Cảm Biến Xếp Chồng: Tương Lai Sáng Lạn Cho Ảnh Chụp Trên Điện Thoại Android

Hiểu Về Nhiếp Ảnh Kỹ Thuật Số

Sự khác biệt giữa máy ảnh analog và máy ảnh kỹ thuật số nằm ở việc máy ảnh analog sử dụng phim nhạy sáng để ghi lại hình ảnh, trong khi máy ảnh kỹ thuật số sử dụng cảm biến điện tử. Trong cảm biến này, mỗi pixel (điểm ảnh riêng lẻ tạo nên hình ảnh kỹ thuật số) đều chứa thông tin ánh sáng được thu thập bởi một phần rất nhỏ của cảm biến (một cho mỗi pixel trong ảnh).

Có hai loại cảm biến máy ảnh kỹ thuật số: CCD (Charge-Coupled Device) và CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Hiện nay, hầu hết các camera trên điện thoại Android đều sử dụng loại CMOS, vì vậy chúng ta sẽ tập trung giải thích công nghệ này.

Cảm biến CMOS bao gồm một số thành phần. Photodiode là thành phần quan trọng nhất, nó tạo ra tín hiệu điện khi nhận được ánh sáng. Tín hiệu này được lưu trữ bởi transistor ngay bên cạnh photodiode, sau đó chuyển đổi tín hiệu thành thông tin kỹ thuật số và gửi đến mạch điện tử.

Mạch điện tử có nhiệm vụ giải mã dữ liệu này và truyền nó, cùng với hàng tỷ pixel khác, đến Bộ xử lý Tín hiệu Hình ảnh (ISP) để tạo ra bức ảnh cuối cùng.

Những Ngày Đầu Của Camera Điện Thoại

Trước năm 2008, cảm biến CMOS gặp phải một vấn đề nghiêm trọng: các dây dẫn cần thiết để truyền thông tin pixel đến ISP đi qua giữa photodiode và ống kính, gây cản trở một phần ánh sáng. Cấu trúc tương tự cũng được sử dụng cho cảm biến CCD, nhưng đối với CMOS, điều này dẫn đến ảnh tối hơn, nhiễu hơn và mờ hơn.

Vấn đề này được giải quyết bằng một ý tưởng đơn giản: di chuyển photodiode lên trên các dây dẫn để nhận được nhiều ánh sáng hơn, từ đó cải thiện chất lượng hình ảnh. Đây được gọi là cảm biến Chiếu Sáng Phía Sau (BSI), trái ngược với các cảm biến trước đây là Chiếu Sáng Phía Trước.

Để đặt vấn đề vào bối cảnh, iPhone 4, mẫu điện thoại đã khởi đầu danh tiếng của Apple trong lĩnh vực nhiếp ảnh smartphone, là một trong những điện thoại đầu tiên sử dụng loại cảm biến này. Ngày nay, hầu hết các camera trên điện thoại di động đều sử dụng cảm biến BSI.

Cảm Biến Xếp Chồng Cải Thiện Chất Lượng Ảnh Và Giảm Kích Thước

Ngay cả sau khi loại bỏ dây dẫn, vẫn còn nhiều điểm cần cải thiện trong cảm biến CMOS. Một trong số đó là mạch điện tử chịu trách nhiệm xử lý thông tin từ transistor. Mạch này bao quanh photodiode, vì vậy khoảng một nửa lượng ánh sáng đến mỗi pixel cuối cùng lại rơi vào phần của cảm biến không thu ánh sáng.

So sánh giữa cảm biến CMOS BSI và CMOS xếp chồng

Năm 2012, cảm biến CMOS xếp chồng đầu tiên được tạo ra. Thay vì bao quanh photodiode, mạch điện tử được đặt bên dưới nó. Vì nó (một phần) thay thế cho lớp nền được sử dụng để tạo độ cứng, không làm tăng độ dày. Thực tế, kể từ đó, các cải tiến trong quá trình xếp chồng, cả từ Sony và các nhà sản xuất khác đã áp dụng công nghệ này, đã dẫn đến cảm biến mỏng hơn, cho phép điện thoại mỏng hơn.

Càng Nhiều Lớp Xếp Chồng Hơn Nữa?

Bằng cách di chuyển mạch điện tử xuống dưới photodiode, người ta có thể nghĩ rằng lớp trên cùng sẽ chỉ dành cho phần thu ánh sáng, đúng không? Sai rồi.

Bạn còn nhớ transistor không? Nó nằm ngay bên cạnh photodiode, chiếm thêm không gian quý giá để thu ánh sáng. Giải pháp? Thêm nhiều lớp xếp chồng hơn!

Các kỹ sư đã từng làm điều này trước đây. Năm 2017, Sony công bố cảm biến camera với RAM nằm giữa photodiode và mạch điện tử, cho phép quay video siêu chậm 960FPS. Đó chỉ là vấn đề áp dụng cùng một ý tưởng cho một phần của cảm biến hiện có.

Bây giờ, photodiode cuối cùng đã nằm ở lớp trên cùng của cảm biến, và chỉ có photodiode. Điều này hiệu quả gấp đôi tín hiệu mà photodiode có thể thu được và transistor có thể lưu trữ.

Ảnh cảm biến kỹ thuật số của máy ảnh DSLR

Tác động ngay lập tức là mỗi pixel có gấp đôi thông tin ánh sáng để làm việc. Và như với mọi thứ trong nhiếp ảnh, nhiều ánh sáng hơn có nghĩa là ảnh chi tiết hơn.

Tuy nhiên, vì transistor cũng gấp đôi dung lượng, nó có thể chuyển đổi tín hiệu điện từ photodiode thành thông tin kỹ thuật số tốt hơn. Một trong những ứng dụng có thể của điều này là giảm nhiễu ảnh, từ đó nâng cao chất lượng ảnh.

Cảm Biến Xếp Chồng Cho Tương Lai Sáng Lạn

Trong khi cảm biến xếp chồng đơn—photodiode và transistor trong một lớp, mạch điện tử bên dưới—đã tồn tại từ lâu, cảm biến xếp chồng đôi (một lớp cho mỗi phần) vẫn còn khá mới. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các máy ảnh chuyên nghiệp, với chiếc điện thoại di động đầu tiên có cảm biến như vậy, Sony Xperia 1 V, được ra mắt vào tháng 5 năm 2023.

Điều này có nghĩa là công nghệ vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Cùng với nhiều cải tiến khác đã được thực hiện trong nhiếp ảnh di động cho đến nay, cảm biến xếp chồng có nghĩa là camera trên điện thoại Android đang đi trên con đường đến một tương lai sáng lạn—hay chúng ta nên nói là một bức ảnh sáng hơn?