Tiếng Việt
Sự Tiến Hóa Của Cảm Biến CMOS Trong Các Mô-đun Camera: Từ Phòng Thí Nghiệm Đến Công Nghệ Hàng Ngày
Tạo vào 10.09
Bước vào bất kỳ cửa hàng điện tử nào ngày nay, và bạn sẽ thấy máy ảnh—dù là trong điện thoại thông minh, camera hành động, hay thiết bị an ninh—được trang bị một thành phần nhỏ nhưng mạnh mẽ: cảm biến CMOS. Viết tắt của Bán dẫn oxit kim loại bổ sung, chip này đã cách mạng hóa cách chúng ta thu nhận ánh sáng và biến nó thành hình ảnh kỹ thuật số. Nhưng hành trình của nó từ một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đến xương sống của công nghệ hiện đạicác mô-đun camerakhông phải là một sớm một chiều. Hãy cùng theo dõi sự phát triển của cảm biến CMOS, khám phá cách chúng vượt trội hơn các công nghệ cũ, thích ứng với nhu cầu của người tiêu dùng và định hình tương lai của hình ảnh.
1. Những Ngày Đầu: CMOS vs. CCD – Cuộc Chiến Giành Quyền Lãnh Đạo Cảm Biến (1960s–1990s)
Trước khi CMOS chiếm lĩnh sân khấu, Các thiết bị ghép điện (CCDs) đã thống trị thế giới hình ảnh. Được phát triển vào những năm 1960 bởi Bell Labs, CCDs xuất sắc trong việc chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện với độ nhạy cao và tiếng ồn thấp—điều này rất quan trọng cho những bức ảnh rõ nét. Trong nhiều thập kỷ, chúng là lựa chọn hàng đầu cho máy ảnh chuyên nghiệp, hình ảnh y tế, và thậm chí cả kính viễn vọng không gian như Hubble.
Công nghệ CMOS, ngược lại, xuất hiện vào khoảng thời gian tương tự nhưng ban đầu bị coi thường như một “sự thay thế tiết kiệm.” Các cảm biến CMOS đầu tiên có hai khuyết điểm lớn: độ nhiễu cao (gây ra hình ảnh hạt) và độ nhạy sáng kém. Khác với CCD, cần mạch bên ngoài để xử lý tín hiệu, các thiết kế CMOS đầu tiên tích hợp các thành phần xử lý trực tiếp trên chip—một tính năng hứa hẹn tiêu thụ điện năng thấp hơn nhưng đi kèm với những đánh đổi. Các mạch trên chip tạo ra nhiễu điện, làm hỏng chất lượng hình ảnh, và các cảm biến CMOS gặp khó khăn trong việc so sánh với dải động của CCD (khả năng ghi lại cả chi tiết sáng và tối).
Tuy nhiên, vào những năm 1980, các nhà nghiên cứu bắt đầu nhận thấy tiềm năng của CMOS. Việc sử dụng năng lượng thấp của nó đã thay đổi cuộc chơi cho các thiết bị di động—điều mà CCD, vốn tiêu tốn pin nhanh chóng, không thể cung cấp. Vào năm 1993, một nhóm tại Đại học Texas ở Austin, do Tiến sĩ Eric Fossum dẫn đầu, đã có một bước đột phá: họ phát triển thiết kế “cảm biến pixel chủ động” (APS). APS đã thêm một bộ khuếch đại nhỏ vào mỗi pixel trên chip CMOS, giảm tiếng ồn và tăng độ nhạy. Sự đổi mới này đã biến CMOS từ một khái niệm có khuyết điểm thành một đối thủ khả thi.
2. Những năm 2000: Thương mại hóa và Sự trỗi dậy của CMOS tiêu dùng
Những năm 2000 đánh dấu sự chuyển mình của CMOS từ phòng thí nghiệm ra kệ hàng. Hai yếu tố chính thúc đẩy sự chuyển đổi này: chi phí và khả năng tương thích với công nghệ kỹ thuật số.
