Tại sao đế chế cảm biến CCD sụp đổ, nhường ngôi vương cho CMOS ?

Sự ra đời của cảm biến máy ảnh kỹ thuật số

Ngày nay chúng ta có thể không cần bận tâm đến việc chụp 1 bức ảnh như thế nào là đẹp, chỉ cần chú ý bố cục một chút, mọi việc còn lại máy ảnh hay điện thoại có thể auto hết. Thật đơn giản.

Tuy nhiên ở giai đoạn thời kỳ đầu của thế kỷ 20, thời kỳ mà người ta chế tạo ra máy ảnh phim, điều này không hề dễ dàng. Mỗi bức ảnh đều phải được canh chuẩn chỉ từng chút để không bỏ lỡ khoảng khắc và tiền bạc. Máy ảnh lúc ấy không có viewfinder. Mọi hiển thị đều nằm trong trái tim lúc đó là 1 cuộn phim. Chỉ đến những năm 70. Khi  Willard Boyle và George E. Smith  nhận giải nobel vật lý vì phát minh ra cảm biến CCD, mọi thứ mới bắt đầu dễ dàng hơn. Cảm biến CCD có vai trò phát hiện và ghi lại nguồn ánh sáng nhận được, sau đó chuyển đổi điện tích thành 1 hình ảnh và hiển thị. Đó là 1 cuộc cách mạng cho nhiếp ảnh và biến những cuộn phim từ Kodar trở thành dĩ vãng.

Kể từ khi ra đời, hầu hết máy ảnh lúc đó đều sử dụng cảm biến CCD vì hiệu năng của nó. Có thể nói CCD là ông vua cảm biến cho đến những năm đầu của thế kỷ 21. Dù sau đó chúng ta đều biết CCD không còn được trọng dụng nhưng trên hết, CCD đã cho ngành sản xuất máy ảnh đi từ màu đen của những cuộn phim đến với ánh sáng của xứ sở mặt trời. Nơi mà những thương hiệu máy ảnh nổi tiếng như Canon, Nikon.. ra đời.

Ngày nay, chúng ta có khá nhiều loại cảm biến, nhưng chúng đều có những nguyên tắc chúng về đo sáng. Về cơ bản, xin nhắc lại là về cơ bản, chúng ta có bốn công nghệ cảm biến: CMOS với Bayer CFA, CMOS không có CFA (cảm biến đơn sắc), CMOS với X-Trans CFA của Fujifilm và cảm biến Foveon của Sigma. Tóm lại là chỉ có CMOS và Foveon.

Cảm biến CCD

CCD là 1 công nghệ cảm biến điện tử, là viết tắc của từ Charge Coupled Device. Hiểu đơn giản nó là 1 linh kiện của máy ảnh có khả năng tích điện kép. Có khả năng chuyển đổi tín hiệu quang học ánh sáng sang tín hiệu điện. Cấu tạo của CCD được tạo nên từ những khay silicon hình tròn với đường kính khoảng 6 inch chứa hàng triệu pixel. Những khay này cực kỳ đắt đỏ, chúng chiếm hết 1/3 giá trị của máy ảnh.

Về cơ bản tất cả cảm biến đều là vật đo ánh sáng và đều đơn sắc, chỉ khi được nạp vào 1 lớp CFA- bộ lọc màu chúng mới đọc được màu sắc của ánh sáng. CFA được tạo ra từ 3 loại diode cơ bản Red Green và Blue. Chúng phối trộn với nhau và tạo ra nhiều màu sắc mà mắt người nhìn thấy.

Khi nhận ánh sáng từ bên ngoài, CCD thu nhận các photon trong ánh sáng và giải phóng các electron. Các electron này sẽ duy chuyển từng hàng pixel trên bề mặt CCD. Mỗi pixel sẽ có nhiệm vụ thu giữ photon. Đến hàng pixel cuối cùng sẽ có 1 bộ phận khuếch đại, bộ nhận này sẽ đếm số lượng photon bị giữ lại từ mỗi pixel, tổng hợp chúng lại thành điện áp và gửi đến bộ chuyển đổi kỹ thuật số ADC. Từ đây mọi thứ đơn giản hơn, ADC chuyển đổi những tín hiệu đó thành hình ảnh.

