Megapixel và ISO liệu đã đạt tới mức giới hạn?

6 năm trước đây, những chiếc DSLR hàng "top" có độ phân giải 16 Megapixel, nhưng tới nay con số này vẫn chưa tăng lên gấp đôi.

Các hãng ban đầu dường như chỉ tập trung vào việc tăng độ phân giải cho máy ảnh. Trước đây, chỉ mất 2 năm để tăng gấp đôi số Megapixel, từ 3 lên 6, trong thời kỳ đầu của máy ảnh DSLR. Nhưng 6 năm trước đây, những chiếc DSLR thuộc hàng "top" có độ phân giải là 16 Megapixel, và cho đến bây giờ, con số này vẫn chưa tăng đến mức gấp đôi. Việc này chứng tỏ, các hãng đã chững lại trong việc tăng số "chấm" cho các máy ảnh, rằng chúng đã đã gần đạt tới một mức giới hạn nào đó. Thực chất, người chụp không cần một chiếc máy với số Megapixel lớn.

Các hãng đang chững lại trong việc tăng số "chấm". (Ảnh: Digital Photo Pro).

Trước khi đi sâu về vấn đề liệu máy ảnh đã đạt đến mức giới hạn của cảm biến hay chưa, hãy xem một số thông tin cơ bản về cảm biến.

Ngày nay, máy ảnh số thường sử dụng hai loại cảm biến chính: CCD (charge-couple device ) và CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Hai công nghệ này có rất nhiều điểm chung. Cả hai đều được tạo ra từ những năm 1960 (khá cũ theo tiêu chuẩn công nghệ), và có những cấu trúc vật lý tương đối giống nhau. Diode quang thu thập điện tích khi tiếp xúc với ánh sáng, điện tích sẽ chuyển đổi thành điện áp và được ghi lại thành dữ liệu. Đó là những gì xảy ra ở giữa thể hiện sự khác biệt lớn nhất của hai cảm biến này.

Trong cảm biến CCD, điện tích tích lũy bởi mỗi diode quang được chuyển cho các cạnh của cảm biến, nơi chuyển đổi điện tích thành giá trị điện áp và được ghi lại thành dữ liệu. Quá trình này, có một số khuyết điểm. Nó cần nhiều năng lượng để chuyển điện hơn là đơn giản chỉ chuyển điện áp và sẽ mất nhiều thời gian hơn khi chuyển điện tích tới mỗi cạnh của cảm biến thay vì tất cả các giá trị được ghi song song.

Trái lại, CMOS có mạch điện ở mỗi diode quang để chuyển đổi điện thành các giá trị điện áp. Nó cần ít năng lượng vì điện không cần thiết phải đi qua hết các mạch. Mạch này cũng cho phép các giá trị điện áp được đọc song song, điều đó sẽ giúp cho dữ liệu chụp được gửi đi nhanh hơn.

Cho đến nay, cảm biến CMOS được đánh giá cao hơn khi so sánh, nhưng vẫn có những thách thức. Với một cảm biến CCD, các mạch hỗ trợ cho diode quang không cùng với vị trí diode quang trên cảm biến CMOS. Do vậy, các vùng được sử dụng bởi diode quang có thể được sử dụng với mục đích duy nhất là thu lại ánh sáng mà toàn bộ điểm ảnh của cảm biến tại điểm đầu tiên. Mặc dù có những ưu điểm về mặc cấu trúc, nhưng do có thêm các mạch tại diode quang, nên vùng tiếp xúc ánh sáng của cảm biến CMOS không tốt, làm giảm chất lượng hình ảnh.

Cảm biến APS-H độ phân giải 120 Megapixel. (Ảnh: Internet).

Về cơ bản, các định luật vật lý hạn chế việc tăng độ phân giải. Các thành phần đơn lẻ của cảm biến được tạo nên từ các phân tử, vì thế các thành phần này không thể nhỏ hơn phân tử, ít nhất là cho tới khi tạo ra được cảm biến từ các hạt hạ nguyên tử. Nhưng rõ ràng, các hãng sản xuất vẫn chưa tới gần được giới hạn này.

Máy ảnh kỹ thuật số ngày nay đa phần sử dụng cảm biến APS-H (kích thước nhỏ hơn 1,3 lần so với Full Frame) với độ phân giải vào khoảng 16 Megapixel. Để chứng tỏ 16 Megapixel vẫn chưa gần tới mức giới hạn về độ phân giải, Canon mới đưa ra thông báo rằng họ đã phát triển thành công cảm biến APS-H với độ phân giải 120 Megapixel. Hơn nữa cảm biến này có thể chụp liên tiếp 9,5 hình một giây, tốc độ thật đáng kinh ngạc với độ phân giải lớn như vậy.

Khi cảm biến CCD hoạt động, một điện tích của điểm ảnh được chuyển sang hàng kế tiếp trong một bộ chứa chuyển tiếp và nó cũng di chuyển theo chiều ngang. Cuối cùng, nó sẽ được bộ chuyển đổi chuyển thành tín hiệu điện áp. Ưu điểm là nhiễu ít, nhưng nhược điểm là tiêu thụ nhiều điện và chụp với tốc độ cao khó hơn.

Điều này đặt ra câu hỏi, tại sao máy ảnh số ngày nay đang dần chững lại trong cuộc đua về độ phân giải. Có nhiều yếu tổ ảnh hưởng tới vấn đề này, tất nhiên trong đó có giá thành công nghệ, cảm biến cao cấp cũng đòi hỏi việc sản xuất rất phức tạp.

Yếu tố lớn nhất ảnh hướng đến việc phát triển cảm biến chính là nhiễu (noise). Cảm biến hình ảnh ghi lại các tín hiệu của ánh sáng, những gì ghi được gọi là độ nhạy sáng, ngược lại với nó chính là nhiễu.

Nhiễu xuất hiện do nhiều yếu tố khác nhau, vì vậy, cũng có nhiều phương pháp để giảm nhiễu. Người chụp có thể chống bằng cách sử dụng diode quang lớn nhất có thể, với diode quang lớn, ánh sáng sẽ thu vào được nhiều hơn, như vậy "noise" sẽ ít hơn. Tất nhiên điều này mâu thuẫn trong việc tăng độ phân giải.

Để giải quyết vấn đề cảm biến CMOS không thể sử dụng hết photosite (vùng thu nhận ánh sáng của các điểm ảnh) như một vùng thu nhận ánh sáng cỡ vừa (do các mạch theo diode quang). Các microlens được đặt trước mỗi diode quang trên các cảm biến ảnh. Những micolens này tập trung ánh sáng từ một vùng lớn (thường là toàn bộ photosite) đến những vùng nhỏ hơn, được bao phủ bởi diode quang. Kết quả là tín hiệu thu vào nhiều hơn, và ít nhiễu hơn. Tuy nhiên, trong các mẫu máy ảnh gần đây, microlens được xếp gần nhau hơn và trong những cảm biến mới nhất, các microlens đều liên quan đến nhau. Và rõ ràng, không còn hiệu quả trong việc giảm noise theo cách này.

Sử dụng thiết lập ISO thấp nhất có thể trong mọi tình huống sẽ có lợi hơn. (Ảnh: Internet).

Quay trở lại thời kỳ sử dụng phim trong nhiếp ảnh. Các nhiếp ảnh gia thường sử dụng phim ISO thấp nhất có thể, mục đích là xuất hiện các hạt ít nhất. ISO cao đồng nghĩa với việc xuất hiện nhiều hạt. Với máy ảnh kỹ thuật số thì ngược lại, các nhiếp ảnh gia chọn những máy có thiết lập ISO cao nhất và những máy có thể chụp thiếu sáng với noise chấp nhận được khi ở ISO cao.

ISO cao nhất cho phim thương mại là 3.200, thực tế, các bảng xếp hạng được công bố, giá trị ISO tối đa tiêu chuẩn hiện tại khoảng 10.000. Và những máy ảnh số mới ra còn có ISO lên tới 102.400.

Tất nhiên, ISO cao đồng nghĩa có nhiều nhiễu, nhưng qua thời gian, nhà sản xuất liên tục cải thiện công nghệ và có khả năng giảm noise ở mức chấp nhận được khi ở thiết lập ISO cao. ISO ở mức 1.600 trên những máy ảnh đời mới cho ra hình ảnh với noise chấp nhận được.

Thực tế cho thấy, ngay cả với công nghệ hiện đại, một tín hiệu chỉ được khuếch đại nhiều trong khi vẫn giữ được nhiễu ít và dải màu sắc hợp lý, có nghĩa là muốn đạt được bức ảnh chất lượng tốt với ISO cao sẽ cần các diode quang lớn hơn. Vì vậy, đòi hỏi độ phân giải sẽ phải thấp đi hoặc cảm biến sẽ phải lớn hơn. Ngoài ra, việc sử dụng thiết lập ISO thấp nhất có thể trong mọi tình huống sẽ có lợi hơn.