by 
Trong máy ảnh kỹ thuật số, ở vị trí tạo ảnh của thấu kính, thay cho phim người ta dùng cảm biến ảnh. Đó là một phiến bán dẫn trên đó có chia thành nhiều ô, mỗi ô ứng với một phần tử ảnh (pixel - picture elecment). Mỗi ô của cảm biến ảnh có nhiệm vụ thu nhận ánh sáng đến biến thành điện tử (quang điện tử), số lượng nhiều hay ít là tùy thuộc vào cường độ ánh sáng đến mạnh hay yếu. Bố trí đo được số điện tử sinh ra đó (dưới dạng điện tích hoặc dòng điện ứng với vị trí của từng ô tức là có được cường độ sáng ứng với từng phần tử ảnh của vật cần chụp, đó chính là dữ liệu của ảnh kỹ thuật số, từ đó in ra được ảnh thật.
Ta đã biết có hai loại cảm biến ảnh phổ biến là cảm biến CCD và cảm biến CMOS. Chỉ với cảm biến ảnh CCD hoặc CMOS sẽ chỉ chụp được ảnh đen trắng không chụp được ảnh màu vì muốn có ảnh màu phải có được cường độ sáng ứng với từng màu đỏ, lục, lam của phần tử ảnh tức là của ánh sáng đến từng ô của cảm biến. Đối với máy ảnh số, vì yêu cầu gọn nhẹ nên phổ biến là dùng bộ lọc Bayer để chụp ảnh màu.
Ở cách chụp ảnh màu dùng bộ lọc Bayer (hình 1) phía trên của cảm biến (CCD cũng như CMOS) người ta đặt bộ lọc Bayer sao cho các ô của bộ lọc nằm đúng trên các ô của cảm biến. Ta biết rằng mỗi ô của bộ lọc Bayer là một tấm lọc nhỏ, chỉ có một màu cơ bản đỏ, lục hoặc lam đi qua. Do đó mỗi ô của cảm biến đặt dưới tấm lọc đó chỉ ghi được cường độ ánh sáng của một màu cơ bản chiếu đến. Thí dụ ô của cảm biến dưới tấm lọc màu đỏ chỉ ghi được cường độ của ánh sáng màu đỏ đến ô đó còn cường độ ánh sáng màu lục và màu lam là không ghi được. Mưu mẹo ở bộ lọc Bayer là bố trí màu của các ô sao cho quanh ô màu này thì có các ô màu khác, thí dụ quanh ô màu đỏ thì có các ô màu lục hoặc màu lam phân bố theo một quy tắc nhất định. Vì vậy thí dụ các ô cảm biến dưới tấm lọc màu đỏ chỉ ghi được cường độ ánh sáng màu đỏ, còn đối với hai màu còn lại là lục và lam ta có thể tham khảo cường độ ánh sáng màu lục, màu lam ghi ở các ô màu lục, màu lam quanh đó để gán thêm cho ô ứng với màu đỏ. Với cách làm đó, ở mỗi ô cảm biến sẽ có đủ cường độ sáng ứng với màu đỏ, màu lục và màu lam tức là đủ ba màu cơ bản.
Hình 1. a) Ở cách dùng bộ lọc Bayer, các tấm lọc màu nằm trên các ô của cảm biến.
b) Mỗi ô của cảm biến chỉ nhận được một màu của ánh sáng đến.
c) Với cách dùng bộ lọc Bayer, màu đỏ và màu lam chỉ có 25% là cảm biến nhận được, màu lục cảm biến nhận được 50% (ở bộ lọc Bayer số ô màu lục gấp đôi sổ ô màu đỏ hoặc màu lam)
Ưu điểm của việc chụp ảnh màu theo cách này là bộ lọc Bayer gọn nhẹ, rẻ tiền, thực tế chỉ cần in phun các chấm vuông lọc màu lên cảm biến. Tuy nhiên dùng bộ lọc Bayer có hai nhược điếm.
Một là giảm độ nhạy: Ánh sáng ba màu đến mỗi ô của cảm biến thì bị loại đi hai, chỉ đo, lấy số liệu ứng với một màu, hai màu còn lại bỏ đi không dùng.
Hai là chỉ thực sự đo ứng với một màu, hai màu còn lại là gán ghép mà gán ghép rất dễ không trung thực về màu. Thực tế từ khi tấm lọc Bayer ra đời, có nhiều mưu mẹo để gán ghép màu cho trung thực hơn, ảnh màu máy ảnh số chụp càng ngày màu càng đẹp hơn nhưng còn nhiều điều chưa khắc phục.
2) Cảm biến kiêm lọc màu Foveon X3.
Foveon X3 là cảm biến ảnh cho máy ảnh số do hãng Foveon (nay là một bộ phận của tập đoàn Sigma) thiết kế và các công ty National Semiconductor và Donghu Electrics chế tạo.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên đặc điểm hệ số hấp thụ ánh sáng của silic phụ thuộc vào bước sóng.
Hình 2. Hấp thụ ánh sáng theo bước sóng và cảm biến Foveon X3.
Hình 2a vẽ độ sâu mà ánh sáng đi được trong mẫu silic: màu đỏ đi được sâu nhất, màu lục đi được ít sâu hơn, còn màu lam đi sâu được ít nhất. Vì vậy nếu bố trí các cảm biến ở các độ sâu khác nhau như vẽ ở hình 2b, từ các số liệu mà các cảm biến đỏ, lục, lam thu được, có được trực tiếp ba màu cơ bản ứng với mỗi ô của cảm biến mà không cần phải gán ghép gì cả.Như ở hình 2 có ghi, kích thước mỗi ô cảm biến Foveon X3 là diện tích cỡ 7 x 7 micromet vuông và dày cỡ 5 micromet. Để so sánh với cảm biến dùng tấm lọc Bayer, hình 3 cho thấy những ưu điểm của cảm biến Foveon X3.
b) Vì silic hấp thụ ánh sáng tùy thuộc bước sóng, cảm biến ở mỗi lớp chỉ nhận được ánh sáng một màu.
c) Chỉ có ở cảm biến Foveon X3, các cảm biến nhận được cả ba màu đỏ, lục, lam.
Cảm biến ảnh Foveon X3 rõ ràng là có ưu điểm về kỹ thuật để chụp ảnh màu ở máy ảnh sổ. Các nhà kỹ thuật đang nghiên cứu cải tiến với hi vọng đến một ngày nào đó sẽ thắng các loại cảm biến CMOS và CCD dùng bộ lọc Bayer.
Những máy ảnh số loại tốt hiện nay dùng cảm biến Foveon X3 thường ghi đặc điểm của cảm biến thí dụ như 2640 x 1760 x 3 = 4,7 x 3MP . Ý nghĩa những con số đó là:
Cảm biến có 2640 ô theo hàng và 1760 ô theo một cột tức là tổng cộng có 2640 x 1760 xấp xỉ 4,7 triệu ô. Vì mỗi ô như vậy có 3 cảm biến con (ứng với đỏ, lục, lam) nên có thêm con số X3 ở đằng sau, tức là xem như có 4,7 x 3MP hay gần bằng 14 triệu pixel. Như vậy số pixel ghi ở cảm biến Foveon X3 gấp 3 lần số pixel ghi ở cảm biến CCD hay CMOS.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: