Cảm biến 48MP đầu tiên trên di động được ra đời như thế nào?

Sony dẫn đầu thị trường cảm biến, bán cho nhiều công ty như Apple, Samsung, Huawei, Xiaomi, BBK,… (ảnh minh họa: Peta Pixel)

Vào tháng Bảy năm 2018, Sony công bố cảm biến IMX586 có kích thước điểm ảnh 0.8 micron đầu tiên trên thế giới, độ phân giải 48MP cao nhất đối với loại dành cho smartphone lúc bấy giờ. Cảm biến này sau đó được các hãng Trung Quốc đưa lên sản phẩm của mình kể từ cuối năm ngoái. Hiện tại, Sony là hãng có thị phần cảm biến CMOS lớn nhất thế giới với trên 50%, doanh thu dẫn đầu ngành bán dẫn năm 2018 loại linh kiện O-S-D. Danh sách khách hàng của hãng trải dài gồm Apple, Samsung, Xiaomi, Vivo, Oppo, OnePlus, Huawei, Meizu,…

Vậy họ đã làm điều đó như thế nào? Cảm biến IMX586 48MP phải vượt qua những thách thức gì trong quá trình tạo ra? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong bài viết này.

Đầu tiên là thiết kế điểm ảnh, thành phần chính của cảm biến. Sony đã thu nhỏ cỡ điểm ảnh xuống còn 0.8 micron, nhỏ nhất hiện nay về thách thức kỹ thuật và tại thời điểm ấy, họ là người tiên phong. Câu hỏi ở đây, liệu xu hướng thu nhỏ mà Sony đã khơi mào có tiếp tục? Gần đây Samsung đã tung ra cảm biến ISOCELL Bright GW1 có độ phân giải 64MP, cỡ điểm ảnh 0.8 micron, và đại diện hãng còn hé lộ rằng trong tương lai, kỹ thuật tiến bộ hơn sẽ cho phép họ thu nhỏ xuống 0.7 micron.

Ảnh minh họa điểm ảnh trên cảm biến (ảnh: gmpphoto)

Về phía Sony, kỹ sư Masahiko Nakamizo nói rằng điểm ảnh giống như cánh cửa giữa hai thế giới, ánh sáng chứa tín hiệu analog, điện tử gồm tín hiệu digital. Hình ảnh thu được là kết quả của quá trình chuyển đổi từ tín hiệu analog sang digital, hình ảnh không sử dụng được thường do bị nhiễu (noise) quá đáng. Muốn khử nhiễu, cần phải bắt đầu ngay từ bước ánh sáng đi qua cánh cửa, tức các điểm ảnh. Nếu cánh cửa không vận hành đúng khiến ánh sáng bị mất mát, việc tạo thành một hình ảnh chính xác là không thể.

Với IMX586, họ cố đặt nhiều điểm ảnh hơn vào cùng một kích thước. Ví dụ 10MP với 25MP, nếu hai cảm biến này cùng cỡ 1 inch, thì kích thước điểm ảnh của cảm biến 10MP sẽ lớn hơn 25MP, do bạn phải thu nhỏ chúng lại mới có chỗ đặt thêm điểm ảnh khác vào, hòng tăng lượng điểm ảnh. Điểm ảnh càng nhiều, độ phân giải của ảnh chụp càng cao. Và vì thế, khi giới hạn diện tích smartphone đã tới mức không còn chỗ cho cảm biến lớn, các hãng bắt đầu nỗ lực thu nhỏ điểm ảnh xuống để có thể tăng số Megapixel trong một kích thước cảm biến không quá lớn.

Bằng cách thu nhỏ xuống 0.8 micron, Sony đã nhét đủ 48 triệu điểm ảnh vào một cảm biến lớn 1/2 inch, vẫn thuộc cỡ compact đủ để đặt vào smartphone.

Cảm biến IMX586 với đường chéo 8mm

Trước khi đạt đến cỡ 0.8 micron, Sony đã từng chạm đến các giới hạn như 0.9 hay 1.0 micron, và giảm mỗi 0.1 micron thôi cũng là cả một thách thức khó khăn. Họ phải phát triển trong nội bộ từ trước, trước cả khi khách hàng gửi yêu cầu thông số cảm biến đến. Tuy nhiên, Nakamizo cảnh báo rằng rồi sẽ đến lúc họ chạm đến giới hạn cho việc thu nhỏ điểm ảnh, và việc thu nhỏ này cũng phải chịu những đánh đổi nhất định. Hiện tại, 0.8 micron đang là một bước ngoặt với camera smartphone, rất nhiều hãng đã sử dụng IMX586 cho sản phẩm của mình.

