CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH
Cảm biến hình ảnh
Cảm biến hình ảnh CCD (Charge Coupled Device) và CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) là hai công nghệ khác nhau để chụp hình ảnh kỹ thuật số.
Cả CCD và CMOS đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng trong các ứng dụng khác nhau Được phát minh vào cuối những năm 1960 và 1970 bởi tiến sĩ Savvas Chamberlain, CCD đã trở thành công nghệ chủ đạo nhờ khả năng tạo ra hình ảnh chất lượng cao hơn so với các công nghệ khác Trong khi đó, cảm biến hình ảnh CMOS yêu cầu tính đồng nhất và kích thước nhỏ hơn mà các xưởng đúc silicon thời đó không thể đáp ứng.
Vào năm 1990, các nhà thiết kế bắt đầu phát triển công nghệ CMOS, với mục tiêu giảm tiêu thụ năng lượng, tích hợp máy ảnh trên một chip và hạ thấp chi phí sản xuất thông qua việc tái sử dụng logic chính và thiết bị bộ nhớ Mặc dù việc đạt được những lợi ích này cùng với chất lượng hình ảnh cao đã tốn nhiều thời gian và chi phí hơn dự kiến, nhưng công nghệ CMOS hiện nay đã đạt được sự cạnh tranh và thậm chí vượt trội hơn so với công nghệ CCD truyền thống.
Cảm biến hình ảnh (Image sensor) là bộ phận quan trọng nhất của camera, chịu trách nhiệm tiếp nhận ánh sáng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Sau khi ánh sáng được cảm nhận, các chip cảm ứng sẽ biến đổi thành điện tử, sau đó chuyển thành điện áp để đo lường và cuối cùng chuyển đổi sang tín hiệu số mà chúng ta nhìn thấy Các tín hiệu này được xử lý bởi các mạch điện tử bên trong máy ảnh, tạo ra hình ảnh ban đầu Cảm biến hình ảnh giống như đôi mắt của con người; một cảm biến tốt sẽ cho ra hình ảnh rõ nét và sống động, trong khi một cảm biến kém sẽ tạo ra hình ảnh mờ nhạt và không rõ ràng Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến hình ảnh khác nhau.
2 download by : skknchat@gmail.com loại sensor do nhiều hãng cung cấp khác nhau: Sony, Sharp, LG, Samsung … và một số sensor thương mại không nổi tiếng khác.
Cảm biến hình ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng của bức ảnh và kích cỡ tối đa có thể in Chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào kích thước vật lý của cảm biến mà còn vào số lượng và kích thước của các pixel trên cảm biến Đây là thiết bị phần cứng nhỏ có khả năng thu nhận ánh sáng, chuyển đổi photon thành tín hiệu số và phục hồi hình ảnh trên thiết bị điện tử Hiện nay, hai công nghệ chính được sử dụng cho cảm biến hình ảnh trong máy ảnh là CCD (Charge-coupled Device) và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor).
CCD nổi bật với khả năng nhạy sáng cao, cho phép tái hiện ảnh có độ phân giải lớn và dải màu liên tục, trong khi CMOS có độ nhạy sáng kém và dễ bị rạn Mặc dù CCD vẫn được sử dụng phổ biến trong các máy ảnh du lịch giá rẻ, nhưng khó khăn trong lắp ráp và tiêu tốn nhiều điện năng đã khiến CMOS trở thành lựa chọn ưu việt hơn.
Cảm biến CMOS trước đây thường bị coi là có chất lượng ảnh chụp thấp hơn so với CCD Tuy nhiên, nhờ vào các đột phá công nghệ, chất lượng của cảm biến CMOS hiện đại đã trở nên tương đương hoặc thậm chí vượt trội hơn so với CCD Với nhiều tính năng tích hợp sẵn và hiệu suất hoạt động cao hơn, cảm biến CMOS tiêu thụ ít điện năng hơn và chụp ảnh với tốc độ nhanh hơn so với CCD.
Hình 1 1 Chip CCD và CMOS
3 download by : skknchat@gmail.com
1.1.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh Đây là bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số có tác dụng chuyển ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện CCD (Charged Couple Device ) bao gồm hàng triệu tế bào quang điện, mỗi tế bào có tác dụng thu nhận thông tin về từng điểm ảnh (pixel ). Để có thể thu được màu sắc máy ảnh kỹ thuật số sử dụng bộ lọc màu (color filter) trên mỗi tế bào quang điện Các tín hiệu điện tử thu được trên mỗi tế bào quang điện sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số nhờ bộ chuyển đổi ADC (Analog to digital converter) Vào thời điểm hiện tại có hai loại bộ cảm biến ánh sáng: CCD (Charged Couple Device) và CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor).
Cả hai công nghệ cảm biến hình ảnh CCD và CMOS đều chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong máy ảnh kỹ thuật số Mỗi cảm biến bao gồm một mảng 2D với hàng triệu tế bào năng lượng mặt trời, mỗi tế bào đảm nhiệm việc chuyển đổi ánh sáng từ một phần của bức ảnh thành tín hiệu điện.
Hình 1 2 Sơ đồ tổng quan chip CCD
Bước tiếp theo là đo giá trị tín hiệu điện tại từng tế bào quang điện trong hình ảnh Trong thiết bị CCD, điện áp được nạp thực tế qua một chip và được đọc tại đó.
4 download by : skknchat@gmail.com góc của một mảng Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương ứng.
Trong các thiết bị CMOS, mỗi pixel thường có vài transistor để khuếch đại và chuyển tín hiệu đến mạch nạp truyền thống Sự linh hoạt của CMOS đến từ khả năng đọc giá trị riêng biệt của từng pixel.
