Cảm biến CMOS được nhắc đến lần đầu tiên vào năm 1993 và liên tục được nâng cấp, giúp khả năng chụp ảnh của smartphone ngày càng tiến gần hơn với máy ảnh chuyên nghiệp.
Điện thoại chụp ảnh đã đi một chặng đường dài kể từ khi ra đời. Mỗi năm, máy ảnh di động ngày càng tiên tiến hơn, cung cấp hình ảnh chất lượng cao hơn và có các tính năng sánh ngang với máy ảnh chuyên nghiệp.
Cảm biến CMOS trên các mẫu smartphone. hình ảnh: sony
Sự ra đời của cảm biến camera CMOS
Công nghệ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ra đời từ năm 1968. Ban đầu nó ra đời từ năm 1969 cùng với công nghệ CCD (Charge Coupled Device) và hiện nay chỉ đóng vai trò như một thiết bị lưu trữ di động như thẻ CF hay SD. Không có gì để làm với máy ảnh kỹ thuật số.
Đầu những năm 1970, các nhà khoa học bắt đầu phát hiện ra rằng những con chip này có khả năng hấp thụ ánh sáng. Ý tưởng ứng dụng CCD và CMOS vào máy ảnh kỹ thuật số đã ra đời.
Vào thời điểm đó, CCD tỏ ra có lợi thế nhờ độ nhạy cao, cho phép chúng tái tạo hình ảnh có độ phân giải cao với dải màu liên tục, trong khi CMOS kém nhạy hơn và tạo ra hình ảnh dễ bị nứt. Vì vậy, dù sản xuất đắt hơn CMOS nhưng CCD vẫn vượt trội và trở thành thành phần phổ biến trong máy ảnh kỹ thuật số, trong khi CMOS lại tiếp tục chức năng cũ: lưu trữ và xử lý thông tin trong thiết bị.
Đến năm 1993, nhà vật lý và kỹ sư nổi tiếng Eric Fossum đã dẫn đầu việc phát minh ra cảm biến CMOS hay còn gọi là APS (Active Pixel Sensor) tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA. Fossum và nhóm của ông sau này đã có những đóng góp đáng kể cho việc thương mại hóa cảm biến CMOS chứ không chỉ phục vụ mục đích chinh phục không gian của NASA.
sự tiến hóa
Sở dĩ CMOS còn được gọi là APS là vì mỗi photodiode có một bóng bán dẫn riêng để khuếch đại tín hiệu. Máy ảnh sẽ sử dụng một thấu kính giúp tập trung ánh sáng vào một photodiode để thu các photon trong ánh sáng và chuyển chúng thành electron hoặc tín hiệu điện, trong khi bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu điện để gửi đến chip. Các cảm biến máy ảnh đời đầu, được gọi là cảm biến FSI (chiếu sáng mặt trước), có một mạch kim loại giữa điốt quang và ống kính giúp chặn ánh sáng và làm tối hình ảnh.
Mặc dù cảm biến tiếp tục được cải tiến nhưng về cơ bản, công nghệ vẫn thu ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện để lưu trữ trong bộ nhớ của điện thoại thông minh hoặc hiển thị trên màn hình. Trong các thế hệ cảm biến CMOS tiếp theo, các kỹ sư đã di chuyển các điốt quang phía trên mạch điện và bên dưới ống kính, cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn. Thế hệ cảm biến này được gọi là BSI (Chiếu sáng mặt sau).
Bằng sáng chế đầu tiên cho điện thoại di động có thể chụp ảnh là vào năm 1994. Hồi đó, bốn kỹ sư của Nokia đã quyết định chế tạo một chiếc điện thoại có camera tích hợp. Tuy nhiên, chiếc điện thoại chụp ảnh đầu tiên không phải do Nokia sản xuất. Thay vào đó, nó là Visual Phone do Kyocera của Nhật Bản tung ra vào tháng 5 năm 1999, có tên mã là VP-210.
Sự tồn tại của nhiều khuyết điểm đã khiến cho cảm biến CMOS đời đầu kém hấp dẫn hơn so với CCD. Đến năm 2008, kỹ sư Sony Taku Umebayashi tin rằng BSI có thể được cải tiến và bắt đầu nghiên cứu công nghệ CMOS xếp chồng. Ý tưởng là tách hoàn toàn mạch điện ra khỏi photodiode. Trước đây, mạch điện được quấn quanh photodiode, chiếm nhiều không gian. Ít điốt quang thu được ít ánh sáng hơn, giảm độ nhạy với ánh sáng yếu và tạo ra nhiễu.
Sony đã giới thiệu cảm biến CMOS xếp chồng thương mại đầu tiên vào năm 2012, tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhiếp ảnh kỹ thuật số. Merlin đã giành được nhiều giải thưởng lớn trong đó có Giải thưởng Sáng chế Quốc gia năm 2016 của Thủ tướng Nhật Bản.
Nhưng khi cảm biến CMOS xếp chồng được đưa vào sản xuất hàng loạt, Sony khó có thể thu hút khách hàng đặt mua. Sau đó, công ty đặt cược vào việc tăng mức độ phổ biến của mình bằng cách trang bị cho chiếc điện thoại thông minh cao cấp của mình, Xperia Z.
Canh bạc của Sony đã được đền đáp. Chẳng bao lâu sau, các nhà sản xuất smartphone đã nhận ra những ưu điểm của sản phẩm. Ngày nay, hầu hết điện thoại thông minh, trong đó có iPhone, đều sử dụng cảm biến hình ảnh của Sony. Theo dữ liệu của Yole Intelligence 2023, họ dẫn đầu thị phần cảm biến camera với 42% thị phần, trong đó Samsung đứng thứ hai với 19% thị phần.
Sony tiếp tục cải tiến cảm biến CMOS vào năm 2021 và không dừng lại ở công nghệ xếp chồng. Một cảm biến mới với bóng bán dẫn hai lớp và photodiode đầu tiên trên thế giới đã ra đời, gọi là bóng bán dẫn 2 lớp. Các kỹ sư đã tìm ra cách di chuyển các bóng bán dẫn để khuếch đại tín hiệu bên dưới photodiode, tạo ra nhiều diện tích bề mặt hơn để thu ánh sáng và cải thiện các yếu tố như dải động, độ nhạy ánh sáng yếu và giảm nhiễu.
Công nghệ cảm biến mới được cài đặt trên hàng loạt smartphone cao cấp mới ra mắt gần đây, điển hình như Sony Xperia 1 Mark V có tên Exmor T. Còn với các dòng máy cao cấp khác như Xiaomi 14, Oppo Find X7 Ultra thì Sony đổi tên cảm biến thành LYTIA. Trong thời gian tới, những cảm biến như vậy sẽ xuất hiện trên các mẫu máy tầm trung.
Năm giai đoạn chụp ảnh bằng điện thoại di động của bạn
Thế hệ máy ảnh điện thoại di động đầu tiên, ra mắt vào đầu những năm 2000, được coi là cơ bản, với độ phân giải thấp tới 0,1 megapixel và không có tính năng tự động lấy nét. Mặc dù đã được cải tiến nhưng chúng vẫn có chất lượng thấp và được coi là một thứ mới lạ hơn là một công cụ chụp ảnh nghiêm túc.
Thế hệ thứ hai, được giới thiệu vào khoảng năm 2004, tiên tiến hơn, có độ phân giải cao hơn và bổ sung tính năng tự động lấy nét. Nokia là một trong những nhà sản xuất đầu tiên tung ra một số điện thoại có camera 2 megapixel vào năm 2005, một cải tiến đáng kể so với thế hệ điện thoại có camera đầu tiên. Đây cũng là thời kỳ thị trường điện thoại thông minh được hình thành.
Thế hệ máy ảnh di động thứ ba được ra mắt vào đầu những năm 2010 và công nghệ này đã được cải thiện đáng kể khi điện thoại di động cơ bản suy giảm và được thay thế bằng điện thoại thông minh. iPhone 4 2010 có camera 5 megapixel với đèn flash LED, tự động lấy nét và quay video HD – được coi là một trong những yếu tố thay đổi cuộc chơi cho máy ảnh điện thoại di động, mở ra những khả năng mới về chụp ảnh và quay video trên thiết bị di động.
Thế hệ thứ tư được ra mắt vào khoảng năm 2015. Đây là lúc thị trường di động bắt đầu thấy nhiều tính năng tiên tiến hơn như ổn định hình ảnh quang học, cảm biến lớn hơn và ống kính kép. Ra mắt vào năm 2016, Samsung Galaxy S7 sở hữu camera 12 megapixel với tính năng tự động lấy nét Dual Pixel và ổn định hình ảnh quang học, một cải tiến đáng kể so với các mẫu trước đó, cho phép người dùng chụp được những bức ảnh rõ ràng, sắc nét ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.
Thế hệ thứ năm là thế hệ điện thoại thông minh hiện tại. Nhiếp ảnh giờ đây đã được nâng lên một tầm cao mới khi các thiết bị bổ sung nhiều ống kính, khả năng xử lý hình ảnh được cải thiện và các chế độ chụp được điều khiển bằng AI. Ngoài ra, họ còn có những ống kính có chức năng riêng như góc siêu rộng, tele và tele.
Baolin-Huide Tổng hợp
