Cảm Biến Máy Ảnh Là Gì? Các Loại Cảm Biến Máy Ảnh

Nhiếp ảnh có khả năng kỳ diệu là lưu giữ khoảnh khắc trường tồn với thời gian. Chìa khóa cho phép màu này là cảm biến hình ảnh ở trung tâm của mọi máy ảnh kỹ thuật số. Giống như võng mạc trong mắt người thu nhận ánh sáng và chuyển đổi thành các xung thần kinh mà não có thể diễn giải, cảm biến thu nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện sau đó được xử lý để tạo thành hình ảnh kỹ thuật số. Hãy cùng TokyoCamera tìm hiểu cảm biến máy ảnh là gì và khám phá các loại cảm biến hình ảnh, kích thước cảm biến máy ảnh khác nhau được sử dụng hiện nay.

Cảm biến máy ảnh là gì?

Ở mức cơ bản nhất, cảm biến (sensor) máy ảnh là một thiết bị thể rắn hấp thụ các hạt ánh sáng (photon) qua hàng triệu điểm ảnh nhạy sáng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này sau đó được một chip máy tính diễn giải, sử dụng chúng để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số.

Mặc dù có một số loại cảm biến máy ảnh khác nhau, nhưng loại phổ biến nhất cho đến nay là cảm biến bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS), có thể tìm thấy bên trong phần lớn các máy ảnh kỹ thuật số hiện đại, bao gồm điện thoại thông minh, máy ảnh DSLR, máy ảnh compact và máy ảnh ống kính rời không gương lật.

Cơ chế hoạt động của cảm biến máy ảnh

Quá trình thu sáng của cảm biến máy ảnh

Với tất cả các loại cảm biến, quá trình chụp ảnh bắt đầu khi ánh sáng đi qua ống kính máy ảnh và chiếu vào cảm biến. Cảm biến chứa hàng triệu thụ thể ánh sáng hoặc điểm ảnh, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện tích. Độ lớn của điện tích tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng – càng nhiều ánh sáng chiếu vào một điểm ảnh cụ thể thì điện tích mà điểm ảnh đó tạo ra càng mạnh.

Để chụp được màu sắc cũng như thông tin về độ sáng, điểm ảnh được trang bị các bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Điều này có nghĩa là một số điểm ảnh ghi lại cường độ ánh sáng đỏ, một số ghi lại cường độ ánh sáng xanh lá cây và một số ghi lại cường độ ánh sáng xanh lam.

Các tín hiệu điện từ tất cả các điểm ảnh trong cảm biến được truyền đến bộ xử lý hình ảnh của máy ảnh, bộ xử lý này sẽ diễn giải tất cả thông tin này và xác định giá trị màu sắc và độ sáng của tất cả các pixel riêng lẻ (các thành phần hình ảnh) tạo nên hình ảnh kỹ thuật số.

Lợi ích của chụp ảnh RAW từ sensor máy ảnh là gì?

Nếu bạn chụp RAW, dữ liệu về giá trị màu sắc và độ sáng sẽ được lưu, cùng với thông tin về cài đặt máy ảnh, trong tệp RAW. Nếu máy ảnh được thiết lập để lưu ảnh ở bất kỳ định dạng tệp nào khác – JPEG, HEIF hoặc RAW+JPEG – thì quá trình xử lý tiếp theo sẽ diễn ra trong máy ảnh, thường bao gồm điều chỉnh cân bằng trắng, làm sắc nét và giảm nhiễu, cùng với các quy trình khác, tùy thuộc vào cài đặt máy ảnh.

Quá trình này cũng sẽ bao gồm demosaicing hoặc debayering, tính toán thông minh giá trị màu RGB chính xác cho từng pixel (mỗi điểm ảnh riêng lẻ chỉ ghi lại một màu – đỏ, lục hoặc lam). Kết quả cuối cùng là một hình ảnh kỹ thuật số màu hoàn chỉnh – mặc dù trên thực tế, nếu hình ảnh là JPEG, nhiều thông tin gốc do cảm biến thu được đã bị loại bỏ hơn là được giữ lại.

