Tóm tắt : ISOCELL không chỉ là chiêu quảng cáo của Samsung, mà là một công nghệ hình ảnh cải tiến, giúp giảm tạp nhiễu chéo giữa các giếng bắt sáng trong một điểm ảnh, tăng độ thực màu và độ sắc nét so với cảm biến ảnh BSI thông thường, hứa hẹn chất lượng hình cao hơn và/hoặc kích thước cụm máy ảnh nhỏ gọn hơn.
Bài viết khá dài của Androidauthority giải thích công nghệ và ứng dụng của ISOCELL, các bạn nên pha sẵn cho mình một ly cafe hoặc một tách trà và từ từ đọc,
Megapixel quả là một con số dễ dàng để so kè với nhau, đó là lý do tại sao rất nhiều nhà sản xuất thích khoe khoang về điều này, đẩy MP lên cứ như thể thuốc chữa bách bệnh cho mọi vấn đề của nhiếp ảnh điện thoại. Tuy nhiên còn có rất nhiều các yếu tố quan trọng khác góp phần kiến tạo một cảm biến hình ảnh chất lượng cao chứ không chỉ đơn thuần là megapixel, đó là lưu ý quan trọng khi chúng ta nói về ISOCELL.
Người hâm mộ máy ảnh có thể đã nghe về cảm biến hình ảnh của Samsung mang tên ISOCELL, được cho là sẽ xuất hiện trong chiếc Galaxy S5. Công nghệ mới này hứa hẹn tăng độ nhạy sáng và màu sắc trung thực hơn ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, và Samsung sẽ áp dụng nó như là bước cải tiến tiếp theo của cảm biến công nghệ sử dụng công nghệ Backside-illuminated (BSI - đưa dây điện ra sau) .
Chúng ta rồi sẽ được nghe nhiều hơn về công nghệ ISOCELL trong vài tháng tới. ISOCELL không chỉ là mỹ từ bởi vậy sẽ là hữu ích nếu biết công nghệ này là gì và nó hoạt động như thế nào. Bài viết này sử dụng thông tin từ một bài thuyết trình về công nghệ mà chúng tôi mới tham dự, ta sẽ có một cái nhìn sâu hơn về việc Samsung muốn thay đổi cục diện máy ảnh smartphone như thế nào.
Thiết kế cảm biến hình ảnh chất lượng cao
Một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng chung của một cảm biến hình ảnh là lượng ánh sáng mà nó có thể bắt được tại mỗi điểm ảnh (pixel). Đây là một tiền đề rất đơn giản - càng nhiều của ánh sáng từ cảnh chụp mà cảm biến nắm bắt được thì hình ảnh càng được tái tạo chính xác. Điều này có nghĩa rằng kích thước từng điểm ảnh càng lớn thì càng có lợi cho chất lượng hình ảnh, bởi mỗi điểm ảnh có thể nhận nhiều ánh sáng hơn.
Tuy nhiên, khi bạn có từng điểm ảnh lớn, thì số điểm ảnh trên một diện tích tấm cảm quang lại không thể nhiều, và không nhiều thì độ phân giải nhỏ hơn và hình ảnh ít chi tiết hơn.
Thường thì các nhà sản xuất điện thoại quan tâm nhiều hơn tới việc nhét càng nhiều điểm ảnh vào để tăng độ phân giải thay vì chế tạo ra điểm ảnh nhạy sáng hơn.
Một ngoại lệ đáng chú ý là HTC, hãng này với công nghệ UltraPixel của mình đã cố gắng đi ngược lại xu hướng tóp teo các điểm ảnh. UltraPixels thực tế là điểm ảnh cơ bản lớn, và đó là lý do tại sao HTC đã phải giảm độ phân giải của máy ảnh của HTC ONE xuống chỉ còn 4MP. Tích cực mà nói thì One có thể chụp đẹp ở điều kiện ánh sáng yếu trong khi các máy khác phải “gồng mình”.
Tuy nhiên, không phải hãng nào cũng sẵn sàng đi theo con đường của HTC, vì vậy các nhà sản xuất cảm biến đã đổ hàng tỷ USD vào việc phát triển cảm biến vừa có độ phân giải cao vừa có độ nhạy sáng tốt nhằm phục vụ cho yêu cầu khó khăn từ những chiếc smartphone.
