Tìm hiểu cảm biến máy ảnh số

Các máy ảnh kỹ thuật số hiện nay đều sử dụng chip cảm quang, chứa hàng triệu pixel nhỏ bé để tái hiện thông tin về màu của một bức ảnh. Số lượng pixel càng lớn, ảnh có độ phân giải càng cao. Tuy nhiên, chất lượng ảnh (bao gồm độ nét, độ rộng của dải tương phản và độ bão hòa màu…) lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là ống kính và cấu trúc cảm quang.

Cảm biến full-frame của Canon EOS 5D Mark II với 21,1 triệu điểm ảnh hiệu dụng. Ảnh: Anandtech.

Khi nhấn nút chụp, ánh sáng sẽ đi qua hệ quang học phức tạp của ống kính và tạo ảnh trên bề mặt sensor. Quá trình phơi sáng (exposure) được thực hiện tại cảm biến cho đến khi cửa trập của máy ảnh đóng lại. Các điểm ảnh rất nhỏ trên cảm biến có một vùng đặc biệt để thu nhận ánh sáng gọi là “photosite”. Tại đây, các lượng tử ánh sáng được “bẫy” và giữ lại. Khi quá trình phơi sáng kết thúc, photosite lập tức đóng và hệ thống mạch của sensor sẽ phân tích số lượng photon ánh sáng rơi vào “bẫy” quang học tí xíu này. Số lượng photon mà máy đếm được sẽ cho ra dữ liệu về cường độ sáng của từng kênh màu mà photosite thu nhận. Dữ liệu này tiếp tục được tập hợp để cho ra một ma trận điểm ảnh. Khả năng chính xác màu sắc mà sensor thu nhận được gọi là độ sâu màu. Chẳng hạn, ảnh có độ sâu màu 8 bit sẽ tái hiện được tối đa 255 màu.

Minh họa lượng tử ánh sáng và “bẫy” photosite. Ảnh: Cambridgeincolor.

“Bẫy” lượng tử có thể cùng lúc thu nhận các hạt ánh sáng với mức năng lượng khác nhau rơi vào. Tuy nhiên, hệ thống mạch hỗ trợ không thể phân biệt được “màu” của từng hạt riêng biệt. Kết quả, ta sẽ thu được một bức ảnh xám xịt với rất ít chi tiết nổi bật. Để tạo ra một bức ảnh màu hoàn chỉnh, mỗi “bẫy” được trang bị một màng lọc ngay phía trên. Các màng lọc sẽ chỉ cho ánh sáng có một màu nhất định đi qua. Hầu hết máy ảnh kỹ thuật số hiện nay, bẫy được thiết kế để một trong ba màu cơ bản (đỏ, lục, lam) rơi vào. Hệ thống màng lọc màu này có tên gọi thông dụng là “dãy Bayer” (Bayer array).

Minh họa dãy Bayer trên sensor máy ảnh: Ảnh: Mellpc.

Một dãy Bayer bao gồm những hàng có màu lục-đỏ và lục-lam xen kẽ nhau. Số lượng màng lọc lục lớn gấp đôi số màng lọc đỏ hoặc lam vì mắt người nhạy cảm với ánh sáng xanh lục hơn so với những màu còn lại. Mặt khác, một lượng lớn các điểm ảnh lục sẽ tạo ra hình ảnh có ít nhiễu và độ chi tiết cao hơn so với ảnh tạo bởi 3 màu cơ bản có mật độ ngang nhau. Điều này cũng lý giải tại sao nhiễu thường xuất hiện mạnh trên kênh đỏ và lam hơn là trên kênh lục.

Chú ý, không phải tất cả máy ảnh hiện nay đều sử dụng dãy Bayer để bẫy ánh sáng cho các photosite. Cảm biến Foveon trong model máy ảnh Sigma SD9 và SD9 có thể bẫy được tới 3 màu cho cùng một pixel. Các máy ảnh Sony còn có dãy màng lọc bắt được tới 4 màu: đỏ, lục, lam và xanh ngọc bíc.

Quá trình xử lý được thực hiện bằng cách kết hợp màu trong từng ô kích thước 2×2 chứa các giá trị đỏ, lục, lam. Máy sẽ kết hợp các ô 2×2 nằm gối lên nhau để tăng độ phân giải. Ảnh: Wikipedia.

Vì mắt người nhạy cảm với ba vùng quang phổ gần tương ứng với màu đỏ, lục, lam, nên chỉ cần dùng ba nguồn sáng này để tạo ra cảm giác về hầu hết màu sắc trong tự nhiên. Như vậy, quá trình xử lý để tạo ra một bức ảnh được thực hiện bằng cách kết hợp màu trong ô kích thước 2×2 chứa các giá trị đỏ, lục, lam gần nhau nhất. Quá trình này sẽ tiếp diễn với ô kích thước 2×2 kế tiếp. Tuy nhiên, việc này sẽ khiến số điểm ảnh theo mỗi chiều sẽ giảm đi một nửa. Biện pháp giải quyết hữu hiệu nhất là máy sẽ kết hợp các ô 2×2 nằm gối lên nhau để tăng độ phân giải. Quá trình này cũng giúp tăng luôn tương phản và tăng sự mượt mà cho dải màu trên ảnh.

Lưu ý, máy sẽ cắt bỏ giá trị màu của hàng và cột ngoài cùng trên cảm biến vì các hàng và ô này không nằm gối lên nhau. Pixel thừa gọi là điểm ảnh không hiệu dụng, mặc dù chúng vẫn có ích trong quá trình xử lý. Một số thuật toán khác cũng được sử dụng để tạo ra hình ảnh với độ phân giải và chất lượng cao hơn nhiều mà lại ít gây ra nhiễu. Các vi xử lý cũng được tích hợp công nghệ loại bỏ các chi tiết giả nhằm cho ra bức ảnh với khả năng tái hiện chân thực nhất.

Minh họa một microlens với tác dụng hất phần ánh sáng bị bỏ rơi vào photosite. Ảnh: Digitalmedia.

Trên thực tế, cácphotosite không nằm sát cạnh nhau. Chúng chỉ chiếm khoảng nửa diện tích của cảm biến vì còn phải nhường chỗ cho các thiết bị vi điện tử khác. Điều này sẽ dẫn đến việc có rất nhiều lượng tử ánh sáng bị “bỏ rơi” do không được bẫy vào photosite. Các nhà chế tạo đã khắc phục hạn chế này bằng cách tăng độ lớn của mỗi photosite để chúng có thể thu được nhiều ánh sáng hơn đồng thời thiết kế một thấu kính nằm phủ phía trên photosite gọi là microlens. Các microlens này có nhiệm vụ hất những lượng tử ánh sáng bị bỏ rơi vào đúng chỗ của chúng trên photosite. Một sensor được thiết kế tốt với các microlen đặt chuẩn xác có thể cải thiện tốt màu sắc, độ sáng cũng như giảm tối đa nhiễu cho ảnh. Những nhà sản xuất chip cảm quang hàng đầu, như Canon hay Sony, đã biết cách tận dụng những cải tiến trong việc chế tạo microlens để giảm hoặc hạn chế noise mặc dù các photosite đã bị ép nhỏ tới mức “kinh hoàng” để tăng thêm độ phân giải cho máy ảnh.

Trần Hạ tổng hợp