Các loại tệp như JPEG và HEIF được thiết kế để giúp tệp hình ảnh dễ di chuyển, do đó, quá trình nén và lược bỏ diễn ra để đạt được kích thước tệp nhỏ nhất có thể. Trong quá trình nén, một lượng lớn thông tin tông màu và màu sắc mà cảm biến đọc được sẽ bị mất. Ít thông tin hơn có nghĩa là chất lượng thấp hơn và do đó, khả năng chỉnh sửa hậu kỳ bị hạn chế. Tệp RAW chứa dữ liệu gốc từ cảm biến, chưa qua các quá trình xử lý demosaic nên giữ được dải động và phổ màu rộng hơn, cho phép hiệu chỉnh phơi sáng và điều chỉnh màu hiệu quả hơn.

Các loại cảm biến máy ảnh

Cảm biến máy ảnh CCD

Có một số loại cảm biến hình ảnh khác nhau. Nhiếp ảnh kỹ thuật số xuất hiện vào giữa những năm 1980 với sự ra đời của cảm biến CCD (Charge-Coupled Device). Những cảm biến này là những cảm biến đầu tiên giúp chụp ảnh mà không cần dùng đến phim, tạo nên cuộc cách mạng trong nhiếp ảnh.

Cảm biến CCD bao gồm một lưới tụ điện bán dẫn tích hợp có khả năng giữ điện tích. Khi ánh sáng chiếu đến cảm biến, các tụ điện này hoạt động như các điểm ảnh riêng lẻ, hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi thành điện tích. Lượng điện tích tại mỗi điểm ảnh tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào.

Trong cảm biến CCD, điện tích từ mỗi điểm ảnh được truyền qua lưới cảm biến (do đó có thuật ngữ ghép điện tích – Charge-Coupled) và được đọc ở một góc của mảng. Phương pháp này đảm bảo chất lượng hình ảnh cao và tính đồng nhất vì mỗi điểm ảnh sử dụng cùng một đường dẫn để phát tín hiệu. Vì lý do này, máy ảnh kỹ thuật số chuyên nghiệp đầu tiên của Canon, EOS-1D, ra mắt năm 2001, có cảm biến CCD 4,15MP. Tuy nhiên, quá trình này cũng tốn nhiều điện năng hơn so với quá trình trong cảm biến CMOS.

Cảm biến máy ảnh CMOS

Năm 2000, Canon giới thiệu cảm biến CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – bán dẫn kim loại oxit bổ sung) đầu tiên của mình trong EOS D30 3.1MP. Không giống như cảm biến CCD, truyền điện tích qua cảm biến đến một nút đầu ra duy nhất, cảm biến CMOS chứa nhiều bóng bán dẫn tại mỗi điểm ảnh, cho phép xử lý điện tích trực tiếp tại điểm đó. Điều này có một số ý nghĩa.

Đầu tiên, cảm biến CMOS cần ít điện năng hơn, giúp tiết kiệm năng lượng hơn. Chúng cũng có thể đọc điện tích với tốc độ nhanh hơn nhiều, điều này rất quan trọng khi chụp các chuyển động tốc độ cao. Hơn nữa, cảm biến CMOS có cùng cấu trúc cơ bản với bộ vi xử lý máy tính, cho phép sản xuất hàng loạt với chi phí thấp hơn trong khi vẫn tích hợp các chức năng bổ sung như giảm nhiễu và xử lý hình ảnh ngay trên cảm biến.

Tất cả các dòng máy ảnh PowerShot, EOS và Cinema EOS hiện tại của Canon đều có cảm biến CMOS, bao gồm cả dòng máy ảnh mirrorless EOS R System.

Lịch sử phát triển các loại cảm biến máy ảnh CMOS

Mặc dù cách thức hoạt động cơ bản của cảm biến CMOS vẫn giữ nguyên trong suốt lịch sử, thiết kế của nó đã phát triển để tối đa hóa hiệu quả và tốc độ.

Back-Side Illuminated Sensor – cảm biến chiếu sáng mặt sau

Trong trường hợp thiết kế cảm biến chiếu sáng mặt trước (FSI) ban đầu, tất cả hệ thống dây điện và mạch điện cần thiết để lưu trữ, khuếch đại và truyền các giá trị pixel chạy dọc theo các đường viền giữa mỗi pixel. Điều này có nghĩa là ánh sáng phải đi qua các khoảng trống để đến được điốt quang bên dưới. Như tên gọi của nó, cảm biến chiếu sáng mặt sau (BSI) lật ngược thiết kế ban đầu này lại để ánh sáng giờ được thu thập từ mặt sau của nó, nơi không có mạch điện.

