Trong máy ảnh kỹ thuật số, người dùng đã quá quen thuộc với các cảm biến như CCD, CMOS, tuy nhiên, Canon đã phát triển cảm biến của riêng mình với tên gọi SPAD với nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác biệt. Vậy cảm biến SPAD là gì?
Cảm biến SPAD là gì?
SPAD (Single Photon Avalanche Diode) là loại cảm biến mới do Canon nghiên cứu và phát triển với nguyên lý hoạt động khác với CMOS. Điểm giống nhau chỉ là thu nhận hạt ánh sáng. Trên CMOS, mỗi pixel đo lượng sáng thu nhận với một thời gian nhất định, còn SPAD đo từng hạt ánh sáng (điện tích photon) đi vào pixel. Canon giải thích SPAD bằng một câu ngắn là “đo giá trị của ánh sáng – không phải đo lượng sáng”.
Cảm biến SPAD hoạt động như thế nào?
Cảm biến CMOS đọc ánh sáng dưới dạng tín hiệu điện bằng cách đo khối lượng ánh sáng tích tụ thu nhận của một pixel trong khung thời gian nhất định, điều này tạo ra hiện tượng dễ nhiễu thông tin (hạt sáng – photon) nhận được. Cảm biến SPAD đếm hạt photo riêng biệt, khó bị nhiễu điện từ, giúp thu nhận hình ảnh rõ ràng hơn kể cả ban đêm.
Canon đã thành công với cảm biến SPAD 1MP
Trong thực tế đến lúc này, rất khó tạo một cảm biến SPAD có số điểm ảnh cao. Vị trí phát hiện ánh sáng dưới dạng tín hiệu điện tích rất nhỏ. Phân nhỏ pixel sẽ thu hẹp kích thước cảm biến, sẽ ít ánh sáng được thu nhận, đây đang là vấn đề. Trên SPAD, vẫn phải có khoảng trống giữa các pixel, tỷ lệ khẩu độ tương ứng tỷ lệ ánh sáng đi vào mỗi pixel, thu hẹp lại với kích thước pixel, gây ra việc việc phát hiện tín hiệu điện tích thêm khó khăn. Canon đã có nghiên cứu thiết kế thu được 100% ánh sáng mà không bị rò rỉ, với kết quả cảm biến SPAD 1MP.
Ưu điểm của cảm biến SPAD
Cảm biến SPAD do Canon phát triển có độ phân giải thời gian chính xác tới 100 picoseconds (1 picosecond = 1 phần nghìn tỷ giây), cho phép việc xử lý thông tin cực nhanh. Điều này giúp chụp một cảnh vật chuyển động cực nhanh, chẳng hạn như các hạt ánh sáng. Cảm biến cũng có thể sử dụng tính năng “phản hồi tốc độ cao” này để thực hiện các phép đo khoảng cách có độ chính xác cao, cả đo khoảng cách ba chiều. Hiện tại Canon sử dụng tốc độ phát hiện ánh sáng nanosecond hoặc ít hơn (1 nano giây = 1 phần tỷ giây), điều mà cảm biến hình ảnh trước nay không thể, biến các phép đo ToF (Time-of-flight) trở thành hiện thực.
Ứng dụng cảm biến SPAD
Quay Slow-motion với 24.000 khung hình/ giây
Màn trập mà Canon nói sẽ sử dụng cho cảm biến SPAD là màn trập global sẽ quay được video chuyển động nhanh mà không bị hiện tượng biến dạng. Khác với phương pháp màn trập cuộn lộ sáng bằng cách kích hoạt lần lượt từng hàng điểm ảnh trên cảm biến. SPAD lộ sáng toàn bề mặt cảm biến cùng một lúc, nên thời gian cần để phơi sáng giảm xuống còn 3.8 nanoseconds nhưng lại đạt được khung hình tốc độ cực cao, lên đến 24.000 khung / giây (fps). Từ điều này, việc quay video slow-motion diễn ra trong thời gian cực ngắn mà trước giờ không làm được.
Ứng dụng AR, VR và xe không người lái
Với phương pháp đo khoảng cách với ToF nói bên trên, cảm biến SPAD cho phép chụp ảnh với tốc độ cực cao ở độ phân giải hiện tại làm được là 1MP. Điều này tạo điều kiện để thực hiện phép đo khoảng cách ba chiều chính xác và nhanh, ngay cả trong tình huống phức tạp là các đối tượng chồng chéo nhau.
AR và bao gồm việc chồng các hình ảnh ảo lên trên hình ảnh thực, có thể sử dụng cảm biến SPAD để nhanh chóng ghi nhận thông tin không gian ba chiều chính xác, căn chỉnh đúng vị trí trong thời gian thực. Người ta cũng nghĩ đến ứng dụng SPAD trong thiết kế phương tiện không người lái, qua phương pháp đo khoảng cách giữa phương tiện vận chuyển với người và vật xung quanh nó.
Biến ước mơ thành hiện thực
Việc Canon thành công với cảm biến SPAD 1MP đồng nghĩa với việc các máy ảnh 3D nhận diện dữ liệu về độ sâu cũng có thể thực hiện được với độ phân giải 1MP. Một ứng dụng rất được mong đợi với khả năng này đó là ứng dụng vào “con mắt” của robot và các thiết bị mà xã hội đang hướng đến. Trước đây, người ta cho rằng độ phân giải 1MP trên máy ảnh 3D là bất khả thi, thì nay rất khả thi rồi. Từ đây, với phát triển này của Canon, có nhiều dịch vụ và sản phẩm chưa ai nghĩ đến, rất có thể sẽ thành hiện thực trong tương lai.
Nguồn: Tinhte