Camera điện thoại là một máy ảnh thu nhỏ: cụm thấu kính hoạt động như một thấu kính hội tụ, tạo ảnh thật, ngược chiều và nhỏ của khung cảnh lên một cảm biến ảnh; cảm biến biến ánh sáng thành tín hiệu điện để phần mềm dựng lại bức ảnh. Lấy nét là dịch thấu kính để ảnh rơi đúng mặt cảm biến, còn zoom quang học là đổi sang ống kính có tiêu cự dài hơn.
Mọi kiến thức thấu kính bạn học ở lớp đều xuất hiện trong chiếc điện thoại: công thức thấu kính giải thích lấy nét, phản xạ toàn phần giải thích ống kính gập, trộn màu ánh sáng giải thích cảm biến màu. Bài này nối các mảnh đó lại. Tính năng cụ thể của từng dòng máy khác nhau và thay đổi nhanh, nên bài viết theo nguyên lý; muốn biết máy của bạn có gì, hãy xem thông số của hãng.
Bắt đầu từ buồng tối lỗ kim
Thiết bị tạo ảnh đơn giản nhất là một chiếc hộp kín, một mặt có lỗ nhỏ, mặt đối diện là màn mờ. Ánh sáng từ mỗi điểm của cảnh vật đi thẳng qua lỗ và rơi lên màn, tạo thành ảnh ngược chiều. Đỉnh cây ở trên thì ảnh của nó ở dưới, vì tia sáng đi thẳng qua lỗ và đổi phía. Hiện tượng này được mô tả từ rất lâu ở nhiều nền văn minh và là tổ tiên của máy ảnh.
Buồng tối có một mâu thuẫn: lỗ nhỏ cho ảnh nét nhưng tối, lỗ to cho ảnh sáng nhưng nhoè vì mỗi điểm của vật thành một đốm sáng trên màn. Đặt một thấu kính hội tụ vào lỗ giải quyết được mâu thuẫn đó: thấu kính gom cả một chùm ánh sáng lớn từ mỗi điểm của vật về đúng một điểm ảnh. Ảnh vừa sáng vừa nét, miễn là màn đặt đúng vị trí ảnh.
Camera điện thoại vẫn tạo ảnh ngược chiều trên cảm biến như buồng tối; phần mềm chỉ đơn giản xoay lại khi hiển thị. Bạn có thể làm một buồng tối bằng hộp giày, giấy bạc châm lỗ và giấy can, quan sát cửa sổ sáng từ trong phòng, như một thí nghiệm an toàn để thấy ảnh ngược chiều tận mắt.
Cụm ống kính và cảm biến: ai làm việc gì
Bên trong mô-đun camera nhỏ hơn đầu ngón tay là cả một hệ quang học. Bảng dưới mô tả các bộ phận chính theo nguyên lý chung; số lượng thấu kính, vật liệu và kích thước khác nhau giữa các máy.
| Bộ phận | Làm gì | Kiến thức vật lý liên quan |
|---|---|---|
| Cụm thấu kính | Nhiều thấu kính nhỏ xếp chồng, cùng nhau hoạt động như một thấu kính hội tụ và sửa các lỗi như méo hình, viền màu | Thấu kính hội tụ, tán sắc |
| Khẩu độ | Độ mở cho ánh sáng đi vào; số f nhỏ nghĩa là lỗ mở lớn so với tiêu cự | Lượng ánh sáng, như con ngươi của mắt |
| Cảm biến ảnh | Hàng triệu điểm ảnh, mỗi điểm đo lượng ánh sáng chiếu tới và đổi thành tín hiệu điện | Ánh sáng mang năng lượng, hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn |
| Lưới lọc màu | Mỗi điểm ảnh phủ một ô lọc đỏ, lục hoặc lam; phần mềm nội suy ra màu đầy đủ | Trộn màu ánh sáng, ba màu cơ bản |
| Mô tơ lấy nét | Dịch cụm thấu kính một quãng cỡ vài phần mười milimét để ảnh rơi đúng cảm biến | Công thức thấu kính |
| Bộ chống rung quang học | Dịch thấu kính hoặc cảm biến ngược chiều rung tay | Chuyển động tương đối |
Lưới lọc màu phổ biến xếp các ô theo khuôn lặp lại, trong đó số ô lục nhiều gấp đôi số ô đỏ hay lam, vì mắt người nhạy nhất với vùng lục và cảm nhận độ nét chủ yếu qua đó. Mỗi điểm ảnh thật ra chỉ biết một màu; màu đầy đủ ở từng điểm là kết quả tính toán từ các điểm lân cận.
