Trái tim của máy ảnh kỹ thuật số là cảm biến hình ảnh, và trong thời đại kỹ thuật số, chúng ta đang chứng kiến sự phát triển của một số loại công nghệ cảm biến khác nhau. Hầu hết các tùy chọn hiện đại đều sử dụng phiên bản của công nghệ Kim loại-Oxit-Bán dẫn Bổ sung (CMOS). Các chip CMOS này có một số lợi thế thực sự so với các cảm biến tích hợp điện tích (CCD) phổ biến trong thời kỳ đầu của nhiếp ảnh kỹ thuật số, bao gồm cải thiện hiệu suất năng lượng và kiểm soát nhiệt. Những cải tiến này đã mở đường cho video 4K (và hơn thế nữa) trong các máy ảnh ống kính hoán đổi cho nhau.
Nhưng có nhiều hơn một loại cảm biến CMOS. Và nếu bạn đang mua một chiếc máy ảnh không gương lật mới, bạn có thể bị choáng ngợp bởi các kiến trúc khác nhau và tự hỏi tại sao máy ảnh CMOS xếp chồng lại có giá cao hơn nhiều so với các mẫu cơ bản. Đọc tiếp để hiểu các tùy chọn CMOS khác nhau như thế nào.
Sự khác biệt về kiến trúc
Phần lớn, cảm biến kỹ thuật số được xây dựng dựa trên một khái niệm tương tự, ngay cả khi có sự khác biệt trong thiết kế chip. Người hình ảnh sử dụng các trang web ảnh cảm quang và một bộ lọc với các mẫu hình vuông màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam lặp lại để thêm màu sắc. Hầu hết các cảm biến sử dụng mảng bộ lọc màu 4 x 4 (CFA) được gọi là Bayer CFA (được đặt theo tên người tạo ra nó), nhưng một số mẫu Fujifilm sử dụng mảng 6 x 6 X-Trans CFA phức tạp hơn.
Bayer CFA (trái) có kiểu lặp lại đơn giản bốn x bốn, trong khi Fujifilm X-Trans (phải) sử dụng lưới sáu x sáu để tạo ra ảnh màu (Hình minh họa: Bob Al-Green)
Bạn cũng có thể bắt gặp cảm biến Quad Bayer, điển hình của điện thoại thông minh có số điểm ảnh lớn, cũng như máy ảnh hành động và máy bay không người lái. Các cảm biến này chứa một số lượng pixel cao (thường là 48 MP) nhưng tạo ra hình ảnh có độ phân giải thấp hơn bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là pixel binning. Tính năng này cũng được thực hiện hơi khác trong cảm biến máy ảnh ống kính rời (ILC). Ví dụ, chiếc Leica M11 sang trọng dựa vào pixel binning để tạo ra những bức ảnh ở độ phân giải 60MP, 36MP hoặc 18MP.
Pixel Binning kết hợp các pixel Quad Bayer nhỏ hơn thành các nhóm lớn hơn (Hình minh họa: Bob Al-Greene)
Chip CMOS khác với CCD thế hệ trước ở một số điểm quan trọng. Ví dụ, chip CMOS đọc dữ liệu từng pixel trong cái gọi là màn trập điện tử xoay, thay vì tất cả cùng một lúc, như trong CCD. Nhưng có những lợi thế kỹ thuật khiến ngành công nghiệp ảnh rời xa CCD: chip CMOS đặt bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (ADC) trên bo mạch thay vì đặt nó sang một bên như một bộ phận riêng biệt. Các chip này cũng sử dụng ít năng lượng hơn và tỏa nhiệt ít hơn so với CCD, điều này tốt cho cả chất lượng hình ảnh thiếu sáng và thời lượng pin.
CMOS, BSI CMOS và Stacked CMOS
Có ba loại cảm biến CMOS chính. Ngày nay, thiết kế CMOS cơ bản được sử dụng trong các máy ảnh cấp thấp và tầm trung, những mẫu máy ảnh có các tính năng mới nhất trong vài thế hệ sau khi chúng xuất hiện trên các mẫu máy ảnh cao cấp.
Thiết kế CMOS chiếu sáng sau (BSI) tiên tiến có khái niệm tương tự như CMOS thông thường, nhưng các IC này sắp xếp các thành phần khác nhau. Tóm lại, các trang web ở xa hơn trên chip và tốc độ đọc dòng cao hơn. Sự thay đổi này có những lợi thế thực tế: Nói chung, BSI CMOS tốt hơn về f-stop khi nói đến nhiễu hình ảnh. Điều này có nghĩa là BSI CMOS hiển thị nhiều nhiễu ở ISO 12800 như chip CMOS tương đương ở ISO 6400. Điều đó cũng có nghĩa là máy ảnh APS-C và Micro Four Thirds có chip BSI hoạt động ngang bằng với máy ảnh CMOS full-frame. Đây không phải là những quy tắc khó và nhanh chóng, nhưng chúng là những hướng dẫn tốt để tuân theo.