Đầu tiên, cảm biến CMOS rẻ hơn để sản xuất. Khác với CCD, cần quy trình sản xuất chuyên biệt, chip CMOS có thể được sản xuất bằng các nhà máy giống như những nhà máy sản xuất vi mạch máy tính (một ngành công nghiệp trị giá 50 tỷ đô la vào thời điểm đó). Khả năng mở rộng này đã hạ giá, làm cho CMOS trở nên dễ tiếp cận với các thương hiệu điện tử tiêu dùng.
Thứ hai, các mô-đun camera đang thu nhỏ lại—và CMOS đáp ứng được yêu cầu. Khi máy ảnh kỹ thuật số thay thế các mẫu phim, người tiêu dùng yêu cầu các thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn. Việc xử lý tích hợp của CMOS có nghĩa là các mô-đun camera không cần bảng mạch bổ sung, giảm kích thước. Vào năm 2000, Canon đã phát hành EOS D30, chiếc DSLR chuyên nghiệp đầu tiên sử dụng cảm biến CMOS. Nó đã chứng minh rằng CMOS có thể cung cấp hình ảnh chất lượng DSLR, và sớm thôi, các thương hiệu như Nikon và Sony cũng làm theo.
Vào giữa những năm 2000, CMOS đã vượt qua CCD trong các máy ảnh tiêu dùng. Một báo cáo năm 2005 từ công ty nghiên cứu thị trường IDC cho thấy 70% máy ảnh kỹ thuật số sử dụng cảm biến CMOS, so với chỉ 30% cho CCD. Thời thế đã thay đổi: CMOS không còn là một "lựa chọn ngân sách" - nó đã trở thành tiêu chuẩn mới.
3. Thập niên 2010: Bùng nổ Smartphone – Kẻ phá vỡ lớn nhất của CMOS
Nếu những năm 2000 đã đưa CMOS trở thành công nghệ phổ biến, thì những năm 2010 đã biến nó thành công nghệ gia đình—nhờ vào smartphone. Khi Apple phát hành iPhone vào năm 2007, nó đã bao gồm một cảm biến CMOS 2 megapixel, nhưng những chiếc camera smartphone đầu tiên được coi là “đủ tốt” cho những bức ảnh bình thường, không phải là đối thủ của những chiếc máy ảnh chuyên dụng. Điều đó đã thay đổi nhanh chóng khi người tiêu dùng bắt đầu sử dụng điện thoại như những chiếc camera chính của họ.
Các nhà sản xuất smartphone cần cảm biến CMOS nhỏ gọn (để phù hợp với các thiết bị mỏng) nhưng mạnh mẽ (để chụp ảnh chất lượng cao trong điều kiện ánh sáng yếu). Nhu cầu này đã thúc đẩy ba đổi mới lớn:
a. CMOS chiếu sáng mặt sau (BSI)
Cảm biến CMOS truyền thống có dây trên mặt trước, chặn một số ánh sáng không đến được pixel. BSI CMOS đảo ngược thiết kế: dây ở phía sau, vì vậy nhiều ánh sáng hơn chiếu vào pixel. Điều này đã tăng độ nhạy sáng lên tới 40%, làm cho ảnh chụp trong điều kiện ánh sáng yếu sắc nét hơn. Sony đã giới thiệu BSI CMOS vào năm 2009, và đến năm 2012, nó đã trở thành tiêu chuẩn trong các flagship như iPhone 5.
b. CMOS xếp chồng
CMOS xếp chồng đã đưa BSI tiến thêm một bước. Thay vì đặt các mạch xử lý trên cùng một lớp với các pixel, nó đã xếp chồng lớp pixel lên trên một lớp xử lý riêng biệt. Điều này đã giải phóng không gian cho các pixel lớn hơn (có khả năng thu nhận nhiều ánh sáng hơn) và xử lý nhanh hơn (cho video 4K và chế độ chụp liên tiếp). Galaxy S5 của Samsung năm 2014 đã sử dụng CMOS xếp chồng, và ngày nay, gần như tất cả các smartphone cao cấp đều dựa vào thiết kế này.