Tại sao CCD không còn được sử dụng rộng rãi

Có thể nói lý do chính mà CCD đã thất bại đó là vì sự cải tiến và tính thông dụng của những loại cảm biến khác chứ không phải do chất lượng. CCD có chất lượng hình ảnh tốt với dynamic range rộng và khử nhiễu rất tốt, thậm chí tốt hơn cả CMOS thời kỳ đầu. Ngày nay thì CMOS đã có quá nhiều cải tiến nên CCD không còn là đối thủ xứng tầm nữa.

Sự thông dụng của CMOS đã khiến CCD không được trọng dụng như thời hoàn kim của nó nữa. Điểm khác biệt nằm ở khả năng đọc của những loại cảm biến. Với CCD ánh sáng sẽ được đọc qua từng pixel, sau đó mới tổng hợp ở hàng pixel cuối, rồi sau đó lại gửi về ADC. Điều này đã làm cho quá trình đọc của CCD khác chậm, dẫn đến hiện tượng trễ khung hình đáng kể. Hãy tưởng tượng mọi thứ với CCD sẽ ổn khi chụp chân dung, ảnh tĩnh. Nhưng nếu chụp 1 khung ảnh chuyển động nhanh thì sao?. nó sẽ bỏ lỡ khoảnh khắc cần được ghi hình.

Nhược điểm đó đã được cải tiến trên CMOS khi mỗi pixel riêng biệt của CMOS đều có khả năng thu photon và chuyển điện áp trực tiếp đến bộ khuếch đại. Thêm nữa mỗi cột pixel đều có hẵn 1 ADC khiến cho quá trình đọc diễn ra nhanh đáng kể.

• 

• 

Thêm một điều nữa khiến cho CCD nhường ngôi CMOS đó là quá trình sản xuất của CMOS dễ dàng hơn. Với việc mỗi ADC và cảm biến hình ảnh đều nằm trên 1 khay silicon, giúp cho nó tiết kiệm được chi phí sản xuất. Việc này cũng khiến cho CMOS có thể chế tạo ra cảm biến nhỏ hơn trên từng khay silicon, tích hợp dễ dàng cho điện thoại. Cảm biến của CMOS cũng tiêu thụ ít điện và ít tỏa nhiệt hơn.

Trên các diễn đàn nhiếp ảnh, không khó để tìm ra những bài viết, tranh luận giữa CCD và CMOS, sẽ có người cho rằng CCD cho hình ảnh vượt trội và đẹp mắt hơn, điều này đúng, hình ảnh của CCD xuất ra khá giống ảnh phim, giống với thị giác của con người và cho màu sắc khá nổi bật. CMOS thì cho ảnh với màu sắc chính sát và trung tính hơn, đó sẽ là quan điểm chủ quan của mỗi cá nhân. Tất nhiên ta có thể thấy số lượng quan điểm rõ rệt thế nào khi CMOS đang thống trị nền cảm biến.

Một điều không thể phủ nhận đó là việc công nghệ của CMOS ngày càng phát triển, nó làm người ta quên đi sự tồn tại của CCD vì sự chóng mặt các cuộc đua công nghệ. Với mình sự tồn tại của các loại cảm biến đều có ý nghĩa riêng của nó, mỗi loại đều có mục đích và thế giới riêng để phát triển. CCD chính là 1 di sản của nền công nghiệp máy ảnh thời kỳ đầu. Nó là cảm hứng cho những thay thế sau này .

Sau cùng xin cảm ơn mọi người đã theo dõi bài viết. Nguồn tham khảo : petapixel, fptshop, wikipedia, 50mm

Nguồn ảnh : Pexel, petapixel, fptshop