Thiết bị thu nhận hình ảnh còn gọi là bộ cảm biến hình ảnh

Thiết bị thu nhận hình ảnh còn gọi là bộ cảm biến hình ảnh

* ST

Khác với máy ảnh truyền thống dùng phim để lưu trữ hình ảnh, máy ảnh số dùng 1 thiết bị bán dẫn gọi là image sensor. Những con chip silion nhỏ bằng móng tay này chứa hàng triệu những tế bào cảm quang gọi là photodiod. Mỗi photodiod này ghi nhận cường độ của ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó và phản ứng theo ánh sáng tiếp nhận được bằng cách tích tụ 1 năng lượng nhất định.

Ánh sáng tiếp nhận càng mạnh thì lượng điện tích tụ càng cao. Lượng điện tích này sau đó sẽ được lưu trữ dưới dạng 1 tập hợp các con số và các con số này sẽ tái tạo lại màu sắc và độ sáng dưới dạng những điểm ảnh trên màn hình hoặc hạt mực trên giấy in để hợp thành hình ảnh.

Hoạt động của bộ cảm biến hình ảnh

Cũng giống các máy ảnh truyền thống, ánh sáng đi vào máy ảnh số qua 1 ống kính được điều khiển bằng màn trập (shutter). Máy ảnh số ngày nay điều khiển thời gian lộ sáng bằng 1 trong 3 kiểu thiết kế màn trập sau:

1. Bộ cảm biến chính là màn trập điện tử (Electronically shuttered sensors): Sử dụng chính bộ cảm biến tắt mở tự động để xác định thời gian lộ sáng.

Một mạch đếm (timer) sẽ báo cho bộ cảm biến biết khi nào bắt đầu và kết thúc thời gian lộ sáng.

2. Màn trập điện cơ (Electro-mechanical shutters): Sử dụng 1 thiết bị cơ học điều khiển bằng điện tử để đóng mở màn trập.

3. Màn trập quang cơ (Electro-optical shutters): Sử dụng 1 thiết bị điều khiển bằng điện đặt trước bộ cảm biến hình ảnh và thiết bị này sẽ thay đổi hướng đi của ánh sáng.

Khi bạn chụp ảnh, màn trập mở ra để tiếp nhận ánh sáng (chính là hình ảnh) được hội tụ bởi ống kính. Các photodiod của bộ cảm biến sẽ ghi nhận lại vùng sáng, vùng tối và các cấp độ sáng khác nằm giữa 2 vùng cực độ này. Sau đó mỗi photodiod sẽ chuyển lượng sáng nhận được thành 1 điện tích. Khi màn trập đóng lại và việc lộ sáng hoàn tất, các photodiod sẽ lưu giữ các dạng điện tích theo tín hiệu tuần tự (analog) đã ghi nhận và sau đó sẽ được hoán đổi sang tín hiệu kỹ thuật số (digital) bằng 1 bộ phận chuyển đổi tín hiệu từ tuần tự sang kỹ thuật số (analog to digital converter).

Thiết kế mạch của bộ cảm biến trong máy ảnh số

Hiện nay có 2 cách thiết kế bộ cảm biến hình ảnh phổ biến nhất là thiết kế theo cụm (area array) và thiết kế theo dãy (linear array).

1. Bộ cảm biến xếp theo cụm (area array sensor): Hầu hết các loại máy ảnh số hiện nay đều sử dụng kiểu thiết kế này. Với cách thiết kế theo cụm, các photodiod được xếp theo các ô lưới vì chúng có thể phủ toàn bộ khu vực hình ảnh và sẽ thu nhận toàn bộ hình ảnh cùng 1 lúc ngay khi chụp.

2. Bộ cảm biến xếp theo dãy (linear array sensor): Tất cả các máy quét ảnh (scanner) và 1 số rất ít các máy ảnh số chuyên nghiệp sử dụng kiểu thiết kế này. Kiểu thiết kế này không cho phép bộ cảm biến phủ toàn bộ diện tích hình ảnh ghi nhận, hình ảnh phải được quét dọc theo bộ cảm biến theo từng hàng một để dần dần tạo thành 1 hình ảnh tổng thể. Những máy ảnh số dùng bộ cảm biến theo kiểu thiết kế này chỉ dùng để chụp các vật thể cố định (sản phẩm, tĩnh vật…).

Công nghệ chế tạo bộ cảm biến hình ảnh

Bộ cảm biến máy ảnh số hiện nay sử dụng 2 công nghệ phổ biến:

1. CCD – Charge Couple Device (Thiết bị tích điện kép)

2. CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor (Chất bán dẫn ôxít kim loại bổ sung)

Một số hãng đã nghiên cứu và phát triển 2 công nghệ này lên tầm cao mới, giúp nâng cao chất lượng hình ảnh trong khi thu nhỏ kích thước bộ cảm biến qua đó làm giảm đáng kể kích thước của máy ảnh số. Có thể kể ra những phát minh cải tiến công nghệ đột phá của bộ cảm biến hình ảnh như:

– Super CCD của Fujifilm

– Super HAD (Hole-Accumulation Diode) CCD của Sony

– Foveon X3 của Foveon

– LBCAST (Lateral Buried charge Accumulator and Sensing Transistor array) của Nikon