Bằng cách loại bỏ sự cản trở do mạch điện gây ra, diện tích bề mặt lớn hơn có thể được tiếp xúc với ánh sáng, cho phép cảm biến thu thập nhiều photon hơn và sau đó tối đa hóa hiệu quả của nó. Kết quả là độ nhạy tăng lên, độ nhiễu thấp hơn và cuối cùng là hình ảnh chất lượng cao hơn.

Stacked Sensor – cảm biến xếp chồng

Trong khi thiết kế cảm biến BSI hướng đến tối ưu chất lượng hình ảnh, thì cảm biến xếp chồng lại quan tâm đến việc tăng tốc độ. Cho đến khi cảm biến máy ảnh xếp chồng ra đời, cảm biến CMOS hoạt động trên một lớp duy nhất. Điều này có nghĩa là tín hiệu đọc từ mỗi điểm ảnh phải đi qua các dải dây dẫn cho đến tận bên ngoài cảm biến trước khi chúng được xử lý.

Với cảm biến xếp chồng, các chip xử lý này đã được thêm vào mặt sau của cảm biến, về cơ bản tạo ra một ‘chồng’ chip kẹp lại với nhau. Bằng cách xếp chồng chúng theo cách này, khoảng cách mà các giá trị điểm ảnh phải di chuyển được giảm đáng kể, dẫn đến tốc độ xử lý nhanh hơn nhiều. Ví dụ, cảm biến xếp chồng X-Trans CMOS 5 HS có trong FUJIFILM X-H2S có tốc độ đọc gấp bốn lần so với thế hệ trước và gấp 33 lần tốc độ đọc của cảm biến X-Trans CMOS ban đầu có trong X-Pro1. Hơn nữa, thiết kế này vẫn để ngỏ khả năng tiếp tục xếp chồng thêm các chip, mang lại tiềm năng to lớn cho các phát triển trong tương lai.

Global Shutter Sensor – cảm biến màn trập toàn cục

Sony a9 III là máy ảnh không gương lật full-frame đầu tiên được tích hợp cảm biến CMOS màn trập toàn cục và chắc chắn đây sẽ không phải là chiếc máy ảnh cuối cùng. Global shutter là thiết kế mới cho phép phơi sáng toàn bộ điểm ảnh trên cảm biến cùng một lúc, khác với cơ chế rolling shutter thông thường (thu sáng lần lượt trên từng dòng của cảm biến).

Các ưu thế rõ ràng của global shutter so với thiết kế truyền thống là:

Loại bỏ biến dạng méo rolling shutter: bạn không thể có được hình ảnh bị méo vì đối tượng của bạn di chuyển trong khi màn trập đang mở và đóng. Quá trình bắt đầu và kết thúc phơi sáng xảy ra tức thời. Về nguyên tắc, màn trập toàn cục sẽ tránh được hiện tượng méo, nghiêng, “xé hình” ngay cả với các đối tượng chuyển động nhanh hơn như cánh quạt đang quay hoặc cú swing golf.

Điều này quan trọng hơn nhiều trong video, nơi máy ảnh thường sử dụng màn trập điện tử. Điều này có nghĩa là có nhiều loại chuyển động của đối tượng hoặc chuyển động của máy ảnh tạo ra hiện tượng méo có thể nhìn thấy. Vì vậy, những người quay video có nhiều khả năng đánh giá cao việc loại bỏ hiệu ứng rolling shutter mà màn trập toàn cục tức thời mang lại.

Loại bỏ dải đen khi chụp với ánh sáng nhân tạo: Tình huống thứ hai mà màn trập global trở nên hữu ích là khi bạn có các xung ánh sáng ngắn như trong đèn LED và màn hình. Đèn LED thường bật và tắt rất nhanh để kiểm soát độ sáng, trong khi màn hình LED nhấp nháy để hiển thị các màu sắc hoặc độ sáng khác nhau hoặc làm mới để hiển thị hình ảnh khác.

Với màn trập thông thường, bạn có thể vô tình chụp được hiện tượng nhấp nháy này vì mỗi phần của hình ảnh đang chụp sẽ được phơi sáng với một độ trễ nhất định. Điều này không xảy ra với màn trập toàn cục vì nó chụp một khoảnh khắc duy nhất. Vẫn có nguy cơ phơi sáng thay đổi, từng cảnh khi đèn LED nhấp nháy bật và tắt, nhưng bạn sẽ không gặp phải các dải gây mất tập trung trong hình ảnh của mình.