c. Độ phân giải cao hơn và dải động
Đến cuối những năm 2010, cảm biến CMOS đạt 48 megapixel (MP) và hơn thế nữa. Mi 9 của Xiaomi năm 2019 có cảm biến Sony 48MP, và cảm biến 108MP của Samsung (được sử dụng trong Galaxy S20 Ultra) đã đẩy giới hạn chi tiết lên cao. Các cảm biến cũng cải thiện dải động - từ 8 EV (giá trị phơi sáng) trong những năm 2000 đến 14 EV+ ngày nay - cho phép máy ảnh chụp lại những buổi hoàng hôn mà không làm cháy bầu trời hoặc làm tối các đối tượng ở phía trước.
4. 2020s đến hiện tại: Cảm biến CMOS cho AI, IoT và hơn thế nữa
Hôm nay, cảm biến CMOS không còn chỉ dành cho máy ảnh—chúng đang thúc đẩy một kỷ nguyên mới của công nghệ thông minh. Dưới đây là cách chúng đang phát triển:
a. Tích hợp AI
Cảm biến CMOS hiện đại hoạt động với các chip AI để cải thiện hình ảnh theo thời gian thực. Ví dụ, Pixel 8 của Google sử dụng cảm biến CMOS 50MP kết hợp với AI để "tính toán" ảnh: nó giảm tiếng ồn, điều chỉnh màu sắc, và thậm chí sửa các bức ảnh mờ trước khi bạn nhấn nút chụp. AI cũng cho phép các tính năng như theo dõi đối tượng (cho video) và chế độ chân dung (mà làm mờ nền một cách chính xác).
b. IoT và An ninh
Cảm biến CMOS đủ nhỏ để vừa với các thiết bị IoT như chuông cửa thông minh (ví dụ: Ring) và máy theo dõi trẻ em. Chúng cũng được sử dụng trong các camera an ninh có khả năng nhìn ban đêm—nhờ vào độ nhạy hồng ngoại (IR), cảm biến CMOS có thể chụp được hình ảnh rõ nét trong bóng tối hoàn toàn. Vào năm 2023, công ty nghiên cứu thị trường Yole Développement đã báo cáo rằng các mô-đun camera IoT sẽ thúc đẩy tăng trưởng 12% doanh số bán cảm biến CMOS hàng năm vào năm 2028.
c. Cảm biến chuyên dụng cho các ứng dụng đặc thù
Cảm biến CMOS đang được điều chỉnh cho các ngành công nghiệp cụ thể:
• Ô tô: Xe tự lái sử dụng cảm biến CMOS (gọi là “cảm biến hình ảnh”) để phát hiện người đi bộ, đèn giao thông và các phương tiện khác. Những cảm biến này có tốc độ khung hình cao (lên đến 120 fps) để ghi lại các vật thể chuyển động nhanh.
• Y tế: Cảm biến CMOS miniatur hóa được sử dụng trong nội soi để nhìn bên trong cơ thể, và cảm biến độ nhạy cao hỗ trợ trong việc chụp X-quang và MRI.
• Không gian: Rover Perseverance của NASA sử dụng cảm biến CMOS để chụp ảnh sao Hỏa. Khác với CCD, CMOS có thể chịu đựng được bức xạ khắc nghiệt của không gian, khiến nó trở nên lý tưởng cho việc khám phá.
d. Công suất thấp, hiệu suất cao
Khi các thiết bị trở nên thông minh hơn, thời lượng pin vẫn là một ưu tiên. Các thiết kế CMOS mới sử dụng "chế độ tiết kiệm năng lượng" giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 30-50% khi cảm biến không hoạt động. Ví dụ, đồng hồ thông minh với cảm biến CMOS (để theo dõi nhịp tim và theo dõi sức khỏe) có thể hoạt động nhiều ngày chỉ với một lần sạc.