Nói về lợi ích và thiệt hại khi cố thu nhỏ cỡ điểm ảnh xuống thấp hơn, Nakamizo thẳng thắn chia sẻ rằng đó là độ nhạy sáng của điểm ảnh sẽ giảm theo. Tuy nhiên, họ đã thử tìm một hướng đi khác để giữ cho chất lượng ảnh tốt hơn về tổng thể.

Cứ mỗi lần thu nhỏ điểm ảnh, họ lại tạo ra một nguyên mẫu và thử đánh giá nó. Trong lần phát triển IMX586, họ đã dành nhiều thời gian hơn để thảo luận với các nhóm phát triển khác, phụ trách xử lý tín hiệu, mạch analog, mạch digital,… nhằm dự liệu trước một số vấn đề đáng ngại, từ đó điều tra bất kỳ biện pháp đối phó nào khả thi.

Masahiko Nakamizo làm việc tại Mobile & Sensing Systems Division, Sony Semiconductor Solutions

Đặc biệt, cấu hình phần cứng xử lý tín hiệu được quyết định ngay từ bước đầu của việc thiết kế cảm biến, một khi mạch tín hiệu được thiết lập, nó sẽ không thể thay đổi. Điều này có nghĩa ở giai đoạn sau của việc phát triển, nếu có vấn đề không hay phát sinh thì họ phải dừng lại và chờ đến khi có thiết kế mạch mới. Lần này, trong khi phát triển IMX586 toàn đội đã liên tục thảo luận đề tìm ra vấn đề và biện pháp kịp thời, do vậy có thể giải quyết vấn đề một cách căn bản kịp thời. Kết quả đạt được là thành tựu mới mà trước kia không thể có, nếu chỉ xoay quanh thiết kế điểm ảnh mà không trao đổi với những người khác.

Như vậy chúng ta có thể hiểu thêm rằng, để có thể phát triển thành công con chip nhỏ bé chứa 48 triệu điểm ảnh, ngoài nhà thiết kiế điểm ảnh (pixel designer), còn cần đến những người thiết kế nên mạch analog, mạch digital,… Rất nhiều vấn đề phức tạp phải giải quyết!

Vậy thế mạnh của cảm biến Sony là gì?

Con chip đang trong giai đoạn phát triển được mang ra đánh giá hiệu suất hoạt động

Như đã nói ở trên, điểm ảnh tương đương với những ô cửa sổ, hay cánh cửa, dẫn dắt ánh sáng mang theo tín hiệu analog đi vào không gian mới, nơi mọi thứ được chuyển thành tín hiệu digital và đưa vào phân tích, xử lý, “chế biến” thành một tấm ảnh. Mọi chuyện bắt đầu ngay từ khi những tia sáng đầu tiên đi qua ngưỡng cửa đó, phải giảm nhiễu, “gạn đục khơi trong” để ánh sáng thu được sạch nhất có thể. Và theo quan điểm cá nhân của Nakamizo, Sony là đơn vị đi đầu ở công việc này, nhà tiên phong trong việc thu nhỏ điểm ảnh, xây dựng cấu trúc mới của điểm ảnh.

Một lợi thế của Sony so với các hãng cảm biến khác là ở quy mô, họ là một tập đoàn khổng lồ, xung quanh Nakamizo còn rất nhiều các đồng nghiệp khác. Đó là những người lo việc viết thuật toán xử lý tín hiệu, là những người làm công việc thiết kế và phát triển sản phẩm sử dụng cảm biến đó. Chính lợi thế về nội bộ tập đoàn này cho nhóm thiết kế điểm ảnh đạt được thành tựu lớn, tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả hoặc giải quyết vấn đề đơn giản hơn,… Khi họ muốn thử một cái gì mới, muốn tìm hiểu về một chức năng nào đó, luôn có những người khác trong Sony để tham khảo ý kiến.

Và sau khi sản phẩm tương đối hoàn thiện, họ có thể liên hệ với các nhóm phát triển sản phẩm, cùng nhau thử nghiệm và đánh giá. Cứ thế lặp đi lặp lại và khiến cho việc phát triển sản phẩm mau chóng hơn.

