Quay phim chụp ảnh màu nhờ bộ lọc Bayer

Ta biết rằng ở cảm biến CCD có đến hàng chục triệu linh kiện MOS xếp theo hàng theo cột, mỗi linh kiện như vậy ứng một phần tử ảnh của cảm biến. Khi có ánh sáng chiếu vào, linh kiện MOS vừa làm nhiệm vụ phát ra quang điện tử vừa làm nhiệm vụ là cái tụ điện chứa quang điện tử vừa phát ra. Như vậy lượng quang điện tử chứa trong tụ điện tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu đến phần tử ảnh tương ứng của cảm biến CCD. Đọc và ghi lại được điện tích chứa trong từng tụ điện là ghi được ảnh.

Để ghi được ảnh màu, phía trên cảm biến CCD người ta đặt tấm lọc màu Bayer (hình 1). Tấm lọc này gồm có rất nhiều ô hình vuông, mỗi ô là một màng lọc nhỏ, chỉ cho một trong ba màu cơ bản đi qua: ô đỏ R cho ánh sáng màu đỏ đi qua, ô lục G cho ánh sáng màu lục đi qua và ô lam B cho ánh sáng màu lam đi qua. Các ô này đặt ngay ngắn, mỗi ô trên một linh kiện MOS. Để tập trung ánh sáng chiếu vào trên từng linh kiện MOS có một thấu kính cực nhỏ như vẽ ở hình 2. Do đặc điểm của mắt người nhạy hơn với màu lục nên Bayer bố trí ở tấm lọc số ô màu lục gấp đôi số ô màu lam hay màu đỏ và sắp xếp các ô theo một trật tự về màu rất xác định như trên hình 1.

Từ tấm lọc Bayer ta có thể thấy một vài quy luật như vẽ ở hình 3 làm thí dụ.

- Quanh một ô màu lục gần nhất có hai ô màu đỏ theo chiều ngang, hai ô màu lam theo chiều đứng (hình 3a) hoặc hai ô màu lam theo chiều ngang hai ô màu đỏ theo chiều đứng (hình 3b), còn ở bốn góc luôn có 4 ô màu lục.

- Quanh một ô màu đỏ luôn có 4 ô màu lục ở trái, phải, trên, dưới và 4 ô màu lam ở bốn góc (hình 3c), quanh một ô màu lam, có 4 ô màu lục ở trái, phải, trên, dưới và 4 ô màu đỏ ở bốn góc (hình 3d).

Còn nhiều quy luật khác nữa, ở đây ta không xét kỹ chỉ cần biết là dựa vào đấy người ta thực hiện việc tham khảo màu của các phần tử ảnh ở chung quanh để gán cho đủ ba màu đối với từng phần tử ảnh ở giữa theo cách sau đây:

Hình 2: Các thấu kính tập trung ánh sáng dọi vào các ô của tấm lọc Bayer.

Đối với các ô màu đỏ hay màu lam (hình 3c và 3d) người ta cũng làm tương tự, ứng với ô màu đỏ chẳng hạn, cường độ của ánh sáng màu đỏ là do trực tiếp đọc và ghi điện tích chứa trong tụ điện ứng với ô màu đỏ, còn màu lục là lấy trung bình từ bốn ô màu lục bao quanh, màu lam là lấy trung bình ở bốn ô màu lam ở bốn góc. Lập luận tương tự ứng với ô màu lam. Theo cách này đối với tất cả phần tử ảnh của cảm biến CCD ta đều có đầy đủ ba màu đỏ, lục, lam (một màu trực tiếp đo, hai màu còn lại là tham khảo chung quanh để gán cho). Như vậy là với một cảm biến CCD nhờ có tấm lọc Bayer ta đã ghi lại được ảnh màu.

Ta thấy ở từng phần tử ảnh trên cảm biến CCD, ghi được ba màu trong đó hai màu là do tính toán gán ghép. Màu sắc thực sự của ảnh màu ghi được rất phụ thuộc vào cách suy luận để gán ghép đó có phù hợp với màu thực tế không. Cách gán màu như đã trình bày trên là cách tính toán tham khảo đơn giản nhất. Các hãng chế tạo máy quay phim, chụp ảnh số, mỗi hãng tìm cách tham khảo các ô chung quanh để gán màu cho ô ở giữa theo những cách phức tạp hơn nhằm cho ảnh cuối cùng có màu sắc trung thực hơn. Các ô lọc màu của tấm lọc màu Bayer cũng không nhất thiết là có hình vuông. Thường ảnh hay được in ra có tỷ lệ 4/3, tức là dài 4 rộng 3 do đó ở tấm lọc màu Bayer đặt trên cảm biến CCD có nhiều khi làm ô lọc màu hình chữ nhật với cùng tỷ lệ 4/3. Nhờ đó trên cảm biến CCD, số ô theo hàng ngang cũng như theo hàng dọc, việc xác định địa chỉ của ô và tính toán được thuận lợi hơn.

Hình 3: Tham khảo màu ở chung quanh để gán thêm màu cho ô ở giữa.

Cầm một chiếc máy ảnh hay máy quay phim kỹ thuật số nhỏ gọn trên tay, nếu ngẫm nghĩ về nguyên lý làm việc của chúng chỗ nào ta cũng thấy có ứng dụng của vật lý ở trình độ rất tinh vi.