Microsoft chế tạo thành công cảm biến cong với khả năng đột phá về chất lượng quang học

Mặc dù đưa ra ý tưởng về cảm biến cong trước và đã tạo được prototype nhưng có vẻ như phương pháp của Sony chưa thể áp dụng đại trà nên đã vài năm từ ngày công bố, chưa có sản phẩm nào của Sony được ứng dụng cảm biến cong. Chính vì thế, việc nhóm nghiên cứu của Microsoft công bố họ đã chế tạo thành công cảm biến cong với phương pháp có thể ứng dụng trong công nghiệp là một bước tiến lớn để đưa lý thuyết tiến gần tới thực tế. Với nghiên cứu đăng trên tạp chí quang học Optics Express, nhóm Microsoft Research và HRL Laboratories LLC đã khẳng định phương pháp mới có thể làm cảm biến có bề mặt cong hơn 3 lần so với công bố trước đó và họ đã có thể sử dụng cảm biến này trong máy ảnh thử nghiệm. So với các máy ảnh SLR hàng đầu hiện nay, cảm biến mới này có thể tạo hình ảnh sắc nét hơn trên toàn bộ diện tích ảnh.

Cảm biến cong không phải là một khái niệm mới. Với bản chất ánh sáng hội tụ qua thấu kính, các tia sáng phải gặp nhau ở những vị trí chính xác trên một bề mặt phẳng (cảm biến, film) nên các nhà sản xuất phải tốn rất nhiều công để chữa các lỗi quang học như cầu sai, sắc sai, méo hình, tăng độ nét ở góc hình... Với độ cong như cầu mắt người, ánh sáng có thể được ghi nhận một cách tự nhiên và hạn chế tối thiểu các lỗi quang học. Không những thế, cảm biến cong còn giúp ánh sáng được phân bố đồng đều trên mọi khu vực thu nhận hình ảnh và tái tạo hình ảnh tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng.

Theo lời Richard Stoakley, một thành viên của nhóm nghiên cứu: " Mặc dù lợi ích của việc sử dụng cảm biến cong đã được biết tới một thời gian, song công trình của chúng tôi mới đem lại khả năng sản xuất máy ảnh với cảm biến cong trong thực tế. Tạo bề mặt cong cho một cảm biến chế tạo sẵn có thể được thực hiện với chi phí thấp và đem lại lợi ích cao. "

Cách đây bảy năm, các thành viên nhóm nghiên cứu đã tự hỏi bản thân " Một chiếc máy ảnh hoàn hảo sẽ như thế nào? ". Họ đã thống nhất là một chiếc máy ảnh như vậy sẽ có khả năng chụp ảnh trong điều kiện rất thiếu ánh sáng, có kích thước nhỏ và tạo ra ảnh rất nét.

" Vào thời điểm đó, tạo được một chiếc máy ảnh như vậy là điều không thể ", theo Guenter, " Chúng tôi nghĩ rằng nếu chúng tôi có thể cải thiện khả năng quang học của máy ảnh bằng việc tạo ra ống kính có khẩu độ lớn hơn thì chúng tôi cũng có thể dùng một cảm biến nhỏ hơn có khả năng thu đủ ánh sáng để tạo ra một tấm ảnh đẹp. Đó là động lực để chúng tôi bắt đầu nghiên cứu cảm biến cong và cách có thể tạo ra bước đột phá về hiệu quả hình ảnh. "

Để làm cảm biến cong, nhóm nghiên cứu đã đặt các lớp cảm biến từ tấm wafer của cảm biến mỏng CMOS lên những tấm khuôn được thiết kế đặc biệt và sử dụng áp lực khí để ép cảm biến vào khuôn. Một số nhóm khác đã thử cách gắn chặt các góc của cảm biến xuống và cố gắng ép phần chính giữa cảm biến để tạo độ cong, tuy nhiên cách này tạo ra điểm chịu áp lực cao và làm cảm biến vỡ trước khi đạt độ cong mong muốn.

Các thử nghiệm đã cho thấy xử lý cong không thay đổi bất cứ đặc điểm điện nào của cảm biến. Khi sử dụng cảm biến cong trong máy ảnh prototype với một ống kính f/1.2 được thiết kế riêng, cảm biến này có thể tạo ra ảnh với độ phân giải lớn hơn hai lần máy ảnh SLR với ống kính tương tự . Về phía góc của hình, cảm biến cong có thể phân giải hình ảnh tốt hơn 5 lần máy SLR .

Mặc dù phần lớn máy ảnh bị giảm sút khả năng thu ánh sáng ở khu vực góc, nhóm nghiên cứu đã cho thấy gần như không có hiện tượng này với cảm biến cong. Đây là một bước cải thiện rất đáng kể so với mức giảm ánh sáng ở góc có thể lên tới 90% ở các máy ảnh thương mại hiện nay. Nhóm nghiên cứu cũng tự tin khẳng định rằng phương pháp này có thể được thực hiện với giá rẻ và không có hệ quả nào.

Với cảm biến cong này, một thế hệ ống kính mới có thể được chế tạo với kích thước thu gọn đáng kể do có thể loại bỏ các thành phần sửa lỗi và thậm chí có thể phù hợp cho các thiết bị di động như điện thoại. Nhóm nghiên cứu đang tích cực đi sâu thêm để tạo ra cảm biến có mức độ còn cong hơn hiện tại và nghiên cứu khả năng hoạt động của các cảm biến thu nhận tia hồng ngoại để áp dụng cho các thiết bị nghiên cứu khoa học.

Nghiên cứu được công bố của nhóm:B. Guenter, N. Joshi, R. Stoakley, A. Keefe, K. Geary, R. Freeman, J. Hundley, P. Patterson, D. Hammon, G. Herrera, E. Sherman, A. Nowak, R. Schubert, P. Brewer, L. Yang, R. Mott, and G. McKnight, “ Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance ,” Opt. Express , Vol. 25, Issue 2, 13010-13023 (2017).
DOI: 10.1364/OE.25.013010.

Bài viết tham khảo trên trang phys.org và sử dụng hình ảnh trên trang mspoweruser.com