Biểu đồ này cho thấy sự khác biệt về kiến trúc giữa các cảm biến CMOS, BSI CMOS và Stacked CMOS (Hình minh họa: Bob Al Green)
Tốc độ đọc nhanh hơn giúp cho các kiểu máy BSI CMOS có thể sử dụng màn trập điện tử hoàn toàn và cũng cho phép phản hồi lấy nét tự động nhanh hơn để có tốc độ chụp liên tục lấy nét tự động nhanh hơn. Fujifilm X-T3 là chiếc máy ảnh tiêu dùng đầu tiên thực sự sử dụng những tính năng này. Nó ra mắt khả năng lấy nét 20 khung hình / giây với màn trập điện tử hoàn toàn vào năm 2018. Bạn vẫn cần sử dụng màn trập cơ học để đóng băng các đối tượng chuyển động một cách đáng tin cậy với hầu hết các máy ảnh BSI CMOS, nhưng màn trập điện tử im lặng rất hữu ích cho chụp chân dung và các chủ thể tĩnh khác.
Các chip CMOS xếp chồng đưa khái niệm BSI CMOS lên một bước xa hơn. Họ đặt các thành phần trong một bố cục tương tự, nhưng thiết kế cũng tích hợp bộ xử lý tín hiệu hình ảnh và DRAM cực nhanh của nó vào cùng một silicon. Điều này làm cho tốc độ đọc thậm chí còn nhanh hơn. Máy ảnh CMOS nhiều lớp chính thống đầu tiên, Sony a9 2019, đã gây chú ý bằng cách cung cấp khả năng chụp ảnh mà không bị gián đoạn – bạn có thể sử dụng nó để chụp ảnh ở tốc độ 20 khung hình / giây mà không làm mất cảnh của bạn.
Cảm biến CMOS đa lớp của Nikon Z 9 đọc dữ liệu đủ nhanh để loại bỏ sự cần thiết của màn trập cơ học, đây là một thành tựu khá lớn đối với một máy ảnh được thiết kế để đóng băng các vật thể chuyển động tại chỗ (Ảnh: Jim Fisher)
Khi công nghệ làm cho kiểu chụp ảnh này trở nên khả thi, các chip CMOS xếp chồng đã trở thành tiêu chuẩn thực tế cho các ILC cao cấp mà các chuyên gia sử dụng để chụp ảnh bên hoặc hộp báo chí. Chúng tôi đã thấy một số máy ảnh đạt tốc độ 30 khung hình / giây (Sony a1) và Nikon Z 9 quản lý ảnh 11MP ở tốc độ 120 khung hình / giây do chip xếp chồng và bộ xử lý kép. Khả năng đọc và xử lý cực nhanh cũng cải thiện khả năng lấy nét tự động. Các chip xếp chồng hiện nay vượt trội hơn cảm biến BSI CMOS về tốc độ lấy nét, độ chính xác và nhận dạng đối tượng. Tất cả hoạt động cùng nhau để đảm bảo rằng các máy ảnh xếp chồng lên nhau không chỉ chụp một loạt ảnh liên tiếp; họ lấy một loạt tập trung ảnh liên tiếp.
Tóm lại, chúng ta có thể nói rằng chip CMOS là lựa chọn chính, chủ yếu cho các máy ảnh kỹ thuật số hiện đại. Nâng cấp lên kiểu máy có cảm biến BSI CMOS giúp cải thiện tốc độ đọc và cải thiện chất lượng hình ảnh trong điều kiện thiếu sáng. Cuối cùng, chip CMOS nhiều lớp mở rộng hơn nữa phạm vi tốc độ và duy trì một cái nhìn hoàn hảo về đối tượng trong khi máy ảnh đang chụp ảnh.
Máy ảnh CCD, Foveon, đơn sắc và quang phổ đầy đủ
Trước đó, chúng tôi đã chạm vào cảm biến CCD. Những con chip này là tiêu chuẩn cho máy ảnh tiêu dùng trong những năm 2000, nhưng đã nhường chỗ cho CMOS trong những năm gần đây. Các thiết bị cũ vẫn có những người ủng hộ nó, nhưng ngoại trừ những chiếc compact rất rẻ tiền, bạn không thấy cảm biến trong các mẫu tiêu dùng hiện tại.
Máy ảnh Sigma DP2 Merrill được sử dụng trong ảnh này chụp màu bằng cảm biến Foveon ba lớp, khác với máy ảnh Bayer (Ảnh: Jim Fisher)
Foveon là một loại cảm biến khác được sử dụng độc quyền trong máy ảnh Sigma X3, Merrill và Quattro. Các chip Foveon ghi lại màu sắc khác nhau với ba lớp cảm quang chứ không phải một mảng các bộ lọc màu. Một lưu ý tích cực là các máy ảnh này không yêu cầu nội suy để điền vào các màu còn thiếu, có nghĩa là chúng có thể chụp chi tiết hơn nhiều so với cảm biến Bayer có số điểm ảnh tương tự. Nhưng cũng có những hạn chế: Các ứng dụng xử lý thô không hỗ trợ các tệp từ nhiều máy ảnh Foveon và ảnh chụp bị nhiễu rất mạnh ở các giá trị ISO trung bình. Chỉ có một mẫu Foveon trên thị trường hiện nay, Sigma dp Quattro. Chúng tôi đã bỏ qua bài đánh giá máy ảnh nhưng đã xem xét Quattro H hiện đã ngừng sản xuất, một mẫu máy chị em phù hợp với hầu hết các tính năng của nó nhưng sử dụng cảm biến Foveon lớn hơn một chút so với APS-C.
Được giới thiệu bởi các biên tập viên của chúng tôi
Những chiếc máy ảnh đặc biệt như Leica M10 Monochrom thiếu một loạt các bộ lọc màu để ghi lại thế giới đen trắng; Tôi chụp ảnh này trong gương với khẩu M10M và ống kính Elmar 5cm F3.5 thời hậu chiến (Ảnh: Jim Fisher)
Máy ảnh đơn sắc là một lựa chọn khác. Leica cung cấp một số tùy chọn đặc biệt giúp tránh mảng bộ lọc màu và chụp ảnh đen trắng độc quyền. M10 Monochrom và Q2 Monochrom cực kỳ đắt tiền, nhưng những chuyên gia về in đơn sắc có thể thấy chúng xứng đáng. Các máy ảnh này cho thấy lợi thế chi tiết tương tự như chip Foveon, nhưng vượt trội về màu sắc ở ISO cao – việc vô hiệu hóa bộ lọc Bayer gần như tăng gấp đôi lượng ánh sáng đến cảm biến.
Bạn sẽ không tìm thấy máy ảnh hồng ngoại quang phổ đầy đủ được bán tại cửa hàng hộp lớn ở địa phương của bạn, nhưng chúng có tồn tại. Máy ảnh tiêu dùng có một bộ lọc phía trên cảm biến để cắt ánh sáng không nhìn thấy. Nhưng các công ty như KolariVision (Mở trong cửa sổ mới) và MaxMax (Mở trong cửa sổ mới) có thể loại bỏ bộ lọc này hoặc bán cho bạn một máy ảnh đã được sửa đổi trước có thể nhìn thấy sóng hồng ngoại và tia cực tím. Các nghệ sĩ phong cảnh thích sử dụng những cảm biến này để chụp những cảnh siêu thực, ngoài hành tinh ngay tại đây trên Trái đất.
Máy ảnh được chuyển đổi sang hoạt động trong môi trường hồng ngoại, tia cực tím hoặc quang phổ bắt đầy đủ các bước sóng ánh sáng mà mắt bạn không nhìn thấy được (Ảnh: Getty / Justin Reznick Photography)
Sắp tới, Sony Semiconductor Solutions Group (một thực thể tách biệt với bộ phận máy ảnh) đang phát triển chip Stacked CMOS (mở trong một cửa sổ mới) thế hệ tiếp theo giúp sắp xếp lại các bóng bán dẫn trên bo mạch và hứa hẹn phạm vi động tốt hơn và độ nhiễu ISO thấp hơn hiện tại có thể có trong các mô hình hiện tại. thế hệ. Thông báo phát triển được đưa ra vào cuối năm 2021, nhưng chúng tôi hy vọng sẽ đợi một vài năm trước khi công nghệ này xuất hiện trong một chiếc máy ảnh mà người bình thường có thể mua.
Panasonic cũng đang phát triển một loại cảm biến mới. Được công bố vào năm 2018, công ty đang nghiên cứu cái gọi là cảm biến hữu cơ sử dụng lớp Phim quang dẫn hữu cơ (Mở trong cửa sổ mới) (OPF) thay vì các pixel riêng lẻ để thu thập ánh sáng.
Chọn đúng máy ảnh
Bây giờ bạn đã biết nhiều hơn về cảm biến, đã đến lúc chọn máy ảnh. Nếu bạn đang mua một mẫu ống kính có thể hoán đổi, hãy xem lựa chọn máy ảnh không gương lật và máy ảnh full-frame tốt nhất của chúng tôi hoặc đọc hướng dẫn mua chung hơn của chúng tôi nếu bạn không chắc mình nên mua loại máy ảnh nào.
