So sánh màu ccd và cmos

Mấy ngày nghỉ vì đau mắt, mình có nhiều thời gian suy nghĩ về đủ mọi thứ chuyện. Dạo trên một vài diễn đàn dành cho dân nghiệp dư của tây, thấy các bạn tranh luận khá sôi nổi về việc: chọn cảm biến thu hình là CCD hay CMOS thì phù hợp với nhiếp ảnh thiên văn? Về bản chất, nhiếp ảnh thiên văn có những đặc thù riêng, nên những ưu nhược điểm của CCD và CMOS được đề cập trong nhiếp ảnh thông thường (trang bị trên các camera bỏ túi, cameraphone và DSLR) chỉ mang tính chất tham khảo. Bản thân mình cũng sở hữu 4-5 chiếc đầu thu, lẫn lộn cả CCD và CMOS nên cũng khá lúng túng.

CCD và CMOS, đâu là thứ công nghệ cho nhiếp ảnh thiên văn hiện tại và cả trong tương lai?

Trở về nhiều năm về trước, CCD có lẽ là công nghệ thống trị toàn bộ mọi thể loại nhiếp ảnh. Kodak là hãng lớn nhất sản xuất những cảm biến thông dụng thuộc hàng hi-end cho thế giới ảnh thiên văn. Thông thường, họ bán sensor cho các hãng khác gia công phần mạch điện, hệ thống làm lạnh, vỏ hay phần mềm tương tác với người dùng. Có thể kể đến những “siêu phẩm” với giá cả một gia tài trong giai đoạn 2000-2005 như seri SBIG ST7/8/9/10. Thậm chí đến thời điểm hiện tại, các CCD đắt cắt cổ vẫn được các hãng làm máy thu ảnh thiên văn ưu ái. Những sensor monochrome với thông số khủng như KAF-16803, KAF-16200 là niềm mơ ước của rất nhiều người khi mà mức giá tối thiểu để sở hữu lên tới 5.000-10.000 USD. Sony cũng sản xuất một vài cảm biến monochrome nhưng có kích thước nhỏ và giá thành hạ, nhưng vẫn khá cao so với mức sống ở những quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Vậy những ưu thế của CCD so với CMOS là gì?

Càng nhiều ADC bit thì dải màu càng được thể hiện mịn màng và không có khoảng gấp.

– ADC là một bộ phận nằm trong sensor cho phép chuyển các tín hiệu quang học (tín hiệu tuần tự) thành tín hiệu số. Ở đây, các tín hiệu số đơn giản nhất là 0 và 1, trong đó 0 biểu thị cho việc ko có ánh sáng đi vào cảm biến, còn 1 biểu thị cho việc có ánh sáng đi vào. Nếu muốn biểu thị cường độ ánh sáng đi vào theo nhiều nấc, cần có nhiều trạng thái hơn, hay ADC cần tốt hơn. Các CCD thông thường có khả năng thể hiện được 16 bit tương đương với 65.536 trạng thái cường độ tín hiệu ánh sáng đi vào từng điểm ảnh. Con số này là rất lớn nếu so với CMOS chỉ thể hiện được thông dụng là 14 bit (16.384 trạng thái, tức là nhỏ hơn 4 lần). Thậm chí những CMOS trang bị trên thiết bị chụp ảnh thiên văn giá rẻ như QHY163M hay ASI1600MM chỉ thể hiện được 12 bit mà thôi. Cảm biến càng thể hiện được nhiều trạng thái thì chất lượng ảnh thu được càng tốt, thể hiện ở dải màu nhạy hơn, uyển chuyển hơn.

– CCD không có quá nhiều mạch điện và các linh kiện bổ sung nằm trong pixel. Vì thế, vùng thu sáng hiệu dụng của CCD thông thường sẽ lớn hơn so với CMOS dù cùng một pixel size. Các công nghệ hiện đại như Exmor của Sony hay Back-illuminated sensor (BSI) cho phép giấu phần mạch điện và linh kiện xuống dưới vùng thu sáng, giúp mở rộng diện tích thu sáng hiệu dụng – tuy nhiên giá thành cho đến thời điểm này vẫn còn cao và chưa được ứng dụng nhiều vào nhiếp ảnh thiên văn. Khi thu được nhiều sáng hơn, SRN sẽ được cải thiện, và đương nhiên ảnh sẽ đỡ nhiễu hơn.

Nhiễu mẫu cố định và amp glow xuất hiện rất khó chịu trên ảnh phơi 10 phút bởi CMOS QHY163M.

– Về mặt hình ảnh, CCD cho nhiễu mẫu cố định (Fixed-pattern noise) đơn giản và dễ khử bằng phần mềm hơn CMOS. Khi phơi trong thời gian dài, CCD cũng cho ít amp glow hơm CMOS. Do đó, về mặt lý thuyết thì việc calibration ảnh cho CCD đơn giản và nhanh hơn.