Với nỗ lực bắt sáng tốt ngay cả trên điểm ảnh rất nhỏ, các nhà sản xuất đã có những bước tiến rất dài để nâng cao hiệu quả của cảm biến, từ loại bỏ những khoảng trống giữa các điểm ảnh cho đến việc chuyển các dây điện kết nối các điểm ảnh xuống bên dưới để không cản trở ánh sáng đi vào (BSI). Hình minh họa dưới đây cho thấy cảm biến BSI bắt được nhiều quang tử (photon) hơn , so với cảm biến FSI bị vướng một chút dây điện.
Công nghệ BSI (bên phải) giúp ánh sáng lọt vào giếng nhiều hơn
Tuy nhiên công nghệ BSI tới đây đã tối đa hóa hiệu năng cảm biến rồi. Một trở ngại lớn khác ảnh hưởng tới chất lượng ảnh đó là tạp nhiễu chéo (crosstalk), và đây là chính là nơi dụng võ của ISOCELL.
ISOCELL giải quyết vấn đề gì?
Khi kích thước điểm ảnh ngày càng nhỏ đi, thì các diode quang điện (photodiode) bắt đầu cảm nhận không thật chính xác màu sắc và lượng ánh sáng do một hiện tượng gọi là tạp nhiễu chéo. (Diode quang điện có nhiệm vụ tóm từng hạt ánh sáng và chuyển thành dòng điện, sau đó bộ xử lý sẽ xử lý dòng điện thành hình ảnh)
Tạp nhiễu chéo xảy ra khi một chút ánh sáng lẽ ra chui vào photodiode này thì lại "rò rỉ " qua photodiode lân cận, gây ra một dòng điện yếu ớt ở một nơi mà lẽ ra không nên có.
Có vài nguyên nhân gây ra tạp nhiễu chéo, trong đó nguyên nhân hay gặp nhất là ánh sáng phản xạ bật qua lại xung quanh bên trong diode, được gọi là tạp nhiễu quang (light crosstalk). Ngoài ra, khi một điểm ảnh nhận được nhiều ánh sáng hơn khả năng nó có thể xử lý (ánh sáng tràn qua mức độ bão hòa), thì xảy ra tạp nhiễu điện (electronic crosstalk), đó là việc tạo ra dòng điện ở những diode sai đích do sự dò rỉ tín hiệu điện truyền dữ liệu từ các diode
Hình trái mô tả 2 tạp nhiễm chéo quang và điện, hình bên phải mô tả thực tế nhiễu sinh ra màu đỏ và xanh dương trong khi lý tưởng chỉ có màu xanh lục
Thử lấy một ví dụ thực tế: chỉ có quang phổ xanh lục chiếu vào một điểm ảnh nào đó, thì ngoài chui vào diot xanh lục,một số quang tử có thể bị rò rỉ vào diode màu xanh dương và màu đỏ và gây ra một dòng điện nhỏ trong các diode màu này, mặc dù thực tế không có màu đỏ hoặc màu xanh dương trong bối cảnh chụp đó. Như bạn có thể mường tượng được, điều này dẫn đến một quang sai nhẹ, thể hiện ra qua nhiễu và phình nở màu. Tạp nhiễu chéo là không thể loại trừ hẳn, nhưng có thể được giảm nhẹ bằng một số kỹ thuật thông minh.
ISOCELL hoạt động như thế nào?
ISOCELL về cơ bản là một sự cải tiến của công nghệ hiện có và nhằm mục đích giải quyết các vấn đề nêu trên. ISOCELL xử lý vấn đề tạp nhiễm chéo bằng cách dùng rào cản vật lý cách ly các giếng bắt sáng, vì thế chúng ta mới thấy từ ISO - isolating có nghĩa là cách ly. Những rào cản này giúp các photon bị tóm vào các giếng dành cho chúng và được hấp thu bằng photodiode tương ứng chứ không bị nhảy sang chơi ở giếng bên cạnh.
Đây là video mà Samsung giải thích về ISOCELL:
So với các điểm ảnh của BSI thông thường, ISOCELL dự kiến sẽ giảm tạp nhiễu chéo và nâng cao dung lượng của giếng bắt sáng khoảng 30 phần trăm. Điều này không có nghĩa là chất lượng hình ảnh sẽ được cải thiện 30 phần trăm, nhưng rõ ràng là độ thật màu sẽ cao hơn, sẽ được nhận ra bởi độ sắc nét và nhuận sắc được cải thiện đôi chút.
