Từ CCD 1969 tới global shutter: 50 năm để 105 triệu điểm ảnh chụp cùng lúc

← BlogCũ mà hay · 7 phút đọc

Quay cánh quạt mà cánh cong như sợi mì

Bạn đưa điện thoại lên quay cái quạt trần, cánh quạt cong vẹo như sợi mì. Lia máy ngang qua dãy cột nhà, cột nghiêng hết sang một bên. Lỗi đó không phải tại tay bạn, mà tại cách cảm biến đọc hình: đọc từng hàng từ trên xuống, hàng trên và hàng dưới chụp lệch nhau một chút thời gian.

Sony vừa công bố cảm biến IMX937: 105 triệu điểm ảnh, và cả 105 triệu điểm ảnh đó bắt sáng cùng một lúc. Nghe đơn giản, nhưng ngành cảm biến mất hơn 50 năm mới tới được đây. Mình đi lại từ đầu, xem từng loại cảm biến chạy ra sao.

1969: CCD ra đời ở phòng thí nghiệm Bell

Năm 1969, ở phòng thí nghiệm Bell, hai ông Boyle và Smith làm ra CCD (Charge-Coupled Device). Chuyện vui là lúc đầu nó được nghĩ ra để làm bộ nhớ, rồi mới thành con chip bắt ánh sáng. Năm 2009, phát minh đó đem về cho hai ông giải Nobel vật lý.

Bài Cảm biến full-frame, APS-C và điện thoại đã nói mỗi điểm ảnh là một cái giếng hứng ánh sáng. CCD là loại chip của những máy số đời đầu, và cách nó đọc giếng ra khá đặc biệt.

CCD chạy ra sao: dời điện tích nối nhau

Ánh sáng rơi vào mỗi điểm ảnh, đánh bật ra điện tử, gom lại trong một cái giếng nhỏ. Hết thời gian phơi sáng, các gói điện tích được dời từng hàng xuống dưới, gói này nối gói kia. Chính kiểu dời điện tích nối tiếp đó cho ra cái tên charge-coupled, điện tích ghép nối. Tới hàng cuối, từng gói lại được dời ngang ra một cửa đọc, đổi thành điện áp rồi mới thành số.

Vì cả chip chỉ đọc qua một cửa, hình rất đều và sạch. Nhiều máy số đời đầu dùng CCD, tới giờ vẫn có người mê màu ảnh máy CCD. Nhưng chuyền từng gói thì đọc chậm, tốn điện, và mạch xử lý phải nằm ngoài chip. Cái chậm này là thứ bước sau phải giải.

CMOS: mỗi điểm ảnh tự khuếch đại, rồi thắng thế năm 2000

Đầu thập niên 1990, nhóm của Eric Fossum ở phòng thí nghiệm của NASA làm ra cảm biến CMOS kiểu mới, gọi là Active Pixel Sensor (APS), cảm biến điểm ảnh chủ động. Khác biệt nằm ở chỗ: mỗi điểm ảnh tự đổi điện tích thành điện áp bằng mạch khuếch đại riêng của nó, không phải chuyền về một cửa chung.

Máy chọn từng hàng, cả hàng đổ tín hiệu xuống các cột cùng lúc, và mỗi cột có bộ chuyển sang số riêng ngay trên chip. Gần như cả máy ảnh nằm gọn trên một con chip, nên dễ sản xuất hơn, ít tốn điện hơn, đọc nhanh hơn. Bài ISO có nhắc chuyện khuếch đại tín hiệu; với CMOS, việc khuếch đại đó bắt đầu ngay trong từng điểm ảnh.

Năm 2000, Canon EOS D30 dùng cảm biến CMOS, giữa lúc nhiều người còn cho rằng CMOS không hợp máy cao cấp. Giờ thì từ điện thoại tới máy full-frame gần như đều là CMOS. Năm 2015, Sony báo ngừng sản xuất dòng CCD. Và một khi mạch đã nằm trên chip, người ta bắt đầu nghĩ cách sắp xếp lại chúng.

2008: BSI, lật chip cho ánh sáng vào mặt sau

Ở cảm biến thường, gọi là FSI (Front-Side Illuminated, chiếu sáng mặt trước), dây điện nằm phía trên, che bớt ánh sáng trước khi tới điểm ảnh. Năm 2008, Sony đưa ra cảm biến BSI (Back-Side Illuminated, chiếu sáng mặt sau): lật chip lại, cho ánh sáng đi vào từ mặt sau, thẳng tới điểm ảnh, dây điện nằm phía dưới.

