Những điều bạn cần biết về Sensor của camera

Sandy Berger

Quản trị mạng - Sensor là một phần nằm trong camera số dùng để capture tia sáng để tạo ảnh. Đối với các hệ thống không phải là camera số Sensor sử dụng ở đó là sensor tương tự. Giống với lớp phủ của vật liệu bắt sáng trên phim dùng để chụp ảnh, sensor của camera số cũng có các tế bào (cell) bắt sáng. Trong hướng dẫn này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn những điều cần biết về thành phần quan trọng này trong camera.

Mặc dù có sự khác biệt về thiết kế và kỹ thuật trong các sensor của camera số nhưng nhìn chúng tất cả chúng đều hoạt động theo cùng một nguyên lý cơ bản. Mỗi một sensor có đến hàng triệu tế bào nhậy sáng hoặc photodiod trên một tấm silicon. Mỗi một tế bào nhậy sáng này đều tạo điện tích khi được chiếu sáng bởi một phần tia sáng vào camera thông qua ống kính. Filter màu sẽ tạo ra sự phối màu thích hợp. Sau đó quá trình xử lý trong camera sẽ chuyển đối điện tích này thành dạng ảnh và được lưu trên bộ nhớ của camera hay dữ liệu lưu trữ. Mỗi một photodiode sẽ tạo ra một pixel trong ảnh cuối cùng thu được. Đây chính là chỗ thuật ngữ pixel xuất hiện. Các Pixel là những phần nhỏ các thông tin được tạo bởi các photodiode nhậy sáng. Hàng triệu pixel được kết hợp với nhau sẽ tạo ra một ảnh.

Có hai kiểu sensor chính cho camera: CCD (Charge Coupled Device) và CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). Ứng với mỗi một kiểu sensor lại có sự khác nhau về công nghệ bên trong, cụ thể là về phần thiết kế mạch, nhưng cả hai đều thực hiện chung một nhiệm vụ. CMOS processor dễ dàng hơn và hiệu quả hơn về mặt giá thành với việc sản xuất kích thước lớn, chính vì vậy chúng thường được sử dụng trong các camera SLR (Single Lens Reflex) (camera một ống kính) lớn. CMOS processor sử dụng ít năng lượng hơn nên được sử dụng trong điện thoại di động. Hầu hết các camera được tích hợp “point-and-shoot” và các camcorder đều sử dụng các sensor CCD nhiều hơn.

Một vài kiểu sensor khác cũng được cung cấp trên thị trường nhưng kém phổ biến hơn rất nhiều. Foveon X3 là một chip mới, thực sự là một kiểu của CMOS sensor với việc xử lý màu đặc biệt. Nó hiện chỉ được sử dụng trong một số camera Sigma và Polaroid. Fujifilm cũng sản xuất một số camera của họ với một sensor riêng có tên gọi là Super CCD. Đây là một CCD thông thường với nhiều photocell riêng lẻ được xắp xếp theo mẫu đường chéo tổ ong thay cho mẫu khung lưới ngang/dọc được sử dụng trong hầu hết các sensor.

Các vấn đề về kích thước

Mặc dù các camera tương tự có một vài định dạng phim khác nhau như định dạng trung bình hay định dạng rộng, nhưng hầu hết kích thước phim phổ biến nhất là phim 35mm. Vì vậy thận chí, các sensor của camera số ngày nay thường được so sánh với phim 35mm, thực tế các sensor có cùng kích cỡ như phim 35mm được gọi là các sensor “full frame”. Như những gì bạn có thể hình dung, dưới dạng các chip xử lý, các sensor này khá lớn. Chính vì vậy các sensor ảnh trong hầu hết các camera số đều thiên về kích thước nhỏ hơn so với vùng ảnh 24 mm x 36 mm của các camera full-frame 35mm.

Không có một hệ thống đo lường chuẩn hợp nhất cho các sensor. Một số nhà máy sản xuất tính theo đơn vị inch, tuy nhiên một số lại tính theo mm. Một số đơn vị tính theo chiều ngang và dọc trong khi đó một số lại tính theo đường chéo. Hầu hết các sensor đều phải tương xứng với các kiểu khác nhau. Bạn sẽ nghe thấy thuật ngữ kiểu 2/3”, 1/1.8” và 1 /2.7”. Có các kiểu điển hình được sử dụng chung trong các CCD trong các camera point-and-shoot nhỏ hơn. Tuy nhiên các camera SLR với các ống kích có thể thay đổi lại sử dụng các sensor lớn hơn. Hai kích thước SLR được sử dụng phổ biến nhất là kiểu 4/3” và 1.8” APS-C.

Các phân số cho chúng ta biết được tên của kiểu sensor thế nào. Bảng bên dưới cung cấp cho các bạn một loạt các kích thước và các tham số theo chiều ngang, dọc và đường chéo của chúng. Tỉ lệ mành là tỉ lện của chiều ngang đối với chiều cao.

Kiểu đặt tên APS (Active-Pixel Sensor) dường như là một bước tiến mới so với kiểu phân số. Mặc dù vậy nó cũng ít lộn xộn hơn vì các nhà sản xuất khác nhau sử dụng các kích thước APS khác nhau. Kiểu APS-C đã đề cập ở trên là kích thước phổ biến nhất của APS chip nhưng một số chip APS-C của Nikon lại lớn hơn và một số chi APS-C của Canon lại nhỏ hơn đôi chút. Canon cũng có một sensor APS-H lớn hơn.

