Ánh sáng từ ống kính đi vào máy ảnh được xử lý chuyển đổi thành tín hiệu điện tử bằng các photodiode trong cảm biến. Được xem như trái tim của máy ảnh kỹ thuật số, cảm biến (imaging sensor) xử lý những vấn đề ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng của bức ảnh.
Với các máy ảnh Full Frame như Nikon ( D700, D3, D3s ) hoặc Canon (1Ds Mark II, Mark III, 5D Mark II) người dùng trả chi phí lớn hơn rất nhiều so máy ảnh Crop Frame. Chi phí này không chỉ là trả để sỡ hữu một kích thước cảm biến lớn hơn mà hơn thế nữa người dùng đang sỡ hữu một công nghệ mở rộng dãy nhạy sáng ISO và khử nhiễu (noise) tốt hơn.

Độ nhạy sáng ISO

Độ nhạy với ánh sáng của lớp tráng phủ trên phim được công bố bởi 2 nhà nhiếp ảnh Ferdinand Hurter và Vero Charles Driffield vào năm 1876. Tốc độ phim (film speed) được đánh giá bằng phép đo độ nhạy với ánh sáng (sensitometry) và mật độ của các hạt bạc nhũ tương (silver halide gelatin) cấu tạo bên trên lớp tráng phủ phim. Đại lượng gọi chung của tốc độ phim là ISO (hoặc trước đây là ASA-Mỹ, DIN-Đức, BSI-Anh, GOST-Nga…) đánh giá khả năng hấp thu ánh sáng. Kích thước hay mật độ hạt bạc nhũ tương càng lớn phim càng tiếp nhận được nhiều ánh sáng, kết quả là độ nhạy sáng ISO càng cao, khi đó phim chỉ cần một lượng ánh sáng ít hơn.

 

Với máy ảnh kỹ thuật số, phim được thay thế bằng thiết bị ghi hình CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) hoặc  CCD (Charge-Coupled Device) và được “phủ” lên bằng hàng triệu thấu kính cực nhỏ (microlens) có bán kính nhỏ hơn 5 micrometer (1micrometer = 1/1000mm) đặt bên trên mỗi một bán dẫn cảm quang (photodiode). Bán dẫn cảm quang tiếp nhận các hạt quang tử (photon) của sóng ánh sáng có bước sóng từ 190nm cho đến 1100nm và chuyển quang năng thành điện năng (tín hiệu điện tử). Trong thực tế thì hầu hết các máy ảnh số chỉ cho phép tiếp nhận dãy bước sóng của tia sáng thấy được mà thôi. Tương tự như các hạt bạc nhũ tương, các bán dẫn cảm quang “mù màu” hay nói một cách khác nó chỉ “nhìn thấy” được sắc độ mà không thấy được sắc màu của ánh sáng. Vì vậy, một bộ lọc màu (CFA - Color Filter Array) bao gồm các filter màu đỏ, lục, lam (Red, Green, Blue) được đặt nằm giữa microlens và photodiode. Các photodiodes sẽ chuyển đổi sắc độ riêng biệt của từng màu sắc ánh sáng thành tín hiệu điện tử. Mỗi một điểm ảnh (pixel – Picture Element) sẽ có 1 microlens, 1 filter lọc màu và 1 photodiode. Tương tự như phim, diện tích điểm ảnh của cảm biến càng lớn thì tiếp nhận được nhiều ánh sáng hơn.

Cảm biến của máy ảnh Nikon D3s có kích thước là 36 x 24mm, với mỗi điểm ảnh có kích thước 8,45 x 8,45 micrometer, lớn hơn máy ảnh Nikon D2x là 2,4 lần. Điều này có nghĩa là mỗi một điểm ảnh trong máy ảnh Nikon D3s tiếp nhận ánh sáng nhiều hơn. Kết quả là máy ảnh Nikon D3s sẽ cung cấp dãy nhạy sáng ISO rộng hơn.

Tuy nhiên, nếu so diện tích điểm ảnh của máy ảnh Nikon D700 và D3 thì máy ảnh Nikon D3s có kích thước tương tự là 8,45 x 8,45 micrometer. Nhưng dãy nhạy sáng ISO trên máy ảnh D3 chỉ từ 200-6400. Vì vậy, kỹ thuật mở rộng dãy nhạy sáng ISO 200-12800 trên máy ảnh Nikon D3s chính là gia tăng tỉ lệ tiếp nhận ánh sáng đến từng bán dẫn cảm quang.

