Trong nhiều năm, tiến bộ về cảm biến máy ảnh chủ yếu được nhắc đến qua tốc độ đọc nhanh hơn, phục vụ chụp liên tiếp và video. Điều này khiến không ít nhiếp ảnh gia cho rằng công nghệ cảm biến đang chững lại về chất lượng ảnh. Dữ liệu đo dynamic range gần đây từ Sony a7 V và Panasonic S1II cho thấy một hướng tiếp cận khác đang dần hình thành, xoay quanh khái niệm partially stacked sensor.
Partially stacked sensor là gì và vì sao xuất hiện
Partially stacked (tạm dịch: cảm biến xếp chồng một phần) là dạng cảm biến CMOS mà phần bề mặt thu sáng vẫn sử dụng cấu trúc BSI truyền thống, trong khi hệ thống mạch đọc dữ liệu được mở rộng và làm phức tạp hơn ở viền cảm biến. Cảm biến không được xếp chồng hoàn toàn thành các lớp riêng biệt như stacked sensor đúng nghĩa, mà chỉ bổ sung thêm các khối mạch phục vụ việc đọc và xử lý tín hiệu.
Cách tiếp cận này nằm giữa hai hướng thiết kế quen thuộc. So với BSI truyền thống, partially stacked mang lại thêm khả năng xử lý dữ liệu. So với stacked sensor hoàn chỉnh, nó tránh được chi phí và độ phức tạp cao của cấu trúc xếp chồng toàn phần, trong khi vẫn mở ra những cải tiến đáng kể về hiệu năng.
Cấu trúc đọc dữ liệu và khác biệt so với BSI, stacked
Với cảm biến BSI thông thường, cơ chế dual conversion gain chỉ cho phép sử dụng một mức gain tại mỗi lần phơi sáng, ưu tiên dung lượng tín hiệu ở ISO thấp hoặc nhiễu thấp ở ISO cao. Stacked sensor tập trung vào tốc độ đọc và hiệu quả e-shutter, nhưng không phải lúc nào cũng mang lại lợi thế về dynamic range.
Partially stacked cho phép hệ thống mạch đọc linh hoạt hơn trong cách xử lý tín hiệu. Nhờ đó, cảm biến có thể tận dụng ưu điểm của nhiều mức gain trong cùng một lần phơi sáng, thay vì phải lựa chọn như trước. Đây là điểm khác biệt quan trọng so với cảm biến BSI thuần túy.
Dynamic range thay đổi ra sao trong thực tế
Dữ liệu dynamic range của Sony a7 V cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa các chế độ chụp. Ở e-shutter, đường cong dynamic range thể hiện đặc tính quen thuộc của cảm biến dual gain. Khi chuyển sang mechanical shutter, dynamic range ở ISO thấp được cải thiện đáng kể, mở rộng lợi thế vùng tối vốn chỉ xuất hiện ở ISO cao.
Panasonic S1II cũng cho thấy mô hình tương tự. Trong khi đó, Nikon Z6III, dù sử dụng cảm biến có cấu trúc gần giống, lại thể hiện hành vi đọc đơn giản hơn, cho thấy không chỉ phần cứng cảm biến mà cách nhà sản xuất triển khai mạch đọc và xử lý dữ liệu cũng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả cuối cùng.
Mechanical shutter, e-shutter và giới hạn công nghệ
Việc dynamic range được cải thiện chủ yếu ở mechanical shutter cho thấy đây không phải lợi thế xuất hiện trong mọi tình huống. Khi sử dụng e-shutter, cảm biến thường quay về cách đọc đơn giản hơn, ưu tiên tốc độ. Điều này phản ánh giới hạn hiện tại của công nghệ, khi quá trình đọc và xử lý dữ liệu phức tạp cần thêm thời gian.
Mức dynamic range tăng thêm không đồng nghĩa chất lượng ảnh được cải thiện toàn diện. Lợi ích chủ yếu tập trung ở vùng tối, giúp tăng khả năng chỉnh sửa hậu kỳ trong các cảnh có độ tương phản cao như bình minh hay hoàng hôn, thay vì cải thiện toàn bộ dải tông màu.
Partially stacked sensor vì thế không thay thế hoàn toàn stacked sensor, nhưng cho thấy công nghệ cảm biến vẫn còn khả năng cải thiện chất lượng ảnh, thay vì chỉ tập trung vào tốc độ. Đây là một hướng đi trung gian đáng chú ý, nhiều khả năng sẽ tiếp tục được các hãng khai thác trong những thế hệ máy ảnh tiếp theo.