Để các bạn nhận thấy được sự khác nhau đối với các kích thước sensor, hãy quan sát so sánh trong hình 1 giữa một kích thước lớn nhất và kích thước nhỏ nhất.

Hình 1: Sự so sánh kích thước tương ứng của sensor full (25mm x 24mm)
với 1/1/8" (7.18 mm x 5.32 mm).

Lý do kích thước của sensor lại quan trọng đến vậy có thể khá dễ nhận ra khi bạn thấy hàng triệu megapixel của sensor. Các nhà sản xuất vẫn đang cố gắng lôi kéo các nhiếp ảnh gia mua các camera của họ bằng cách tăng liên tục số lượng megapixel trong camera. Vì số lượng pixel lên đến hàng triệu (megapixel), bạn có thể hình dung rằng cần phải thêm vào số lượng photodiode nhiều hơn đối với các sensor có kích thước nào đó để có được độ megapixel cao hơn nên bản thân pixel cũng phải nhỏ hơn. Nhưng Pixel càng nhỏ càng kém bắt sáng hơn. Chính vì vậy khi pixel không thể bắt đủ sáng thì kết quả sẽ sinh ra nhiễu tạp “noise” trong ảnh.

Vậy tất cả các vấn đề khác ở đây đều bằng nhau, hàng triệu photodiode được tích hợp vào trong một sensor nhỏ sẽ làm cho chất lượng ảnh kém hơn cùng một số photodiode như vậy nhưng với một sensor lớn hơn. Nếu sensor lớn hơn hoặc số lượng megapixel nhỏ hơn thì mỗi photodiode sẽ có thể lớn hơn. Chính vì vậy, với cùng một số pixel nhưng sensor lớn hơn sẽ capture nhiều ánh sáng hơn trên mỗi photodiode so với các sensor nhỏ hơn và cho chất lượng ảnh tốt hơn.

Một sensor nhỏ không hẳn đã là tồi mà ngược lại nó cho phép camera có kích thước nhỏ hơn để có thể cầm tay. Đó là lý do tại sao các camera số lại nhỏ hơn rất nhiều so với các camera dành cho các nhà làm phim. Các sensor nhỏ hơn cũng đỡ đắt tiền hơn, điều đó có thể làm cho các cá nhân người dùng có thể đủ tiền để mua được cho họ một camera riêng.

Sự tạo màu

Mỗi một photodiode trong sensor camera chỉ phát hiện độ sáng của ánh sáng. Để sản sinh ra nhiều màu sắc, mỗi một cell trong sensor cần được phủ một filter màu để chỉ phát ra ánh sáng với bước sóng tương tự. Cho ví dụ, một filter màu xanh sẽ chỉ sinh ra những tia sáng xanh. Filter màu đỏ sẽ chỉ sinh ra các tia màu đỏ. Các filter cần tạo một trong các màu chủ yếu: red, green và blue. Chúng được sinh ra theo một mẫu để mỗi photodiode sẽ có thể tạo ra tất cả các màu đó. Hầu hết các sensor của camera ngày nay đều sử dụng một filter có tên gọi là Bayer mask filter. (được đặt tên bởi Dr. Bryce Bayer của Kodak). Filter này sẽ sinh ra các màu theo một mẫu lưới các màu sắc khác nhau. Do mắt người khá nhậy cảm hơn với màu xanh lá cây nên Bayer mask đã có hai filter màu xanh này cho filter red và blue. Điều này tạo ra một hình ảnh thật hơn so với những gì mắt người nhìn thấy.

Với các filter màu, mỗi một photodiode có thể thể hiện một giá trị red, green hay blue. Giá trị màu của các cell này được kết hợp và được nội suy để thể hiện phổ màu hoàn chỉnh, cho phép bộ xử lý ảnh tạo ra một ảnh màu hoàn chỉnh.

Hiện chỉ có sensor Foveon thể hiện màu sắc có khác biệt. Thay cho việc sử dụng các filter, sensor Foveon lại đặt các photodiode ở các độ sâu khác nhau bên trong tấm silicon để phát hiện ra các màu sắc khác nhau. Điều này có nghĩa rằng mỗi photodiode có thể phát hiện tất cả các màu sắc trong ba màu cơ bản này mà không cần sử dụng đến filter. Mặc dù điều này được tiến cử để tạo màu sắc trung thực hơn nhưng sensor Foveon vẫn còn mới và hiện đang được thử nghiệm kỹ lưỡng.

Kết luận

Sensor là một trong những thành phần tối quan trọng trong một camera số và kích thước của nó là một trong những khía cạnh quan trọng nhất mà chúng ta cần phải quan tâm. Khi chọn một camera số, bạn cần phải nhớ rằng các camera hoàn chỉnh thường có các bộ sensor nhỏ hơn và các camera SLR lớn hơn thường có các sensor lớn hơn. Tuy nhiên cũng phải chú ý thêm đến các hãng sản xuất khác nhau đối với các sản phẩm của họ.

Mặc dù các sensor nhỏ hơn cho phép các camera có kích thước nhỏ gọn, rẻ tiền hơn và có thể cầm tay, nhưng khi số lượng megapixel quá cao thì một sensor nhỏ thường dẫn đến nhiều tạp nhiễu vào trong ảnh. Chính vì vậy chúng tôi khuyên các bạn nên kiểm tra ảnh một cách cẩn thận với các máy tính nhỏ point-and-shoot với hơn 6-megapixel để khẳng định rằng các ảnh này đạt được nhu cầu của bạn.