Gia tăng tỉ lệ tiếp nhận ánh sáng của bán dẫn cảm quang trên máy ảnh Nikon D3s
Nhận nhiệm vụ đưa ánh sáng sáng tới bán dẫn cảm quang, các microlens trên cảm biến của máy ảnh Nikon D3s được chế tạo bằng loại thủy tinh có độ dẫn truyền ánh sáng rất cao. Và quan trọng nhất là thiết kế giảm tối đa khoảng hở giữa các microlens (gapless design) giảm thiểu ánh sáng bị đánh mất. Đây là một trong những yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất để mở rộng dãy nhạy sáng ISO đối với máy ảnh Nikon D3s.

Cấu trúc nghịch đảo diode (back-illuminated structure) vốn cũng đang còn trong thử nghiệm, hiện chỉ được dùng trong những dòng máy ảnh compact, là thiết kế với nhiều ưu điểm hơn so với cấu trúc chiếu sáng truyền thống (front-illuminated structure), nhưng vẫn chưa được vận dụng đưa vào dòng cao cấp hơn là DSLR. Do đó, cho dù với cấu trúc nghịch đảo diode, có thể nhận nhiều ánh sáng hơn, và ít nhiễu trong vùng tối hơn, nhưng hầu hết các máy ảnh DSLR vẫn sử dụng cấu trúc bán dẫn với chiếu sáng truyền thống và cách để gia tăng tỉ lệ tiếp nhận ánh sáng là thiết kế mạch điện mỏng tối đa.

Xử lý nhiễu (noise) và gia tăng hiệu suất tín hiệu / nhiễu (SNR Signal to Noise Ratio)

Tương tự như phim, cảm biến của từng dòng DSLR chỉ có duy nhất một độ nhạy sáng căn bản (base ISO) và trong hầu hết trường hợp, đó là độ nhạy sáng thấp nhất trong dãy nhạy sáng ISO của máy ảnh DSLR, Nikon chọn ISO 200, trong khi Canon chọn 100, và ở độ nhạy mặc định này, thì chất lượng hình ảnh là cao nhất, với nhiễu thấp nhất (hoàn toàn khác với phim nhựa). Trong điều kiện cần tiếp nhận thêm ánh sáng, bằng thiết lập độ nhạy sáng ISO, cảm biến sẽ khuếch đại tín hiệu đồng thời xử lý tăng sáng bằng thuật toán nội suy. Giảm thiểu nhiễu phát sinh trong quá trình này là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh.
Nhiệt độ sinh ra khi máy ảnh đang làm việc và độ dài quãng đường truyền dẫn tín hiệu là những yếu tố sinh ra nhiễu ngẫu nhiên (incidental noise). Do vậy, mạch khuếch đại tín hiệu trên máy ảnh D3s đặt rất gần với mạch gắn kết bán dẫn cảm quang. Hơn thế nữa, tín hiệu đầu ra từ bán dẫn đã được khuếch đại ngay từ đầu trước khi được truyền dẫn.

 
Tín hiệu còn có thể bị nhiễu bởi từ trường sinh ra từ nguồn điện cung cấp. Bằng cấu trúc được giản lược nhiều hơn so với các dòng máy Nikon khác, máy ảnh D3/D3s sử dụng một mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D - analogue to digital converter) tiết kiệm điện năng tối đa nhờ vậy mà giảm thiểu được nhiễu do từ trường xung quanh. Và tương tư như các dòng máy Nikon FX khác, Nikon D3s cũng sở hữu mạch đọc tín hiệu 12 kênh (amplified electrical signal - 12-channel high-speed readout) tốc độ cực cao (gấp 2 lần máy ảnh Nikon D2x). Với những yếu tố kỹ thuật này, Nikon D3s không chỉ có thể chụp liên tục với 9 khung hình trên 1 giây mà còn có thể hạn chế nhiễu phát sinh trong mạch điện.

Tiếp nhận ánh sáng tối đa, xử lý nhanh hơn, khử nhiễu nhiều hơn 

Hãy hình dung, sức chứa các hạt quang tử bên trong các bán dẫn quang tử (pixel pitch) như một cái thùng chứa nước mưa. Nó chứa tất cả những hạt “tốt” là tín hiệu và cả những hạt “xấu” là nhiễu. Trong cùng  điều kiện như nhau, tín hiệu nhiễu xung quanh sẽ như nhau. Do đó, sức chứa càng lớn thì hiệu suất tín hiệu/nhiễu - SNR càng cao. Và kết quả là ảnh càng chất lượng.

L.K (st)