Quay phim chụp ảnh màu

Trước hết cần chú ý rằng nói ánh sáng trắng là gồm có bảy màu thực ra không có cơ sở khoa học rõ ràng. Rất khó phân biệt rành mạch đâu là bảy màu, mỗi màu ứng với một phạm vi bước sóng. Nghe nói ngày xưa Newton ban đầu cho là ánh sáng có 5 màu, nhưng vì ở thời đại Newton người ta nghiêng về con số thứ 7 như 7 nốt nhạc đồ, rê, mi, fa, son, la, si… nên Newton cũng cố gán ghép cho nó được bảy màu. Để dễ nhớ thường nói theo tiếng Pháp: violet (tím), indigo (chàm), blue (xanh), vert (lục), jaune (vàng), organe (cam), rouge (đỏ).

1/ Mắt và ba màu cơ bản

Cơ sở khoa học cảm nhận màu sắc của con người là ở võng mạc mắt có ba loại tế bào hình nón cảm nhận màu: tế bào cảm nhận màu đỏ (red), tế màu cảm nhận màu lục (green), tế bào cảm nhận màu lam (blue), thường nói gọn là ba màu cơ bản RGB. Mỗi màu cơ bản như vậy không phải ứng với một bước sóng nhất định mà là một phạm vi bước sóng.

Đi sâu vào phân tích kỹ hơn ta thấy khi sóng điện từ (ánh sáng) đến mắt ta, chiếu vào võng mạc, nếu trong sóng điện từ đó có những sóng có bước sóng trong phạm vi từ 520 đến 650 nanomet thì sẽ tạo ra dao động ở tế bào nón cảm nhận màu đỏ. Khi có dao động ở các hình nón cảm nhận màu đỏ. Khi có dao động ở các hình nón ứng với màu đỏ tại một điểm nào đó trên võng mạc thì dây thần kinh báo về não là điểm đó có màu đỏ. Nhìn đường cong hình chuông màu đỏ ở hình 1 ta cũng thấy sóng điện từ có bước sóng trong phạm vi bước sóng từ 520 đến 650 nanomet đều tạo ra dao động ở tế bào hình nón cảm nhận màu đỏ, tức là thần kinh sẽ báo về não có màu đỏ. Tuy nhiên sóng điện từ có bước sóng cỡ 570 nanomet, ứng với chỗ cực đại của đường cong cảm nhận màu đỏ sẽ tạo ra dao động mạnh nhất tức là tế bào hình nón cảm nhận màu đỏ nhạy nhất với bước sóng ở gần chỗ cực đại đó.

Lập luật tương tự đối với màu lục, màu lam, ta nắm được cơ chế của việc quay phim, chụp ảnh là:

- Mắt ta nhìn thấy một vật chỗ này, chỗ kia có màu sắc xanh đỏ, đậm nhạt… là do sóng điện từ từ những điểm trên vật đến điểm tương ứng trên võng mạc gây nên những dao động khác nhau ở ba loại tế bào cảm nhận màu hình nón ở võng mạc.

- Để ghi được ảnh màu của một vật, ta sẽ chia ảnh của vật ra thành nhiều phần tử ảnh và tìm cách ghi ba màu cơ bản ở từng phần tử ảnh sao cho từ các số liệu ghi được có thể phát ra lại sóng điện từ kích thích các tế bào cảm nhận màu hình nón y như là sóng điện từ phát ra từ các điểm của vật thật.

2/ Ghi ảnh nhờ cảm biến CCD

Ta đã biết việc ghi lại hình ảnh theo kỹ thuật số được thực hiện nhờ cảm biến CCD. Đó là một phiến bán dẫn, bằng kỹ thuật vi điện tử người ta đã tạo ra được trên đó hàng triệu triệu linh kiện MOS mỗi linh kiện có vai trò kép: vừa tạo ra quang điện tử khi có ánh sáng chiếu đến, vừa làm nhiệm vụ của cái tụ điện chứa quang điện tử vừa mới tạo ra được. Diện tích của cảm biến CCD rộng cỡ vài ba hay gần một chục centimet vuông, mặt ở vị trí tạo ảnh của thấu kính máy ảnh hay quay phim còn diện tích của mỗi linh kiện MOS chỉ vào cỡ vài hay vài chục micromet vuông, đó là diện tích ứng với một phần tử ảnh pixel (picture element). Ảnh của vật qua thấu kính hiện lên cảm biến CCD, ánh sáng mạnh hay yếu đến từng linh kiện CCD (phần tử ảnh) được biến thành số điện tử nhiều hay ít chứa trong từng tụ điện.