Hãng công bố độ nhạy tăng khoảng gấp đôi. Điểm ảnh điện thoại rất nhỏ nên phần bị dây che càng đáng kể, vì vậy BSI là lý do điện thoại chụp tối khá hơn hẳn từ dạo đó.

2012 tới 2017: Stacked CMOS, tách tầng

Rồi tới Stacked CMOS, cảm biến xếp chồng. Năm 2012, Sony tách lớp điểm ảnh và lớp mạch xử lý ra hai tầng, chồng lên nhau. Tầng điểm ảnh được trọn diện tích để hứng sáng, tầng mạch bên dưới được tự do phình to. Sau đó hãng thêm cả một tầng bộ nhớ để giữ dữ liệu tạm.

Năm 2017, máy full-frame a9 có Stacked CMOS kèm bộ nhớ, hãng công bố đọc nhanh hơn khoảng 20 lần, chụp 20 tấm mỗi giây mà kính ngắm không tối. Đọc nhanh quan trọng vì một lý do: rolling shutter.

Rolling shutter và global shutter

CMOS thường chạy kiểu rolling shutter (màn trập cuốn): đọc từng hàng từ trên xuống. Hàng trên với hàng dưới chụp lệch nhau một chút thời gian. Vật đứng yên thì không sao. Lia máy nhanh thì cột nhà nghiêng, cánh quạt cong, quay dưới đèn chớp thì hình bị sọc. Bài Màn trập điện tử đã kể kỹ chuyện này. Đọc càng nhanh thì càng ít méo, nhưng vẫn chưa hết hẳn.

Global shutter (màn trập toàn cục) thì mọi điểm ảnh bắt đầu và kết thúc phơi sáng cùng lúc. Hết giờ, mỗi điểm ảnh cất điện tích vào một ngăn nhớ nhỏ của riêng nó, rồi xếp hàng chờ đọc. Ngăn nhớ chiếm chỗ trong điểm ảnh, nên làm global shutter mà vẫn giữ độ nhạy và ít nhiễu là bài toán khó. Đó là lý do nó tới muộn như vậy.

2023 và 2026: a9 III và IMX937

Năm 2023, Sony đưa global shutter lên máy full-frame a9 III, chụp tới 120 tấm mỗi giây mà hình không bị méo. Còn IMX937 là cảm biến vuông, mỗi cạnh 28,1 mm, 105 triệu điểm ảnh, đọc toàn khung gần 57 hình mỗi giây ở 8 bit, theo số tạm tính hãng ghi. Có điều nó làm cho máy công nghiệp, dây chuyền nhà máy và camera 3D, không nhắm tới máy ảnh chụp hình thông thường.

Bước	Năm	Giải được gì
CCD (Charge-Coupled Device)	1969	Chip bắt sáng đời đầu, hình đều và sạch
CMOS (Active Pixel Sensor)	đầu 1990, lên máy 2000	Mỗi điểm ảnh tự khuếch đại: rẻ, nhanh, ít điện
BSI (Back-Side Illuminated)	2008	Ánh sáng vào mặt sau, nhạy khoảng gấp đôi
Stacked CMOS	2012–2017	Tách tầng, đọc nhanh khoảng 20 lần
Global shutter	2023–2026	Mọi điểm ảnh chụp cùng lúc, hết méo

Ghi nhớ nhanh

• CCD dời điện tích từng hàng ra một cửa đọc: sạch nhưng chậm, tốn điện.
• CMOS cho mỗi điểm ảnh tự khuếch đại, đọc theo cột ngay trên chip: rẻ, nhanh, giờ gần như máy nào cũng dùng.
• BSI lật chip để ánh sáng vào mặt sau; Stacked CMOS tách tầng điểm ảnh, mạch và bộ nhớ.
• Rolling shutter đọc từng hàng nên vật nhanh bị méo; global shutter chụp mọi điểm ảnh cùng lúc.
• Global shutter cần ngăn nhớ trong từng điểm ảnh, đánh đổi độ nhạy và nhiễu.

Máy bạn đang dùng thuộc bước nào trong năm bước trên? Và theo bạn, vài năm nữa máy ảnh nào cũng sẽ dùng global shutter, hay rolling shutter đọc đủ nhanh là đủ xài rồi?