Chặng đường hơn 30 năm của cảm biến CMOS trên điện thoại

Điện thoại trang bị camera đã trải qua một chặng đường dài từ những ngày đầu xuất hiện. Qua từng năm, camera di động trở nên tiên tiến hơn, đem lại hình ảnh chất lượng cao hơn và có một số tính năng có thể sánh ngang máy chuyên dụng.

Sự ra đời của cảm biến máy ảnh CMOS

Công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) ra đời từ năm 1968. Ban đầu, nó cùng với công nghệ CCD (Charge Coupled Device), ra đời năm 1969, chỉ đóng vai trò như thiết bị lưu trữ cơ động giống thẻ CF hay SD bây giờ, không liên quan gì tới máy ảnh số.

Vào đầu những năm 1970, các nhà khoa học bắt đầu phát hiện các chip này đều có khả năng hấp thụ ánh sáng. Ý tưởng ứng dụng CCD và CMOS vào máy ảnh số đã ra đời.

Khi đó, CCD tỏ ra có ưu thế hơn bởi khả năng nhạy sáng cao, có thể tái hiện bức ảnh có độ phân giải lớn với các dải màu liên tục, trong khi CMOS độ nhạy sáng kém, ảnh thu được dễ bị rạn. Do vậy, dù chi phí sản xuất rất đắt so với CMOS, CCD vẫn vượt qua và trở thành linh kiện phổ biến trong máy ảnh số, trong khi CMOS quay về với chức năng cũ: lưu trữ, xử lý thông tin trong các thiết bị số.

Đến năm 1993, nhà vật lý và kỹ sư nổi tiếng Eric Fossum đã dẫn đầu việc phát minh cảm biến CMOS, còn gọi là APS (active-pixel sensor) tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA. Fossum và nhóm cộng sự sau đó cũng góp công lớn để thương mại hóa cảm biến CMOS, thay vì chỉ phục vụ cho mục đích chinh phục không gian của NASA.

Sự tiến hóa

Sở dĩ CMOS còn được gọi là APS do mỗi đi-ốt quang có một bóng bán dẫn riêng biệt để khuếch đại tín hiệu. Camera sẽ sử dụng một thấu kính giúp tập trung ánh sáng vào đi-ốt quang để thu giữ các photon từ ánh sáng và chuyển chúng thành electron hay tín hiệu điện, đồng thời các bóng bán dẫn khuếch đại tín hiệu điện để gửi đến chip xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP). Các cảm biến camera đời đầu, gọi là cảm biến FSI (chiếu sáng mặt trước), có mạch kim loại nằm giữa đi-ốt quang và ống kính nên cản trở ánh sáng và làm hình ảnh bị tối hơn.

Dù cảm biến liên tục được cải tiến, công nghệ về cơ bản vẫn là thu ánh sáng và chuyển thành tín hiệu điện để lưu vào bộ nhớ trên smartphone hay hiển thị trên màn hình. Ở các thế hệ cảm biến CMOS tiếp theo, các kỹ sư đã chuyển các đi-ốt quang lên phía trên hệ thống mạch điện và nằm 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 có thể chụp ảnh là vào năm 1994. Khi đó, bốn kỹ sư của Nokia quyết định tạo ra một chiếc điện thoại có camera tích hợp bên trong. Tuy nhiên, điện thoại chụp ảnh đầu tiên lại không phải do Nokia sản xuất. Thay vào đó là Visual Phone, tên mã VP-210, do Kyocera của Nhật Bản ra mắt tháng 5/1999.

Việc tồn tại nhiều nhược điểm khiến cảm biến CMOS đời đầu không được để ý như CCD. Đến 2008, Taku Umebayashi, kỹ sư của Sony, cho rằng có thể cải tiến BSI và bắt đầu nghiên cứu công nghệ CMOS xếp chồng, với ý tưởng tách hoàn toàn phần mạch điện ra khỏi đi-ốt quang. Trước đó, mạch điện được quấn quanh đi-ốt quang và chiếm nhiều không gian. Đi-ốt quang càng ít, lượng ánh sáng thu được càng thấp, làm giảm độ nhạy với ánh sáng yếu và tạo ra nhiễu.