Nhược điểm của CCD cũng có tương đối nhiều:

– Tốc độ đọc dữ liệu từ CCD rất chậm (thường hơn 1 giây mỗi frames), độ phân giải càng lớn thì càng chậm do phải đọc tuần tự.

– CCD khi phơi lâu nóng hơn nhiều so với CMOS nên cần hệ thống làm lạnh cho CCD cần công suất cao hơn và kich thuớc lớn hơn. Điều này dẫn đến việc CCD tốn khá nhiều điện khi chạy, trong khi những chip CMOS đơn giản như QHY163M có thể sử dụng điện từ powertank chạy vài giờ đồng hồ với công suất làm lạnh đặt ở mức trung bình.

– Khó chế tạo, đắt đỏ, cần mạch điện phụ trợ phức tạp hơn CMOS nên góp phần đẩy giá thành lên cao. Hiện tại CCD hầu như được ứng dụng trên những thiết bị chụp có giá thành cao của các hãng SBIG, FLI và Atik.

Khắc phục được những nhược điểm cố hữu của CCD, dường như công nghệ CMOS là hướng đi mới cho nhiếp ảnh thiên văn trong tương lai. Trước năm 2016, việc sử dụng CMOS sensor chỉ giới hạn trong các guide camera với kích thước rất hạn chế. Tuy nhiên, vài hãng nhỏ của người Trung Quốc (vâng, lại là người Trung Quốc) đã ra mắt dồn dập những thiết bị giá rẻ sử dụng chip CMOS với các thông số không thua kém gì CCD. Đến bây giờ, trên hầu hết các diễn đàn nhiếp ảnh thiên văn của tây vẫn không khỏi xôn xao về những thiết bị như ASI1600MM-C hay QHY163M, cho thấy tây cũng ít tiền chứ không riêng gì người Việt Nam. Tất nhiên, chỉ người dùng được lợi. Lần đầu tiên, một máy thu có trang bị cảm biến monochrome lớn hơn 1 inch, có cooler mà chỉ hơn 1200$. Nếu là color thì còn rẻ hơn. Nhìn sang những “ông lớn” như SBIG, tìm mỏi mắt may ra kiếm được chiếc STF-8300M với giá lên tới 2000$ và theo đánh giá của nhiều người dùng, ảnh xuất ra tệ hơn nhiều mấy đồng chí tàu khựa giá rẻ.

So sánh ảnh chụp bởi ASI1600MM dùng chip CMOS đỡ nhiễu hơn nhiều mặc dù có độ phân giải cao hơn hẳn CCD Kodak KAF-8300.

Vậy ưu điểm của CMOS là gì?

CMOS rất thích hợp để ghi hình hành tinh (quay clip với thời gian phơi ngắn). Ảnh chụp từ ASI1600-MC.

– Tốc độ đọc cực nhanh, lên tới hơn 22fps với sensor 16 Megapixel trên ASI1600MM/QHY163M. Do có mạch điện và các thiết bị phụ trợ trong mỗi pixel nên cảm biến CMOS có thể đọc bất kỳ một vùng nhỏ nào trên sensor mà tốc độ đọc có thể lên tới hàng trăm frame mỗi giây, rất phù hợp để ghi hình hành tinh.

– CMOS tốn cực kỳ ít điện năng và ít nóng khi phơi lâu, do đó các thiết bị sử dụng chip CMOS chỉ cần một bộ làm lạnh đơn giản nên có thể thu gọn được khối lượng và kích thước.

Chất lượng ảnh và giá cả là những ưu điểm chính của CMOS.

– Với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là việc tích hợp microlensing và phát minh ra cảm biến BSI, chất lượng hình ảnh của CMOS đã tiệm cận CCD thậm chí còn vượt ở một mức độ nào đó. Readout noise thấp hơn khá nhiều so với CCD, thường dưới 3e là một con số lý tưởng cho nhiếp ảnh thiên văn. Một số sensor CMOS cao cấp như GSENSE, GMAX với Q.E siêu cao thậm chí đã được áp dụng trong các máy chụp y tế và nghiên cứu thiên văn học.

– Dễ chế tạo và giá thành rẻ tương xứng với chất lượng (p/p tốt).

Nhược điểm lớn nhất của công nghệ CMOS đó là chưa phổ biến, vẫn còn nhiều hoài nghi trong giới chơi ảnh thiên văn vốn chậm thay đổi. Hiện giờ có khá hiếm các cảm biến monochrome cỡ lớn chuyên cho nhiếp ảnh thiên văn. Một số hãng như QHY đang tìm cách loại bỏ lớp lọc màu – bayer matrix trên mặt những cảm biến color 35mm để biến chúng thành những sensor monochrome. Sony cũng hứa hẹn sẽ sản xuất 1 cảm biến monochrome APS-C, hi vọng các hãng sẽ kịp đưa ra thi trường trong năm 2018 với mức giá hấp dẫn.