5. Tương lai: Điều gì đang chờ đợi CMOS trong các mô-đun camera?
Sự phát triển của cảm biến CMOS không có dấu hiệu chậm lại. Dưới đây là ba xu hướng cần chú ý:
a. CMOS màn trập toàn cầu
Hầu hết các cảm biến CMOS sử dụng "cửa trập cuộn," điều này ghi lại hình ảnh từng dòng một - điều này có thể gây ra sự biến dạng (ví dụ, các tòa nhà nghiêng trong video chuyển động nhanh). Cửa trập toàn cầu CMOS ghi lại toàn bộ hình ảnh cùng một lúc, loại bỏ sự biến dạng. Nó đã được sử dụng trong các máy ảnh chuyên nghiệp (như FX6 của Sony), nhưng nó rất đắt. Khi chi phí giảm, cửa trập toàn cầu sẽ đến với điện thoại thông minh, làm cho video hành động và nội dung VR mượt mà hơn.
b. Hình ảnh Đa phổ
Các cảm biến CMOS trong tương lai sẽ không chỉ ghi lại ánh sáng nhìn thấy—chúng sẽ phát hiện cả bức xạ hồng ngoại, cực tím (UV) và thậm chí cả bức xạ nhiệt. Điều này có thể cho phép điện thoại thông minh đo nhiệt độ (cho việc nấu ăn hoặc kiểm tra sức khỏe) hoặc nhìn xuyên qua sương mù (cho việc lái xe). Samsung và Sony đã bắt đầu thử nghiệm CMOS đa phổ, với các thiết bị thương mại dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2026.
c. Cảm biến nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn
Định luật Moore (dự đoán các chip nhỏ hơn, nhanh hơn) cũng áp dụng cho CMOS. Các nhà nghiên cứu đang phát triển cảm biến CMOS “nanopixel”, trong đó các pixel chỉ rộng 0,5 micromet (μm) (các pixel hiện tại là 1-2 μm). Những cảm biến nhỏ bé này sẽ phù hợp với các thiết bị như kính thông minh và kính áp tròng, mở ra những khả năng mới cho AR/VR và giám sát sức khỏe.
Kết luận
Từ một lựa chọn ồn ào, bị bỏ qua so với CCD đến động cơ của hình ảnh hiện đại, cảm biến CMOS đã trải qua một chặng đường dài. Sự phát triển của chúng được thúc đẩy bởi nhu cầu của người tiêu dùng—cho các thiết bị nhỏ hơn, hình ảnh tốt hơn và công nghệ thông minh hơn—và nó gắn liền với sự gia tăng của smartphone, AI và IoT.
Hôm nay, mỗi khi bạn chụp ảnh bằng điện thoại, quét mã QR, hoặc kiểm tra camera an ninh, bạn đang sử dụng cảm biến CMOS. Và khi công nghệ tiến bộ, những con chip nhỏ bé này sẽ tiếp tục đẩy giới hạn của những gì có thể - cho dù đó là chụp ảnh selfie của rover trên sao Hỏa, cung cấp năng lượng cho xe tự lái, hay cho phép chúng ta nhìn thấy thế giới theo những cách mà chúng ta chưa bao giờ tưởng tượng.
Đối với các doanh nghiệp xây dựng mô-đun camera hoặc công nghệ tiêu dùng, việc đi trước các xu hướng CMOS là rất quan trọng. Khi các cảm biến trở nên thông minh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn, chúng sẽ tiếp tục định hình cách chúng ta tương tác với thế giới kỹ thuật số—một pixel tại một thời điểm.
Liên hệ
Để lại thông tin của bạn và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn.
WhatsApp
WeChat