Nếu chụp ảnh hay quay phim đen trắng, chỉ cần đọc và ghi lại số điện tử nhiều hay ít ở từng vị trí của phần tử ảnh (đã nói kỹ cách đọc và ghi ở bài Cảm biến CCD đăng trên Vật lý & Tuổi trẻ số tháng trước).

Muốn có ảnh hay phim màu phải làm thế nào? Về nguyên tắc là phải biết và ghi lại được tại mỗi phần tử ảnh số quang điện tử đã sinh ra ứng với từng màu cơ bản đỏ, lục, lam (RGB) nhiều hay ít, tức là mạnh hay yếu như thế nào.

Có hai cách có thể thực hiện được: cách dùng ba cảm biến CCD và cách dùng một cảm biến CCD kết hợp với bộ lọc Bayer.

3/ Ghi ảnh màu dùng ba cảm biến CCD

Trước hết ta xét cách ghi ảnh màu dùng ba cảm biến CCD. Cách này về nguyên tắc rất dễ hiểu, về chất lượng thì màu rất trung thực và rõ nét nhưng về kỹ thuật thực hiện thì khá phức tạp và tốn kém.

Ở đây ánh sáng từ vật sau khi qua thấu kính của máy ảnh hay máy quay phim được đưa đến lăng kính tách màu.Nhờ các lớp phản xạ màu chọn lọc, ánh sáng được tách ra thành ba màu cơ bản: đỏ, lục, lam đi theo ba hướng khác nhau và tạo thành ba ảnh màu cơ bản ở ba cảm biến CCD có cấu tạo hoàn toàn giống nhau: ảnh màu đỏ ở cảm biến CCD 1, ảnh màu lục ở cảm biến CCD 2 và ảnh màu lam ở cảm biến CCD 3.

Nhờ vậy, đối với một phần tử ảnh ở vị trí x­ _I, Y _kchẳng hạn ở cảm biến CCD 1 ta có được số quang điện tử ứng với màu đỏ, ở cảm biến CCD 2 ta có được số quang điện tử ứng với màu lục, ở cảm biến CCD 3 ta có được số quang điện tử ứng với màu lam. Đọc và ghi vào bộ nhớ vị trí các phần tử ảnh cùng với cường độ của ba màu đỏ, lục, lam ứng với từng vị trí của phần tử ảnh, như vậy là thực hiện xong phép ghi lại (chụp) ảnh màu. Ta thấy nhờ cùng ba cảm biến CCD nên ở từng phần tử ảnh ghi được cường độ của ba màu cơ bản tương ứng. Cảm biến CCD có bao nhiêu phần tử ảnh cũng ghi được chừng ấy phần tử của ảnh màu. Nhờ vậy ảnh màu cũng tinh vi như ảnh đen trắng. Hơn nữa lăng kính tách màu hiện nay được chế tạo với kỹ thuật cao, việc tách ra thành ba màu cơ bản rất trung thực nên màu sắc ở ảnh màu chụp theo kiểu dùng ba cảm biến CCD rất gần với tự nhiên, gần với màu sắc thực.

Nhược điểm của cách chụp ảnh màu dùng ba cảm biến CCD là kỹ thuật hiện thực phức tạp và đắt tiền, hơi cồng kềnh vì phải dùng đến ba cảm biến CCD. Phương pháp chụp ảnh màu dùng ba cảm biến CCD được ứng dụng cho những máy quay video chất lượng cao, những máy ảnh đặc biệt yêu cầu chụp ảnh màu với độ phân dải lớn trung thực… đa số máy ảnh, máy quay video thường dùng nhằm mục đích có kích thước nhỏ gọn gàng và giá thành hạ nên chỉ có một cảm biến CCD và dùng tấm lọc Bayer để ghi được ảnh màu. Ta sẽ tìm hiểu ở kỳ tới.