Cảm biến máy ảnh xếp chồng lên nhau là gì và nó hoạt động như thế nào?

Hầu hết các điện thoại thông minh đều có đảo camera dày hơn phần còn lại của thân máy. Tuy nhiên, kể cả phần lồi thêm đó, chúng mỏng hơn và chụp ảnh cũng như quay video trông đẹp hơn so với các đối tác của chúng cách đây vài năm.

Trong những năm đầu tiên chụp ảnh khi đang di chuyển, thậm chí cần có những thiết bị dày hơn: bạn có nhớ những chiếc máy ảnh ngắm và chụp từ những năm 2000 không? Ngày nay, mọi thứ được gói gọn trong các thiết bị mỏng nửa inch, đôi khi còn ít hơn. Cảm biến hình ảnh xếp chồng là những gì làm cho điều này có thể.

Hiểu về Nhiếp ảnh Kỹ thuật số

Sự khác biệt giữa máy ảnh analog và máy ảnh kỹ thuật số là loại trước sử dụng phim làm bằng vật liệu nhạy sáng để ghi ảnh, trong khi loại sau có cảm biến điện tử. Trong cảm biến đó, mỗi pixel (các điểm riêng lẻ tạo thành hình ảnh kỹ thuật số) là thông tin ánh sáng được ghi lại bởi một phần rất nhỏ của cảm biến (một điểm cho mỗi pixel trong ảnh).

Có hai loại cảm biến máy ảnh kỹ thuật số, CCD (từ viết tắt của Charge-Coupled Device) và CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Tất cả các máy ảnh điện thoại thông minh hiện đại đều sử dụng cái sau, vì vậy đó là công nghệ chúng tôi sẽ giải thích bên dưới.

Một cảm biến CMOS bao gồm một vài yếu tố. Đi-ốt quang là cái quan trọng nhất: nó tạo ra tín hiệu điện khi nhận được ánh sáng. Tín hiệu đó được lưu trữ bởi một bóng bán dẫn ngay bên cạnh đi-ốt quang, giúp chuyển đổi tín hiệu thành thông tin kỹ thuật số và gửi đến một mạch điện tử.

Mạch đó chịu trách nhiệm diễn giải dữ liệu đó và chuyển dữ liệu đó 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 máy ảnh điện thoại

Cho đến năm 2008, các cảm biến CMOS đã gặp một vấn đề nghiêm trọng: hệ thống dây cần thiết để gửi thông tin pixel đến ISP được truyền giữa đi-ốt quang và ống kính, chặn một số ánh sáng. Cấu trúc tương tự cũng được sử dụng cho cảm biến CCD nhạy sáng hơn, nhưng đối với CMOS, điều đó có nghĩa là ảnh tối hơn, nhiễu hơn và mờ hơn.

Điều đó đã được giải quyết bằng một ý tưởng đơn giản: di chuyển đi-ốt quang phía trên dây dẫn để nó nhận được nhiều ánh sáng hơn, từ đó cải thiện chất lượng hình ảnh. Đó được gọi là cảm biến Chiếu sáng Mặt sau (BSI), trái ngược với cảm biến trước đây được Chiếu sáng Mặt trước.

Đặt mọi thứ trong bối cảnh, iPhone 4, khởi đầu cho danh tiếng của Apple trong lĩnh vực chụp ảnh trên điện thoại thông minh, là một trong những điện thoại đầu tiên sử dụng loại cảm biến này. Ngày nay, hầu như tất cả các máy ảnh trên điện thoại thông minh đều sử dụng cảm biến BSI.

Cảm biến xếp chồng cải thiện chất lượng ảnh và giảm kích thước

Ngay cả khi đã tháo dây, cảm biến CMOS vẫn có những điểm cần cải thiện. Một trong số đó là mạch chịu trách nhiệm xử lý thông tin của bóng bán dẫn. Nó quấn quanh photodiode. Do đó, khoảng một nửa lượng ánh sáng chiếu tới mỗi pixel lại đi vào một phần của cảm biến không thu được bất kỳ ánh sáng nào.

Năm 2012, cảm biến CMOS xếp chồng đầu tiên được tạo ra. Thay vì quấn quanh đi-ốt quang, mạch điện được đặt bên dưới nó. Vì nó (một phần) thay thế chất nền được sử dụng cho độ cứng của cấu trúc, nên không có thêm độ dày. Trên thực tế, kể từ đó, những cải tiến trong quy trình xếp chồng, của cả Sony và các nhà sản xuất khác áp dụng công nghệ này, đã tạo ra các cảm biến mỏng hơn, giúp điện thoại mỏng hơn.

Còn xếp chồng nhiều hơn nữa thì sao?

Bằng cách di chuyển mạch bên dưới điốt quang, người ta sẽ nghĩ rằng lớp trên cùng sẽ chỉ được chiếm bởi bộ phận thu sáng, phải không? Sai.

Nhớ bóng bán dẫn? Nó nằm ngay bên cạnh đi-ốt quang, thậm chí còn chiếm nhiều không gian thu sáng quý giá hơn. Giải pháp? Xếp chồng lên nhau nhiều hơn!

Các kỹ sư đã làm điều đó trước đây. Vào năm 2017, Sony đã công bố một cảm biến máy ảnh có RAM nằm giữa đi-ốt quang và mạch điện, cho phép quay video chuyển động siêu chậm 960FPS. Đó là vấn đề áp dụng ý tưởng tương tự cho một phần của cảm biến hiện có.

Bây giờ, đi-ốt quang cuối cùng cũng nằm ở phần trên cùng của cảm biến và chỉ đi-ốt quang. Điều này nhân đôi hiệu quả tín hiệu mà đi-ốt quang có thể thu và bóng bán dẫn có thể lưu trữ.

Hiệu quả ngay lập tức nhất là nhân đôi thông tin ánh sáng mà mỗi pixel phải hoạt động. Và, như với mọi thứ trong nhiếp ảnh, nhiều ánh sáng hơn có nghĩa là hình ảnh chi tiết hơn.

Tuy nhiên, vì bóng bán dẫn cũng tăng gấp đôi công suất nên nó có thể chuyển tín hiệu điện từ đi-ốt quang thành thông tin kỹ thuật số tốt hơn. Một trong những ứng dụng có thể có của điều này là giảm nhiễu hình ảnh, nâng cao hơn nữa hình thức của ảnh.

Cảm biến xếp chồng cho một tương lai tươi sáng hơn

Mặc dù cảm biến xếp chồng đơn—đi-ốt quang và bóng bán dẫn trong một lớp, mạch bên dưới nó—đã xuất hiện được một thời gian, nhưng cảm biến xếp chồng kép (mỗi lớp một lớp) vẫn còn hơi mới. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các máy ảnh chuyên nghiệp, với điện thoại di động đầu tiên có cảm biến như vậy, Sony Xperia 1 V, được phát hành vào tháng 5 năm 2023.

Điều đó có nghĩa là công nghệ vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Cùng với một số cải tiến khác đã được thực hiện trong chụp ảnh di động cho đến nay, các cảm biến xếp chồng lên nhau có nghĩa là máy ảnh trên điện thoại thông minh đang trên đường hướng tới một tương lai tươi sáng hơn—hay chúng ta nên nói là một bức ảnh tươi sáng hơn?