Mãi đến gần đây, thiết bị tích điện kép (charge-coupled device hay thường gọi tắt là CCD) vẫn là loại vi mạch cảm biến hình ảnh duy nhất được dùng cho các máy ảnh số. Chúng đã được phát triển hoàn thiện qua các ứng dụng trong thiết kế kính viễn vọng thiên văn, máy scanner và máy quay video. Tuy nhiên, kẻ thách thức mới đã xuất hiện ở chân trời, vi mạch cảm biến hình ảnh kiểu
CMOS hứa hẹn cuối cùng sẽ là loại cảm biến hình ảnh tối ưu trong phần lớn thị trường máy ảnh số.
Các vi mạch cảm biến hình ảnh được tạo ra trên những lá silicon mỏng dính và sau đó được cắt rời ra thành từng miếng một.
Bộ cảm biến hình ảnh CCD
Thiết bị tích điện kép CCD lưu giữ ánh sáng trên những photosite nhỏ li ti trên bề mặt và được đặt tên như thế vì những điện tích sẽ được ghi nhận sau mỗi thời chụp. Đầu tiên, những điện tích trên hàng thứ nhất của vi mạch sẽ được đọc và chuyển thành một kết quả ghi nhận (read-out register). Các tín hiệu này sau đó sẽ được đưa vào một bộ phận khuếch đại (amplifier) rồi đưa sang bộ chuyển đổi từ tin hiệu thực sang tín hiệu số (analog-to-digital converter). Khi hàng đầu tiên trên vi mạch đã đọc xong, các điện tích sẽ được xóa đi và hàng vi mạch kế tiếp sẽ được đọc kết quả ghi nhận, và tuần tự như thế cho đến hết.
CCD sẽ chuyển mỗi lần nguyên một dãy điện tích khác nhau thành kết quả ghi nhận. Các kết quả ghi nhận này sau đó sẽ được chuyển từng pixel một sang bộ khuếch đại.
Công nghệ CCD này khả thi về mặt kỹ thuật nhưng nếu đưa vào quy trình sản xuất tích hợp với các chức năng khác của máy ảnh trên cùng một vi mạch thì không kinh tế. Máy ảnh số không chỉ có các photosite cảm biến mà
còn cần nhiều thiết bị khác xử lý đồng hồ, thời gian, tín hiệu... Các chức năng này thường được thiết kế trên một hay nhiều vi mạch khác cho nên những máy ảnh số theo công nghệ CCD thường sử dụng rất nhiều vi mạch – thường là 8 và không ít hơn 3. Chiếc máy ảnh kỹ thuật số D1 của hãng Nikon là một trong những kiểu máy dùng công nghệ CCD.
CCD – Đôi dòng lịch sử
Thật ra, CCD ra đời vì những nguyên do chẳng liên quan gì đến ảnh kỹ thuật số. Vào những năm 1960, máy tính đã bắt đầu được sử dụng nhưng thời đó chưa có bộ nhớ (memory) dành cho máy tính. Loại bộ nhớ sản xuất hàng loạt rẻ tiền như thời nay chưa hề xuất hiện. Vì thế, người ta đã phải nghĩ ra đủ phương cách dị thường để lưu trữ dữ liệu trong khi máy tính đang xử lý. Một trong những cách đó là dùng phosphor phủ lên màn hình máy tính và viết dữ liệu lên màn hình với một tia sáng và sau đó đọc dữ liệu với một tia sáng khác. Công nghệ CCD ra đời năm 1969 ở phòng thí nghiệm Bell Labs như một kỹ thuật lưu trữ dữ liệu do hai nhà khoa học Willard Boyle và George Smith phát minh ra.
Năm 1974, mạch CCD thu hình ảnh đầu tiên được sản xuất bởi hãng Fairchild Electronics với định dạng 100x100 pixels.
Năm 1975, máy quay truyền hình dùng CCD đầu tiên được sử dụng trong các chương trình phát sóng quảng cáo.
Năm 1975, chiếc máy quét hình để bàn (flatbed scanner) dùng CCD được hãng Kurzweil Computer giới thiệu. Cũng trong năm này. các sản phẩm dùng vi mạch tích hợp CCD đầu tiên với bộ cảm biến 500 dòng quét được tung ra thị trường.
Năm 1979, một hệ thống CCD có độ phân giải 320x512 được làm mát bằng nitrogen lỏng của hãng RCA được đưa vào một kính thiên văn dài 1m ở Đài thiên văn quốc gia Kitt Peak (Mỹ). Những ảnh chụp thiên văn đầu tiên với hệ thống CCD này đã cho thấy tính ưu việt hơn hẳn những loại kính ảnh truyền thống.
Năm 1982, chiếc máy ảnh số đầu tiên đã được thiết kế chuyên dụng để phục vụ cho kỹ thuật nội soi trong y khoa.
Bộ cảm biến hình ảnh CMOS
Bộ cảm biến hình ảnh CMOS có độ phân giải 1.300.000 pixel của hãng Toshiba.
Những bộ phận cảm biến hình ảnh kiểu CCD được sản xuất từ các nhà máy đặc biệt với những quy trình đắt tiền và chuyên môn hóa cao độ. Tại đây, những mạch điện cực nhỏ và những thiết bị được khắc trên những bản mạch bằng silicon mỏng dánh. Vấn đề lớn nhất với CCD là không thể sản xuất hàng loạt với sản lượng lớn các vi mạch cảm biến do đó những hệ CCD có độ phân giải cao đều rất cồng kềnh và giá thành cực đắt. Trong khi đó, một công nghệ mới nảy sinh khiến những nhà máy bình thường đang sản xuất bộ xử lý và bộ nhớ cho máy tính cũng có thể sản xuất được hàng loạt các bộ
xử lý hình ảnh. Đó là công nghệ CMOS viết tắt của Complementary Metal Oxide
Semiconductor (chất bán dẫn bằng ô-xit kim loại bổ sung). Cho tới nay, đây là quy trình phổ biến nhất và cho sản lượng cao nhất. Những bộ xử lý CMOS, chẳng hạn Pentium II và Pentium III, chưa đựng hơn 10 triệu thành phần hoạt động. Sử dụng cùng quy trình và phương tiện ấy để sản xuất các bộ cảm biến hình ảnh CMOS sẽ giảm giá thành đáng kể (hiện chỉ bằng 1/3 so với giá thành sản xuất theo công nghệ CCD). Chiếc máy ảnh kỹ thuật số EOS D30 – kiểu máy dạng SLR chuyên nghiệp mới nhất của hãng Canon (tháng 6/2000) – đã ứng dụng công nghệ này. Các bộ xử lý hình ảnh CMOS hiện nay có hai loại chính:
Loại cảm biến Passive-pixel sensor (PPS) đã được ứng dụng từ những năm 1960. Một
photosite sẽ chuyển đổi một lượng tử ánh sáng (photon) thành một điện tích. Điện tích này sau đó sẽ được chuyển từ bộ cảm biến đến thiết bị khuếch đại. Những bộ cảm biến kiểu này rất nhỏ, diện tích chỉ vừa đủ cho photosite và các mạch nối cần thiết. Vấn đề đối với loại cảm biến này là nhiễu (noise) xuất hiện như những hoa văn ở hậu cảnh hình ảnh. Muốn khử nhiễu, các bộ cảm biến phải đi qua những bước xử lý trung gian. Các máy ảnh số loại rẻ tiền thì hầu như đầu sử dụng bộ cảm biến loại này.
Loại cảm biến Active-pixel sensor (APS) đời sau này sẽ khử được nhiễu. Mạch điện ở mỗi pixel sẽ xác định mức độ nhiễu và loại trừ ngay. Đây là một loại mạch điện động (active) chính vì vậy mà loại cảm biến này có tên gọi như thế. Các máy ảnh số loại chuyên nghiệp ngày nay đều dùng bộ cảm biến loại này vì chúng cho độ phân giải cao hơn và giá thành thấp hơn bộ cảm biến CCD cùng tiêu chuẩn chất lượng.
Ưu và khuyết điểm của bộ cảm biến theo công nghệ CMOS
Chất lượng hình ảnh của CMOS hiện nay gần như tương đương chất lượng CCD.
Các bộ cảm biến hình ảnh CMOS có thể tích hợp nhiều mạch điện khác trên cùng một vi mạch, không cần phải sử dụng nhiều vi mạch cho các chức năng bổ sung như với CCD. Điều này cho phép tăng cường nhiều tính năng mới trên cùng một vi mạch mà ít tốn kém hơn trước rất nhiều. Những tính năng mới này bao gồm tính năng chống rung hình (image stabilizer) và nhiều cấp độ nén hình (image compression) để tăng sức chứa cho bộ nhớ và đĩa. Điều này không những làm cho máy ảnh số nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn mà còn giúp tiết kiệm được điện nhiều hơn.
Trong khi các bộ cảm biến CMOS rất xuất sắc khi thu tóm hình ảnh trong những ngày nắng hay vùng sáng rõ, chúng lại kém nhạy so với CCD trong vùng sáng yếu. Độ nhạy sáng bị giảm thiểu là do mỗi photosite của bộ cảm biến CMOS đều có một phần bị che phủ bởi những mạch điện dùng để lọc nhiễu và thực hiện các tính năng khác. Tỷ lệ phần trăm của diện tích pixel được dùng để ghi nhận ánh sáng được gọi là tỷ lệ fill factor. Với các bộ cảm biến CCD, tỷ lệ này là 100% trong khi các bộ cảm biến CMOS có tỷ lệ luôn luôn thấp hơn (ít hay nhiều tùy theo loại máy ảnh chuyên nghiệp hay rẻ tiền). Tỷ lệ fill factor càng thấp thì bộ cảm biến càng kém nhạy sáng và thời chụp càng phải kéo dài hơn. Nếu fill factor quá thấp thì không thể chụp ảnh trong nhà nếu như không có đèn flash. Để bù cho tỷ lệ fill factor thấp, người ta có thể thiết kế những thấu kính cực nhỏ trên mỗi pixel để gom ánh sáng từ những vùng không cảm quang
của pixel ấy và “hội tụ” nó vào ngay photosite. Ngoài ra, các mạch điện có thể thu nhỏ thêm nữa để không phải che phủ phần lớn diện tích của photosite.
Fill factor dùng để chỉ tỷ lệ diện tích nhạy sáng trên mặt photosite. Nếu các mạch điện che phủ 25% diện tích của mỗi photosite thì ta nói bộ cảm biến ấy có fill factor là 75%. Số này càng cao thì bộ cảm biến càng nhạy.
Bộ cảm biến CMOS có mức độ nhiễu cao hơn bộ cảm biến CCD cho nên thời gian xử lý giữa các bức ảnh được chụp sẽ chậm hơn trong khi chờ đợi các bộ cảm biến dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (digital signal processing – DSP) để giảm thiểu hay loại trừ nhiễu.