Cảm biến CMOS xếp chồng thương mại đầu tiên được Sony giới thiệu vào năm 2012 và đã cách mạng hóa nhiếp ảnh kỹ thuật số. Umebayashi đã nhận được Giải thưởng Phát minh Quốc gia năm 2016 từ Thủ tướng Nhật Bản và nhiều giải thưởng lớn khác.

Nhưng khi cảm biến CMOS xếp chồng được sản xuất hàng loạt, Sony lại loay hoay với việc thu hút khách hàng đặt mua. Hãng sau đó đã đặt cược bằng cách trang bị trên smartphone cao cấp Xperia Z của mình để tăng tính phổ biến.

Canh bạc của Sony đã thành công. Ngay sau đó, các nhà sản xuất smartphone đã nhận thấy điểm ưu việt của sản phẩm. Ngày nay hầu hết smartphone, gồm cả iPhone, đều dùng cảm biến ảnh của Sony. Họ đang dẫn đầu về thị phần cảm biến camera với 42%, còn Samsung đứng thứ hai với 19%, theo dữ liệu của Yole Intelligence năm 2023.

Vẫn chưa dừng ở công nghệ xếp chồng, Sony tiếp tục cải tiến cảm biến CMOS vào năm 2021. Cảm biến mới với bóng bán dẫn và đi-ốt quang hai lớp đầu tiên trên thế giới ra đời, gọi là The 2-Layer Transistor Pixel. Các kỹ sư đã tìm ra cách di chuyển phần bóng bán dẫn, khuếch đại tín hiệu dưới photodiode, qua đó tạo ra nhiều bề mặt hơn để thu ánh sáng và cải thiện các yếu tố như dải động, độ nhạy sáng thấp và giảm nhiễu.

Công nghệ cảm biến mới được trang bị trên loạt smartphone cao cấp mới ra mắt gần đây như Sony Xperia 1 Mark V, được đặt tên là Exmor T. Còn trên model cao cấp khác như Xiaomi 14, Oppo Find X7 Ultra, Sony đổi tên cảm biến thành LYTIA. Thời gian tới, loại cảm biến này sẽ xuất hiện trên các mẫu tầm trung.

Năm giai đoạn của camera trên điện thoại

Thế hệ máy ảnh trên điện thoại đầu tiên được giới thiệu đầu những năm 2000. Chúng đều được đánh giá là cơ bản, độ phân giải thấp từ 0,1 megapixel, không có khả năng tự động lấy nét. Dù được cải tiến, chúng vẫn có chất lượng thấp và bị coi là một thứ mới lạ hơn là một công cụ chụp ảnh nghiêm túc.

Thế hệ thứ hai được giới thiệu vào khoảng 2004, tiên tiến hơn với độ phân giải cao hơn và thêm khả năng lấy nét tự động. Nokia là một trong những nhà sản xuất đầu tiên giới thiệu điện thoại chụp ảnh với một số mẫu 2 megapixel năm 2005 - cải tiến đáng kể so với điện thoại chụp ảnh thế hệ đầu. Đây cũng là giai đoạn thị trường smartphone hình thành.

Thế hệ camera di động thứ ba được giới thiệu đầu những năm 2010 với sự cải tiến đáng kể trong công nghệ khi điện thoại cơ bản dần lụi tàn và smartphone lên ngôi. iPhone 4 năm 2010 có camera 5 megapixel với đèn flash LED, tự động lấy nét và khả năng quay video HD - một trong những yếu tố được đánh giá là thay đổi cuộc chơi cho máy ảnh điện thoại, mở ra những khả năng mới cho chụp ảnh và quay phim trên thiết bị di động.

Thế hệ thứ tư được giới thiệu khoảng năm 2015. Đây là lúc thị trường di động bắt đầu thấy những tính năng nâng cao hơn như chống rung quang học, cảm biến lớn hơn và ống kính kép. Samsung Galaxy S7 ra mắt năm 2016 có camera 12 megapixel với khả năng tự động lấy nét pixel kép 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 sắc nét, chi tiết ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.

Thế hệ thứ năm là thế hệ đang có trên smartphone. Khả năng chụp ảnh giờ đây đã được nâng lên tầm cao với các thiết bị bổ sung nhiều ống kính, xử lý hình ảnh được cải thiện và chế độ chụp được hỗ trợ bởi AI. Ngoài ra, chúng cũng có ống kính cho các tính năng riêng như chụp siêu rộng, zoom xa, chụp tele.