Đồng bộ đèn flash tự do: Ngay cả màn trập cơ học nhanh nhất cũng mất khoảng 1/250 giây để di chuyển hết qua cảm biến. Do đó, trong những cú phơi sáng ngắn hơn thời gian này, rèm phía sau của màn trập sẽ bắt đầu đóng trước khi rèm trước mở hoàn toàn. Điều này có nghĩa là không có thời điểm nào toàn bộ cảm biến được phơi sáng, do đó, một lần chớp sáng không thể chiếu sáng toàn bộ hình ảnh. Đây là giới hạn tốc độ đồng bộ đèn flash.

Với màn trập toàn cục, đây không phải là vấn đề: toàn bộ cảm biến được chụp cùng một lúc, do đó, ánh sáng đèn flash sẽ đến được mọi điểm ảnh, ngay cả khi phơi sáng ngắn nhất. Điều này loại bỏ nhu cầu sử dụng High Speed Sync.

Trên thực tế, điều này cũng có nghĩa là máy ảnh màn trập toàn cục có thể sử dụng tốc độ màn trập để điều chỉnh độ sáng nền của hình ảnh đèn flash, ngay cả khi phơi sáng ngắn. Mức độ đèn flash và khẩu độ sẽ kiểm soát độ phơi sáng của tiền cảnh, nhưng bạn có thể làm tối mọi thứ khác trong ảnh hoặc ngăn không cho hậu cảnh bị cháy sáng bằng cách sử dụng tốc độ màn trập cao hơn nhiều.

Các kích thước cảm biến máy ảnh

Ý nghĩa của kích thước cảm biến máy ảnh là gì?

Kích thước điểm ảnh

Rõ ràng là số megapixel của cảm biến (cho dù là tổng số pixel hay pixel hiệu dụng) không phải là toàn bộ câu chuyện. Kích thước vật lý của cảm biến là một yếu tố quan trọng. Cảm biến APS-C nhỏ hơn về mặt vật lý so với cảm biến full-frame, điều đó có nghĩa là ngay cả khi số lượng pixel giống hệt nhau, máy ảnh có cảm biến full-frame sẽ mang lại dải động rộng hơn và hiệu suất ánh sáng yếu tốt hơn – nếu có cùng số megapixel nhưng trên diện tích lớn hơn, thì máy ảnh có các điểm ảnh lớn hơn, có khả năng thu được nhiều ánh sáng hơn.

Điều này khiến máy ảnh full-frame như Canon EOS R3 và EOS R5 trở thành lựa chọn ưa thích của các chuyên gia, đặc biệt là những người chụp phong cảnh, kiến ​​trúc hoặc chân dung.

Hệ số crop

Ngược lại, vì cảm biến APS-C nhỏ hơn nên đối tượng của bạn sẽ chiếm nhiều khung hình hơn so với khi bạn sử dụng cùng một ống kính với cùng cài đặt trên máy ảnh full-frame – do đó, trên thực tế, cảm biến APS-C giúp tăng phạm vi tiếp cận của ống kính.

Nói cách khác, với cùng một tiêu cự ống kính, cảm biến APS-C sẽ cho ra góc nhìn hẹp hơn, điều tương tự cũng đúng với các định dạng nhỏ hơn như M43, 1-inch,… Độ thu hẹp của góc nhìn này so với cảm biến full-frame có thể được tính bằng tỷ lệ giữa độ dài đường chéo của cảm biến full-frame với độ dài đường chéo của định dạng cảm biến bất kỳ, hay còn gọi là hệ số crop.

Trong máy ảnh Canon APS-C, “hệ số crop” xấp xỉ 1.6x, mang lại cho bạn độ dài tiêu cự hiệu dụng lớn hơn 1,6x so với cùng một ống kính trên máy ảnh full-frame. Ví dụ, điều này mang lại cho ống kính 50mm trường nhìn của ống kính 80mm (50 x 1.6 = 80). Điều này có nghĩa là máy ảnh APS-C rất phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm chụp ảnh động vật hoang dã và đường phố. Ngoài ra, nhờ cảm biến nhỏ hơn, máy ảnh APS-C như EOS R50 và EOS R10 nhỏ hơn và nhẹ hơn so với máy ảnh full-frame tương đương, khiến chúng trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các cảnh quay du lịch hoặc thiên nhiên.

Cảm biến máy ảnh full-frame là gì?