Thuật toán xác định đối tượng trong ảnh (ảnh minh họa: Amazon)

Sau phần thiết kế điểm ảnh, chúng ta sẽ đi đến thuật toán xử lý ảnh. Kazuhide Fujita là kỹ sư phụ trách công việc này. Thuật toán xử lý ảnh là quá trình xây dựng lại hình ảnh cuối cùng, tập hợp các dữ liệu và cố gắng tạo ra một tấm ảnh trong, sát với dữ liệu đầu vào (ánh sáng môi trường). Thuật toán sẽ giúp khai thác cảm biến một cách hiệu quả.

Đối với IMX586, thuật toán đóng một vai trò cực lớn trong việc tạo ảnh HDR, xử lý chuyển đổi tín hiệu đầu ra của Quad Bayer Color Filter giúp tăng cường cả độ nhạy sáng lẫn độ phân giải, lấy nét theo pha dựa trên xác định sai lệch về pha.

Quan trọng nhất có lẽ là thuật toán chuyển đổi bộ lọc màu Quad Bayer. Fujita cho biết khi chụp thiếu sáng, bốn điểm ảnh liền kề nhau với cùng một bộ lọc màu sẽ được gom thành một. Điều này tăng cỡ điểm ảnh lên 1,6 micron, cho độ phân giải khả dụng là 12MP. Như vậy ảnh chụp ra sẽ ít bị nhiễu hơn. Trái lại, khi đủ sáng thì thuật toán lại chuyển ngược về 48MP khả dụng theo thời gian thực, các điểm ảnh lại về như cũ với cỡ 0.8 micron. Điều này giúp chụp có độ phân giải cao hơn.

Mô tả về Quad Bayer trên IMX586

Khi cố thu nhỏ điểm ảnh, sẽ khiến nhiễu nhiều hơn và hệ quả ảnh bị nát, thậm chí hỏng luôn. Lúc này, thuật toán được kỳ vọng sẽ bù đắp cho việc suy giảm độ nhạy sáng.

Với không gian nhỏ hẹp của smartphone, thật khó để có đủ môi trường cho các kỹ sư làm hết khả năng. Tuy nhiên Fujita tin rằng, với chuyên môn về thuật toán, tương lai có thể nâng cao trải nghiệm của người dùng điện thoại lên ngang hàng với các máy ảnh hoán đổi ống kính. Hiện tại, họ vẫn đang làm việc để thu nhỏ điểm ảnh hơn, cũng như khám phá các chức năng giá trị khác. Đặc biệt, đó là loại cảm biến có thể đo lường chiều sâu môi trường, tạo hình 3D của đối tượng.

Kazuhide Fujita, kỹ sư tại Mobile & Sensing Systems Division, Sony Semiconductor Solutions

Thứ ba, đó là công việc sản xuất. Tomoyuki Watanabe sẽ là người chia sẻ về Sony Semiconductor Manufacturing, công ty chịu trách nhiệm vận hành dây chuyền sản xuất hàng loạt các mẫu cảm biến đã sẵn sàng. Anh cho biết, có hai vai trò chính của họ. Hoặc là dẫn dắt việc phát triển, hoặc là làm việc cùng Device Development Department để tạo ra sản phẩm chung.

Nhiệm vụ chính của Sony Semiconductor Manufacturing là phát triển quy trình sản xuất, kiểm thử nguyên mẫu, cải thiện các đặc tính và chất lượng, và cuối cùng là đưa vào sản xuất hàng loạt. Sony Semiconductor Manufacturing có nhiều cơ sở, nhưng ở đây chúng ta sẽ nói đến Oita Technology Centern, nơi Watanabe làm việc trước. Gia nhập Sony kể từ sau thương vụ với Toshiba, Trung tâm Công nghệ Oita nằm tại thành phố Oita thuộc tỉnh Oita của Nhật, diện tích sàn 55,000 m2, là một trong những nơi hãng sản xuất các cảm biến CMOS cho thiết bị di động.

Watanabe được chuyển từ Trung tâm Công nghệ Nagasaki vào đây và tham gia phát triển cảm biến hình ảnh IMX586, với nhiệm vụ khó khăn là đạt được điểm ảnh 0.8 micron đầu tiên trong ngành công nghiệp. Anh đã chia sẻ cho toàn đội kiến thức của mình về quá trình sản xuất, những điểm mấu chốt và bí quyết để phát triển.