Chuỗi cải tiến để nâng cao chất lượng ảnh, từ giảm khoảng trống giữa các điểm ảnh, tăng độ sâu giếng, điều sáng, chuyển vị trí dây điện cho tới ISOCELL
Chi tiết kỹ thuật
ISOCELL là tên thương mại còn tên kỹ thuật của Samsung là 3D-Backside Illuminated Pixel with Front-Side Deep-Trench Isolation (F-DTI - ) and Vertical Transfer Gate (Điểm ảnh BSI 3-D với công nghệ thiết lập rãnh sâu ở mặt trước và cổng truyền dọc)
Vấn đề nảy sinh khi áp dụng rào cản F-DTI là chính nó lại làm thiệt mất diện tích bề mặt của photodiode phục vụ việc bắt sáng, và ảnh hưởng tới khả năng tối đa của giếng bắt sáng. Để giải quyết vấn đề này, Samsung đã thay đổi thiết kế của diode sử dụng một thành phần được gọi là cổng truyền dọc (VTG), thay vì kiểu ngang thường được tìm thấy trên các bộ cảm biến BSI. Việc sử dụng VTG giúp Samsung phân cách các diode bắt sáng, nhưng vẫn duy trì được giếng bắt sáng rộng và có được độ nhạy sáng tốt.
Nhờ công nghệ này, Samsung đã giảm tạp nhiễu chéo từ 19 phần trăm của BSI thông thường xuống còn 12,5 phần trăm ở ISOCELL. Công nghệ mới cho tỷ suất tín hiệu sáng / nhiễu (YSNR = 10) đạt 105 lux, so với 150 lux nếu dùng BSI thường, năng lực tối đa của giếng bắt sáng cũng được 6.200 e- so với 5.000 e- trên một cảm biến BSI tương tự .
ISOCELL cũng cho phép mở rộng góc tới của ánh sáng bởi có thể bắt được ánh sáng ở góc xiên nhiều hơn. Điều này cho phép việc sử dụng các ống kính trị số F thấp hơn (khẩu lớn), giúp ghi được ảnh chất lượng tốt hơn trong môi trường thiếu sáng. Sau rốt, ISOCELL giúp các nhà sản xuất dễ bề hạ thấp độ cao của cụm máy ảnh hoặc tăng diện tích bề mặt của pixel. Cảm biến sẽ có thể thiết kế nhỏ hơn, tiềm năng tiết kiệm chi phí về sau cho nhà sản xuất.
Ý nghĩa của công nghệ này trên smartphone
Rõ ràng ISOCELL hứa hẹn cải thiện chất lượng hình ảnh nói chung, cụ thể là cải thiện độ sắc nét, dải tương phản động rộng hơn. Sau đây là những ứng dụng thực tế
ISOCELL chắc hẳn sẽ có ảnh hưởng đến vấn đề chi phí và phát triển tương lai của máy ảnh điện thoại. Bởi công nghệ mới liên quan đến quá trình sản xuất phức tạp hơn, do đó máy ảnh sử dụng ISOCELL ban đầu có thể sẽ hơi đắt hơn các dòng hiện tại – khi mới được tung ra, dẫn đến khả năng chỉ dành cho các thiết bị cao cấp.
Mặc dù cảm biến đầu tiên của Samsung áp dụng công nghệ này chỉ bao gồm 8 megapixel, mỗi điểm ảnh sẽ có kích thước dưới 1,12 micron, nhưng lưu ý rằng phiên bản 16 megapixel đã được sử dụng cho Samsung Galaxy S5. Công nghệ cho phép kích thước điểm ảnh nhỏ nhất, tại thời điểm này, là 0,9 micron; có nghĩa là Samsung trong tương lai còn có thể nhét thêm nhiều điểm ảnh nữa vào cảm biến.
Thu nhỏ kích thước cụm máy ảnh có nghĩa là người tiêu dùng cũng có thể được hưởng lợi từ tiềm năng nhỏ gọn cũng như giá cả rẻ hơn, hoặc các nhà thiết kế có thể sử dụng không gian thêm cho các cải tiến khác của công nghệ máy ảnh, chẳng hạn như ống kính tốt hơn và hệ thống ổn định hình ảnh quang học. Thu nhỏ cụm máy ảnh cũng có thể giúp thiết kế mỏng hơn hay pin lớn hơn.
ISOCELL là một công nghệ mới đầy hứa hẹn, có thể củng cố vị thế của Samsung như một cánh chim hàng đầu trong ngành công nghiệp điện thoại di động. Samsung đã nói rằng ISOCELL sẽ được áp dụng trong " công nghệ cao hàng đầu trên các thiết bị di động hiện đại vào năm 2014 ", trong đó có thể thấy rằng Galaxy S5 hoặc Note 4 sẽ là những chiếc đầu tiên được hưởng lợi từ công nghệ mới này.
