Mỗi lần bấm nút chụp trên điện thoại, ánh sáng đi qua cụm thấu kính nhỏ xíu rồi rơi lên một con chip silicon nhỏ. Con chip đó là cảm biến ảnh CMOS, nơi hàng triệu điểm ảnh cùng lúc đếm xem mình nhận được bao nhiêu ánh sáng. Loại cảm biến này cũng nằm trong webcam, camera hành trình và phần lớn máy ảnh hiện nay.

Ánh sáng thành electron

Nguyên lý cơ bản là hiệu ứng quang điện mà Albert Einstein giải thích và nhận giải Nobel năm 1921: khi photon ánh sáng chạm vào silicon, nó có thể đánh bật electron ra khỏi liên kết. Mỗi điểm ảnh trên cảm biến chứa một photodiode, một vùng silicon được thiết kế để gom các electron đó trong thời gian phơi sáng. Chỗ nào sáng hơn, điểm ảnh ở đó gom được nhiều electron hơn. Sau đó mạch điện đọc lượng điện tích của từng điểm ảnh, chuyển thành con số, và bộ xử lý ghép tất cả lại thành bức ảnh.

Cảm biến số thành công đầu tiên là CCD, do Willard Boyle và George Smith phát minh tại Bell Labs năm 1969, công trình giúp họ nhận giải Nobel Vật lý 2009. CCD chuyển điện tích lần lượt từ điểm ảnh này sang điểm ảnh khác tới một lối ra duy nhất, cho chất lượng tốt nhưng tốn điện và cần nhiều chip phụ trợ bên ngoài.

So sánh hai cảm biến CMOS: loại full-frame 35 mm trong thân máy ảnh và một cảm biến nhỏ gắn trên bo mạch camera. Cảm biến điện thoại thuộc nhóm kích thước nhỏ

Từ tàu vũ trụ tới điện thoại

Ý tưởng đặt bộ khuếch đại ngay trong từng điểm ảnh, gọi là cảm biến điểm ảnh chủ động (APS), được Peter Noble đề xuất từ năm 1966. Năm 1985, nhóm của Tsutomu Nakamura ở Olympus làm ra cảm biến APS dùng công nghệ MOS đầu tiên. Bước ngoặt đến vào đầu thập niên 1990, khi Eric Fossum ở Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA tìm cách thu nhỏ camera cho tàu vũ trụ.

Nhóm của Fossum dùng chính quy trình CMOS sản xuất bộ vi xử lý và chip nhớ để làm cảm biến, rồi tích hợp gần như mọi mạch của camera, từ điều khiển, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số tới xử lý tín hiệu, lên cùng một con chip. NASA gọi đó là camera trên một con chip. Theo NASA Spinoff, cách làm này tiêu thụ điện ít hơn CCD tới 100 lần và rẻ hơn khi sản xuất. Năm 1995, Fossum cùng đồng nghiệp lập công ty Photobit để thương mại hóa công nghệ, về sau được Micron mua lại.

Khi điện thoại có camera bùng nổ vào giữa thập niên 2000, CMOS tỏ ra phù hợp: nhỏ, rẻ, ít hao pin. Năm 2007, doanh số cảm biến CMOS vượt CCD với 54% thị trường, lên 74% năm 2012 và 89% năm 2017. Ngành quay phim cũng chuyển sang CMOS khi video HD ra đời, vì CCD với số điểm ảnh lớn sẽ nóng và tốn điện.

Màu sắc đến từ một tấm lọc

Photodiode chỉ đo được độ sáng, không phân biệt màu. Để có ảnh màu, phía trên mỗi điểm ảnh được phủ một ô lọc màu đỏ, xanh lục hoặc xanh lam theo bộ lọc Bayer, mang tên kỹ sư Bryce Bayer của Kodak, được cấp bằng sáng chế năm 1976. Một nửa số ô là xanh lục, vì mắt người nhạy nhất với vùng màu này khi cảm nhận độ sáng, còn đỏ và xanh lam mỗi màu chiếm một phần tư. Vì mỗi điểm ảnh chỉ ghi được một màu, phần mềm phải nội suy hai màu còn lại từ các điểm ảnh xung quanh, công đoạn gọi là demosaicing.

Sơ đồ minh họa bộ lọc màu Bayer và mặt cắt điểm ảnh kiểu chiếu sáng mặt trước so với chiếu sáng mặt sau (BSI)

Lật ngược con chip

Ở cảm biến truyền thống, các lớp dây nối kim loại nằm giữa thấu kính và photodiode, che bớt một phần ánh sáng. Điểm ảnh càng nhỏ, phần bị che càng đáng kể. Cảm biến chiếu sáng mặt sau (BSI) giải quyết bằng cách lật tấm silicon lại khi sản xuất, mài mỏng mặt sau để ánh sáng đi thẳng vào photodiode mà không phải qua lớp dây. Theo Wikipedia, cách này nâng tỷ lệ photon được bắt từ khoảng 60% lên hơn 90%.

Quảng cáo

Kỹ thuật BSI từng chỉ dùng cho camera thiên văn hay camera an ninh vì khó làm và đắt. Năm 2008, OmniVision công bố cảm biến BSI 8 megapixel OV8810 với điểm ảnh rộng 1,4 micromet. Tháng 8/2009, Sony đưa dòng Exmor R ra thị trường phổ thông, và cảm biến BSI trở thành điểm nhấn của camera iPhone 4 năm 2010. Năm 2012, Sony tiến thêm một bước với cảm biến xếp chồng (stacked), đặt mạch xử lý thành một lớp riêng phía sau lớp điểm ảnh.

Cảm biến CMOS OmniVision OV7120 (640 x 480 điểm ảnh) nhìn cận cảnh. Vùng chữ nhật tối ở giữa là ma trận điểm ảnh, xung quanh là mạch xử lý và các sợi dây nối vàng

Vì vậy, khi so camera điện thoại, số megapixel chỉ là một phần. Kích thước cảm biến, kích thước từng điểm ảnh, kiểu chiếu sáng mặt sau hay xếp chồng và phần mềm xử lý ảnh đều góp phần quyết định ảnh ra sao, nhất là khi chụp thiếu sáng.

Nguồn:

Wikipedia: Active-pixel sensor

,

NASA Spinoff

,

NobelPrize.org

,

Wikipedia: Bayer filter

,

Wikipedia: Back-illuminated sensor