Lấy nét: công thức thấu kính trong túi áo bạn
Với thấu kính tiêu cự cố định, vật càng gần thì ảnh càng nằm xa thấu kính. Cảm biến lại đứng yên, nên muốn chụp nét vật ở gần, máy phải dịch thấu kính ra xa cảm biến một chút. Đó là việc của mô tơ lấy nét. Khi bạn chạm vào màn hình để chọn điểm lấy nét, máy dò xem dịch thấu kính tới đâu thì vùng đó nét nhất.
Ví dụ giả định với số tròn: một ống kính có tiêu cự 5 mm. Khi chụp vật ở rất xa, ảnh nằm ngay tại tiêu điểm, cách thấu kính 5 mm. Khi chụp vật cách 10 cm, tức 100 mm, một chia d phẩy bằng một chia 5 trừ một chia 100, bằng 19 chia 100, nên d phẩy khoảng 5,26 mm. Thấu kính chỉ cần dịch khoảng 0,26 mm, chỉ cỡ bề dày hai ba tờ giấy. Bạn có thể tự bấm máy lại phép tính này.
Ví dụ cũng giải thích vì sao điện thoại khó chụp vật quá sát: muốn lấy nét vật cách vài centimét, thấu kính phải dịch xa hơn hành trình mô tơ cho phép. Nhiều máy chuyển sang một camera khác có thiết kế riêng cho chụp cận cảnh. Tiêu cự thật và hành trình lấy nét của từng máy khác con số giả định ở đây.
Zoom quang học, zoom số và ống kính gập
Tiêu cự quyết định góc nhìn. Với cùng một cảm biến, tiêu cự ngắn cho góc nhìn rộng, thu được nhiều cảnh; tiêu cự dài cho góc nhìn hẹp, vật ở xa hiện to hơn trên ảnh. Vì thế điện thoại thường có vài camera với tiêu cự khác nhau: góc siêu rộng, góc thường, tele.
Zoom số chỉ là cắt ảnh. Khi bạn phóng to vượt quá camera tele, máy cắt một phần ảnh rồi phóng lên, chi tiết không tăng thêm. Phần mềm có thể làm ảnh trông sắc hơn bằng xử lý, nhưng đó là ước đoán chứ không phải thêm thông tin quang học.
Ống kính gập dùng phản xạ. Tiêu cự dài cần quãng đường dài từ thấu kính tới cảm biến, mà thân máy lại mỏng. Một số máy đặt một lăng kính hoặc gương để bẻ ánh sáng 90 độ, rồi xếp cụm thấu kính nằm ngang dọc thân máy. Lăng kính kiểu này hoạt động bằng phản xạ toàn phần như trong ống nhòm.
Xoá phông chủ yếu nhờ phần mềm. Máy ảnh cảm biến lớn tạo phông mờ tự nhiên nhờ quang học. Cảm biến điện thoại nhỏ nên vùng nét rất sâu, cả người lẫn cảnh đều nét; chế độ chân dung ước lượng khoảng cách rồi làm mờ nền bằng tính toán, đôi khi để lộ viền lỗi quanh tóc.
Vì sao ảnh đêm và ảnh ngược sáng của điện thoại vẫn đẹp
Cảm biến nhỏ thu được ít ánh sáng, nên trong điều kiện tối, tín hiệu yếu dễ lẫn nhiễu, ảnh lấm tấm hạt. Để bù lại, điện thoại hiện nay thường chụp liên tiếp nhiều khung hình trong tích tắc rồi ghép lại: phần nhiễu ngẫu nhiên ở mỗi khung khác nhau nên khi lấy trung bình sẽ giảm đi, còn chi tiết thật thì giữ lại. Đó là lý do chế độ chụp đêm yêu cầu bạn cầm máy yên vài giây.
Với cảnh ngược sáng, như người đứng trước cửa sổ sáng, máy có thể chụp nhiều khung ở các mức phơi sáng khác nhau, lấy phần trời từ khung tối và phần người từ khung sáng, rồi ghép lại. Các kỹ thuật này thường được gọi chung là nhiếp ảnh tính toán.
Điều cần hiểu khi học vật lý: phần quang học vẫn đặt ra giới hạn. Phần mềm không tạo ra ánh sáng không có, chỉ khai thác tốt hơn ánh sáng đã thu được. Khi AI hay quảng cáo nói một chiếc điện thoại "chụp như máy ảnh chuyên nghiệp", bạn có thể đặt câu hỏi vật lý: cảm biến lớn cỡ nào, ống kính thu được bao nhiêu ánh sáng.
Camera điện thoại và mắt người: giống ở nguyên lý, khác ở cách làm
So sánh máy ảnh với mắt là cách dạy quen thuộc, nhưng chỗ khác nhau mới giúp hiểu sâu cả hai. Bảng dưới đặt hai hệ cạnh nhau theo từng việc phải làm để có một hình ảnh rõ.
| Việc cần làm | Camera điện thoại | Mắt người |
|---|---|---|
| Tạo ảnh thật trên mặt nhận | Cụm thấu kính hội tụ chiếu ảnh lên cảm biến | Giác mạc và thể thuỷ tinh chiếu ảnh lên võng mạc |
| Lấy nét vật gần và xa | Dịch vị trí thấu kính, tiêu cự giữ nguyên | Đổi độ phồng thể thuỷ tinh, khoảng cách giữ nguyên |
| Điều chỉnh lượng ánh sáng | Thời gian chụp, độ nhạy, đôi khi khẩu độ | Con ngươi co giãn, võng mạc thích nghi dần với tối |
| Ghi màu | Lưới lọc đỏ, lục, lam trên các điểm ảnh | Ba loại tế bào hình nón |
| Xử lý thành hình ảnh | Bộ xử lý và phần mềm trong máy | Não bộ |
Dòng lấy nét là chỗ hai hệ khác nhau rõ nhất và là câu hỏi kiểm tra hay: cùng mục đích đưa ảnh về đúng mặt nhận, máy ảnh đổi khoảng cách ảnh d phẩy, còn mắt đổi tiêu cự f. Cả hai đều thoả mãn cùng một công thức thấu kính, chỉ là chọn đại lượng nào để thay đổi.
Một khác biệt nữa đáng nhớ: mắt có một điểm mù nơi dây thần kinh thị giác đi ra khỏi võng mạc, nhưng não tự lấp chỗ trống nên ta không nhận ra. Cảm biến máy ảnh không có điểm mù kiểu đó, nhưng phần mềm của nó cũng "lấp" và "đoán" khá nhiều khi dựng ảnh, giống não theo một cách nào đó.
Biến chiếc điện thoại thành phòng thí nghiệm quang học nhỏ, có AI hỏi gợi ý
Bạn không cần dụng cụ đắt tiền để kiểm những gì vừa đọc. Năm hoạt động dưới đây an toàn, làm trong nhà, và mỗi hoạt động đi kèm một câu hỏi để bàn với AI.
- Chụp cận một chiếc lá ở khoảng cách giảm dần cho tới khi máy không lấy nét được nữa, ghi lại khoảng cách đó. Hỏi AI: "Vì sao có khoảng cách tối thiểu? Hỏi em về công thức thấu kính trước khi giải thích."
- Dùng kính lúp nhìn màn hình đang hiện mảng màu vàng, đếm xem phần tử màu nào sáng. Mô tả cho AI và nhờ nó hỏi lại vì sao không có phần tử vàng.
- Chụp cùng một cảnh bằng zoom quang và zoom số ở cùng mức phóng, so chi tiết trên hai ảnh. Tự giải thích sự khác nhau trước khi hỏi AI.
- Che một nửa ống kính bằng ngón tay rồi chụp, quan sát ảnh tối đi nhưng vẫn đủ hình, đúng như bài thấu kính đã nói. Lau sạch ống kính sau khi làm.
- Chụp một mảng tường trắng dưới đèn vàng và dưới ánh sáng ban ngày gần cửa sổ, so màu. Hỏi AI vì sao máy tự chỉnh màu và chỉnh dựa trên giả định gì.
Khi gửi ảnh cho AI, chỉ dùng ảnh đồ vật, không chụp người khác khi chưa được đồng ý, không để lộ địa chỉ nhà hay thông tin cá nhân trong khung hình. Không chĩa camera hay mắt về phía Mặt Trời, và không dùng đèn chớp chiếu thẳng vào mắt người khác.
Câu hỏi thường gặp
Số chấm trên cảm biến càng nhiều thì ảnh càng đẹp phải không?
Không hẳn. Số điểm ảnh quyết định ảnh có thể chứa bao nhiêu chi tiết, nhưng chất lượng còn phụ thuộc vào kích thước cảm biến, chất lượng ống kính và xử lý. Nhồi quá nhiều điểm ảnh lên cảm biến nhỏ làm mỗi điểm thu ít ánh sáng hơn và dễ nhiễu trong tối.
Số f trên camera điện thoại có nghĩa là gì?
Số f là tỉ số giữa tiêu cự và đường kính độ mở của ống kính. Số f nhỏ nghĩa là độ mở lớn so với tiêu cự, ánh sáng vào nhiều hơn. Nhiều camera điện thoại có độ mở cố định, nên máy điều chỉnh phơi sáng bằng thời gian chụp và độ nhạy cảm biến.
Vì sao ảnh trên cảm biến bị ngược mà ảnh trên màn hình vẫn đúng chiều?
Cụm thấu kính tạo ảnh thật nên ảnh trên cảm biến ngược chiều, giống ảnh trong buồng tối. Phần mềm biết điều này và chỉ việc đọc dữ liệu theo thứ tự đảo lại khi hiển thị, nên bạn luôn thấy ảnh đúng chiều.
Chống rung quang học khác chống rung bằng phần mềm thế nào?
Chống rung quang học dịch chuyển thật thấu kính hoặc cảm biến để bù rung tay ngay trong lúc chụp. Chống rung bằng phần mềm thường cắt bớt viền ảnh hoặc video rồi dịch khung để bù. Nhiều máy kết hợp cả hai; thông số cụ thể nên xem tài liệu của hãng.
Camera điện thoại có thay được kính hiển vi hay kính thiên văn khi học không?
Có thể chụp qua thị kính của kính hiển vi hoặc kính thiên văn để lưu lại hình, nhưng tự nó không thay được hai dụng cụ đó vì tiêu cự và độ mở quá nhỏ. Với học tập, đây là cách tốt để chia sẻ hình quan sát với bạn bè và thầy cô.
Có nên nhờ AI chỉnh ảnh để nộp bài thí nghiệm không?
Ảnh trong báo cáo thí nghiệm phải phản ánh đúng những gì bạn quan sát. Cắt khung hay chỉnh sáng nhẹ để dễ nhìn thì được, nhưng không nên dùng AI thêm, bớt hay làm đẹp chi tiết, vì như thế báo cáo không còn trung thực. Nếu có chỉnh, ghi rõ đã chỉnh gì.