Cơ sở Oita được Sony mua lại từ Toshiba năm 2016

Kể về IMX586, anh hé lộ rằng những phát triển cơ bản đầu tiên vốn diễn ra ở cơ sở Nagasaki. Về sau, để việc phát triển phù hợp hơn với bối cảnh bấy giờ, họ quyết định chuyển dự án về trung tâm ở Oita. Lúc đó những người ở Oita đã rất ngạc nhiên vì không tin rằng mình là nơi được chọn để phát triển tiếp và hoàn thành cảm biến. Thách thức tạo ra điểm ảnh cỡ 0.8 micron đầu tiên trong ngành công nghiệp là không hề đơn giản, và họ cho rằng mình không đủ kinh nghiệm so với đội ở Nagasaki.

Hơn nữa, Oita được Sony mua lại từ Toshiba, nên văn hóa và môi trường rất khác so với các cơ sở kia của Sony thành lập. Lịch trình phát triển IMX586 cực kỳ eo hẹp, do vậy Watanabe phải cố gắng dung hòa công việc tất cả mọi người sao cho kịp với deadline đặt ra.

Anh chia sẻ thêm rằng kể từ khi gia nhập Sony, anh chứng kiến quá trình công nghệ phát triển nhanh chóng. Khi vào làm năm 2003, điểm ảnh lúc đó là 2 micron, điện thoại gần như không phục vụ cho nhu cầu chụp ảnh. Nhưng sau hơn 15 năm, người ta đã đi đến điểm ảnh 0.8 micron, điện thoại đã có camera ngang với các máy ảnh compact chỉ chụp hay camcorder.

Điện thoại giờ đã có camera rất khủng so với 10 năm trước, trong ảnh là Xperia XZ2 Premium, chiếc Xperia duy nhất có ISP độc quyền AUBE

Đặc biệt, Watanabe nhớ lại một công nghệ đột phá của Sony là BIS (back-illuminated sensor). Thông thường họ xếp phần mạch lên trên lớp thu nhận ánh sáng. Tuy nhiên cảm biến mới BIS lại đặt lớp tiếp nhận lên trên mạch, giúp tăng độ nhạy sáng kể cả khi điểm ảnh nhỏ đi nhiều.

Một thách thức cực lớn để sản xuất hàng loạt IMX586 đó là quy trình quang khắc. Đây là quy trình bán dẫn dùng bức xạ ánh sáng khắc lên bề mặt phiến silicon (tấm bán dẫn hình tròn, tên là “wafer”) theo mẫu, để tách nơi cần xử lý và nơi không cần, phân chia khu vực đặt chất bán dẫn và khu vực không. Điểm ảnh càng nhỏ, càng phải chiếu chính xác, bức xạ càng phải lớn để khắc lên bề mặt silicon, sau đó bơm vật liệu vào điểm sẽ hình thành cảm quang (photodiode).

Cái khó ở chỗ, phải tìm cách chống lại biến động về đặc tính quang học ở các điểm khắc bởi bức xạ, vốn dễ bị thay đổi hình dạng. Họ đã phải rất nỗ lực để cải thiện hiệu quả tái sản xuất bằng cùng một trang bị và tăng mức độ đồng nhất trên bề mặt wafer. Hạn chế tối đa tỉ lệ lỗi thành phẩm.

Kỹ sư Tomoyuki Watanabe

Đội đã phải tham khảo ý kiến từ các kỹ sư tại Kanagawa và Atsugi. Quang khắc là mấu chốt để tạo thành điểm ảnh thành công, và họ muốn đảm bảo tạo hình mẫu theo đúng thiết kế điểm ảnh từ trước.

Sau đó, họ lấy nguyên mẫu và đánh giá mức độ hoàn hảo. Nhóm ở Atsugi và Oita đều tham gia đánh giá, kiểm tra kỹ đặc tính của sản phẩm. Họ liên tục điều chỉnh và cải thiện, nhằm nâng cao sản lượng đến mức có thể sản xuất hàng loạt, với tỉ lệ thành phẩm đạt yêu cầu cao. Cuối cùng, IMX586 đã chính thức có mặt trên mẫu điện thoại đầu tiên là Honor View 20, trình làng tháng Mười Hai năm 2018. Mỗi đơn vị cảm biến có giá khoảng 635,000 VND.

 

Nguồn: Sony.

Check Also

Sony giới thiệu màn hình trụ xuyên thấu hiển thị hình ảnh 3D

Tại triển lãm SIGGRAPH 2019 đang diễn ra ở Los Angeles, California, chuyên về đồ họa …

Cảm biến Sony có thể xác định loại phương tiện từ khoảng cách 500m

Nikkei đưa tin, Sony sẽ bắt đầu sản xuất hàng loạt các cảm biến dành …

Leave a Reply