Đây là kích thước cảm biến tiêu chuẩn: 36 x 24mm. Nó có tỷ lệ và kích thước giống như khung phim 35mm. Không có hệ số crop, vì vậy bất cứ thứ gì bạn thấy trong kính ngắm đều là thứ bạn sẽ chụp. Cảm biến hình ảnh có kích thước này thường yêu cầu máy ảnh có thân máy lớn hơn và ống kính máy ảnh thậm chí còn lớn hơn.

Nếu sử dụng ống kính khẩu độ rộng, các cảm biến này có thể chụp được độ sâu trường ảnh rất nông, thường rất phù hợp cho quay phim và các hiệu ứng nhiếp ảnh nghệ thuật. Ngoài ra, bạn cũng sẽ bắt gặp các máy ảnh với cảm biến lớn hơn full-frame: medium format và large format, với độ sâu trường ảnh mỏng hơn nữa.

Cảm biến máy ảnh APS-H và APS-C là gì?

APS là viết tắt của Active Pixel Sensor và là loại cảm biến cực kỳ phổ biến đối với máy ảnh ống kính rời. Nó kết hợp cảm biến lớn với số lượng pixel vừa phải. APS-H có kích thước 28.7 x 19mm, mang đến hệ số crop 1,3x.

Cảm biến APS-C là cái tên thường thấy hơn khi hầu hết các tên tuổi lớn đều sở hữu dòng máy định dạng này. Thậm chí, một số hãng như Fujifilm hoàn toàn bỏ qua máy ảnh full-frame và dòng máy X-Series chủ lực của hãng đều là các máy ảnh APS-C.

Không phải tất cả các loại cảm biến máy ảnh APS-C đều có kích thước như nhau. Cảm biến Canon APS-C có kích thước khoảng 22.2 x 14.8mm trong khi Sony có kích thước khoảng 23.5 x 15.6mm. Hệ số crop sẽ là 1.5x với Sony, Fujifilm và 1.6x với Canon.

Một số máy quay video sử dụng cảm biến Super 35mm (khu vực hoạt động xấp xỉ 24.6 x 13.8mm, tùy thuộc vào cài đặt độ phân giải), lớn hơn một chút so với APS-C (22.2 x 14.8mm) nhưng vẫn nhỏ hơn một nửa diện tích của full-frame (36 x 24mm). Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp phim ảnh nhờ sự cân bằng giữa chi phí, chất lượng hình ảnh và vẻ ngoài điện ảnh (với độ sâu trường ảnh nông).

Cảm biến máy ảnh Micro Four Thirds là gì?

Chỉ bằng khoảng một phần tư kích thước của cảm biến full frame: 17.3 x 13mm. Nó có hệ số crop 2x. Hệ thống M43 chỉ được Panasonic và Olympus sử dụng. Nó nhỏ hơn khoảng 30-40% so với cảm biến APS-C. MFT hoặc M4/3 là tên gọi thương mại của hệ thống Micro Four Thirds dành cho máy ảnh không gương lật có ống kính rời.

Cảm biến máy ảnh 1-inch là gì?

Đây là cảm biến có kích thước 13.2 x 8mm với hệ số crop 2.7x. Nó thường xuất hiện trên các máy ảnh compact ống kính cố định hoặc flycam và action camera cũng như điện thoại thông minh nhờ sự tối ưu về kích thước như Canon PowerShot G7 X Mark III.

Vẫn có các loại cảm biến máy ảnh thậm chí còn nhỏ hơn, nhưng sẽ không được thảo luận ở đây vì chúng không mang nhiều ý nghĩa thực tiễn với các máy ảnh chuyên dụng.

Tổng kết

Giống như bất kỳ công nghệ nào, cảm biến camera đã có những bước tiến dài chỉ trong thập kỷ qua và mong muốn tiếp tục phát triển trong tương lai. Với việc chuyển sang thiết kế chiếu sáng mặt sau cho phép độ phân giải cao hơn nhiều và cảm biến xếp chồng giúp tăng tốc độ đọc đáng kể, những phát triển gần đây không khác gì một cuộc cách mạng trong công nghệ cảm biến camera CMOS. Cánh cửa hiện đang mở ra cho những tiến bộ to lớn trong tương lai, trang bị cho cảm biến CMOS những khả năng mà chỉ vài năm trước đây không thể thực hiện được.

Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn đầy đủ hơn về cảm biến máy ảnh là gì, các loại cảm biến máy ảnh và kích thước cảm biến máy ảnh thường gặp. Chúc bạn có được lựa chọn sáng suốt khi tìm mua máy ảnh và ghi lại những hình ảnh ưng ý nhất!