Trái tim của một máy ảnh kỹ thuật số là cảm biến ảnh (image sensor). Cảm biến này có nhiệm vụ bắt ánh sáng và chuyển chúng thành các điện tử. Các điện tử này sau đó sẽ được chuyển thành điện áp (để có thể đo lường được) rồi chuyển sang dạng tín hiệu số để tiếp tục được xử lý. Hiện nay CCD và CMOS là hai loại cảm biến hình ảnh được sử dụng phổ biến trên các thiết bị chụp hình và quay phim. Hiện này So sánh cảm biến hình ảnh CCD và CMOS cũng không quá phức tạp bởi biến hình ảnh CCD và CMOS khác nhau chính từ khâu hấp thụ ánh sáng rồi chuyển sang dạng tín hiệu số để tiếp tục được xử lý.
Lịch sử hình thành và phát triển
CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) và CCD (Charge Coupled Device) ban đầu chỉ đóng vai trò như những thiết bị lưu trữ giống như thẻ nhớ bây giờ chứ không liên quan tới ảnh số. Vào khoảng cuối những năm 60 đầu 70, các nhà khoa học bắt đầu phát hiện ra các chip này đều có khả năng hấp thụ ánh sáng. Do đó, ý tưởng về ứng dụng CCD và CMOS vào máy ảnh số đã ra đời.
Mặc dù CCD và CMOS cùng bước chân vào thế giới ảnh số nhưng CCD đã tỏ ra có ưu thế hơn hẳn bởi khả năng nhạy sáng cao, có thể tái hiện những bức ảnh có độ phân giải lớn, thể hiện được các dải màu liên tục, trong khi CMOS độ nhạy sáng kém, ảnh thu được dễ bị rạn. Tuy nhiên chi phí sản xuất CCD rất đắt so với sản xuất CMOS nhưng CCD vẫn vượt mặt và là thành phần chủ yếu trong các máy ảnh số từ đó về sau, trong khi CMOS lại quay về với các chức năng cũ kỹ: lưu trữ, xử lý thông tin trong các thiết bị số khác.
Tuy nhiên, đến cuối năm 2002 cảm biến CMOS có thể nói đã đạt tới đỉnh khi cả Canon và Kodak trong đồng loạt tung ra những đứa con cưng nhất của mình sử dụng cảm biến CMOS đó là: Kodak DSC 14n tới 14 triệu điểm ảnh và Canon EOS 1Ds 11 triệu điểm với kích cỡ CMOS to như kích cỡ phim thường (36x24mm). Việc sử dụng chip CMOS thế hệ mới giúp cho máy ảnh số chuyên nghiệp giải được bài toán hóc búa về việc hài hòa giữa tính năng mạnh, độ phân giải cao, chất lượng ảnh tốt trong khi giá thành lại chấp nhận được.
Nguyên lý hoạt động của CCD và CMOS
CCD bao gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng (điểm ảnh, pixel). Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ bản: đỏ, xanh lam và xanh dương (Red, Green, Blue) để mỗi điểm chỉ bắt một màu nhất định. Do các điểm ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt xen kẽ nhau nên màu nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện bằng màu từ một điểm ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các điểm xung quanh bằng phương pháp nội suy.
Khi chụp ảnh, cửa trập mở ra, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại lại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh. Thông tin về ánh sáng lưu lại của mỗi điểm được thể hiện bằng sự khác nhau về điện áp và sẽ được chuyển lần lượt ra bộ phận đọc giá trị điện áp này. Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuyếch đại tín hiệu, rồi đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter), rồi tới bộ xử lý để tái hiện lại hình ảnh đã chụp được.
Việc phải đọc thông tin lần lượt là cho tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh ở một số vùng hoặc dễ bị thừa sáng hoặc thiếu sáng,… Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có kích cỡ bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng. Nhưng sự cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian trên chip. Mà để sản xuất chip CCD cần có những thiết bị, phòng lab chuyên dụng, khiến cho giá thành CCD đã đắt lại càng thêm đắt.
CMOS, cạnh mỗi một điểm bắt sáng trên cảm biến CMOS đều có một mạch bổ trợ, do đó người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi analog/digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng điểm ảnh đơn lẻ. Các điểm ảnh đa chức năng này (vì thế ở CMOS thế hệ mới còn được gọi là các điểm ảnh chủ động APS – active pixel sensor) đều có khả năng tự làm việc. Cũng do khả năng này mà người ta có thể tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã đọc là đọc hết toàn bộ bức ảnh. Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ. CMOS lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình sản xuất chip máy tính thông dụng ngày nay hay các chip trong các thiết bị điều khiển khác, không cần phải đầu tư thêm phòng lab mới. Giá thành sản xuất theo đó sẽ được giảm đáng kể.
Tuy nhiên, do mỗi một điểm nhận ánh sáng trên CMOS lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khi khuyếch đại. Điều này làm cho bức ảnh xuất ra luôn có một độ nhiễu nhất định (không mịn). Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng khiến cho độ nhạy sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và mạch khuyếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của mạch vì thế sẽ không được tái hiện. Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao.
Với công nghệ chế tạo chip cảm biến CMOS mới hiện tại, các vấn đề trên đã được khắc phục. Để giải quyết vấn đề các mạch khuyếch đại luôn tạo ra một độ nhiễu nhất định trên ảnh, người ta khắc phục bằng cách đọc ảnh trên cảm biến CMOS hai lần, mỗi lần chỉ trong vòng khoảng 10/1.000 giây. Lần 1 đọc toàn bộ các giá trị bắt sáng của cảm biến, lần 2 chỉ đọc các giá trị của các mạch bổ trợ tại mỗi chip (giá trị gây nhiễu, hạt). Lấy giá trị lần 1 trừ đi giá trị lần 2 sẽ được bức ảnh chất lượng cao, loại bỏ gần như hoàn toàn độ nhiễu. Để không bị mất phần thông tin ánh sáng rơi vào vị trí của mạch, người ta đã thêm vào bên trên của mạch một lớp chắn sáng, một vi thấu kính sẽ được phủ lên toàn bộ bề mặt của hạt bắt sáng và của mạch, lái ánh sáng tại mọi vị trí của điểm ảnh rơi vào vị trí của hạt bắt sáng.
Nhờ vào các ưu điểm và việc khắc phục các nhược điểm của cảm biến CMOS mà giờ đây cảm biến CMOS đang là lựa chọn của rất nhiều nhà sản xuất máy chụp hình/quay phim nổi tiếng trên thế giới. Nhờ nhưng đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS hiện tại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD. Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, cần ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD.