát về những cảm biến được phát triển trên thế giới. Ở những bài sau, chúng tôi sẽ đi sâu phân tích từng loại cảm biến.