Hình 1 3 Sơ đồ khối cảm biến CCD
Hình 1 4 Sơ đồ khối cảm biến CMOS
5 download by : skknchat@gmail.com
Giá thành sản xuất CCD thường cao hơn so với CMOS, chủ yếu vì CCD cần một dây chuyền sản xuất riêng biệt, trong khi CMOS có thể được sản xuất bằng dây chuyền chip và bảng mạch thông thường.
Các CCD được thiết kế đặc biệt nhằm truyền tín hiệu nạp đến chip mà không làm méo tín hiệu Quá trình này giúp sản xuất các cảm biến có chất lượng cao, độ tin cậy và độ nhạy sáng vượt trội.
Máy ảnh số, giống như máy ảnh truyền thống, bao gồm một thấu kính và cửa trập để ánh sáng đi vào Tuy nhiên, điểm khác biệt là ánh sáng tác động lên một mảng tế bào quang điện thay vì phim Mảng tế bào quang điện là một chip có kích thước khoảng 6-11nm, trong đó mỗi bộ cảm biến hình ảnh là một thiết bị tích điện (CCD) chuyển đổi ánh sáng thành điện tích Sự tích điện này được lưu trữ dưới dạng thông tin tương tự và sau đó được số hóa bởi bộ biến đổi tương tự - số (ADC).
Mỗi phần tử quang điện trong mảng hàng ngàn phần tử tạo ra một pixel, lưu trữ thông tin quan trọng Nhiều máy ảnh số hiện nay sử dụng bộ cảm biến hình ảnh CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), công nghệ này giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình sản xuất so với bộ cảm biến CCD.
Cảm biến CCD và CMOS
1.2.1.1 Giới thiệu về CCD Ánh sáng được thu thập toàn bộ trên khung hình cùng một lúc Sau đó ánh sáng sẽ được tắt để các photon đã thu được có thể được chuyển xuống các cột. Cuối cùng, mỗi dòng dữ liệu được chuyển đến một thanh ghi ngang riêng biệt, các gói dữ liệu cho mỗi hàng được đọc ra tuần tự và cảm nhận bởi một chuyển đổi photon thành điện áp và đi tới phần khuếch đại.
6 download by : skknchat@gmail.com
CCD bao gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng, hay còn gọi là điểm ảnh (pixel), được phủ lớp lọc màu cơ bản (đỏ, xanh lam, xanh dương) Mỗi điểm ảnh chỉ nhận diện một màu nhất định, và nhờ vào sự sắp xếp xen kẽ của các lớp lọc màu, màu sắc nguyên thủy tại một điểm trong hình ảnh được tái hiện thông qua sự kết hợp giữa màu từ điểm ảnh chính và các màu bổ sung từ các điểm xung quanh thông qua phương pháp nội suy.
Hình 1 3 Cấu tạo chip CCD
Hình 1.6 Ánh sáng trên bề mặt chip CCD
Hình 1.6 cho thấy cách camera thu nhận tín hiệu ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại tại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh.
7 download by : skknchat@gmail.com
Hình 1 7 Cấu trúc hai chiều ngang - dọc của chip CCD
Hình 1.7 minh họa cách thức thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại tại mỗi điểm ảnh, được thể hiện qua độ khác nhau về điện áp, sẽ được chuyển từng hàng ra bộ phận đọc giá trị Sau khi đọc, các giá trị này sẽ được khuếch đại tín hiệu, tiếp theo là chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi A/D, và cuối cùng là gửi đến bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp.
Việc đọc thông tin theo từng hàng lần lượt trên chip CCD dẫn đến tốc độ xử lý ảnh chậm và dễ gặp tình trạng thừa sáng hoặc thiếu sáng ở một số vùng Để khắc phục, một bộ đọc ảnh có kích thước bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung, giúp tăng tốc độ xử lý mà không làm giảm chất lượng, cho phép đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu Tuy nhiên, cải tiến này yêu cầu thêm không gian trên chip và việc sản xuất chip CCD cần thiết bị phòng lab chuyên dụng, làm cho chi phí sản xuất CCD trở nên cao.
Cấu trúc CCD bao gồm các điện cực gần nhau, được tách ra bởi một lớp oxit cách điện mỏng trên nền chất bán dẫn Khi một điện áp được áp dụng lên một điện cực, một vùng nghèo hình thành ngay dưới nó, hoạt động như một giếng thế để lưu trữ điện tích Sự va chạm của các điện tích tạo ra kênh truyền giữa các điện cực, cho phép điện tích di chuyển qua kênh bán dẫn.
SKKNChat@gmail.com ban đầu được sử dụng như một thiết bị lưu trữ thông tin kỹ thuật số, và sau đó đã phát triển thành cảm biến hình ảnh cho hệ thống hình ảnh ánh sáng nhìn thấy, cũng như trong các ứng dụng khoa học cụ thể.
Hình 1 8 Cấu trúc cảm biến CCD
Sự phát triển của CCD hình ảnh điện tử chủ yếu dựa vào việc sử dụng ống camera, với thiết bị CCD trạng thái rắn nhỏ gọn, chắc chắn và tiêu thụ điện năng thấp Silicon, thành phần chính của chất bán dẫn trong CCD, rất nhạy với ánh sáng nhìn thấy, cho phép CCD tiếp nhận và cảm nhận gần như tất cả các photon tới Bên cạnh đó, với quy trình chế tạo và tối ưu hóa phù hợp, silicon cũng có khả năng đáp ứng tốt với ánh sáng cực tím và tia X mềm.
Hình 1 9 Hoạt động của cảm biến CCD
9 download by : skknchat@gmail.com
Cảm biến hình ảnh CCD bao gồm một mảng điện chạy trực giao, tạo ra các kênh truyền điện tích cô lập Các điện cực thường được kết nối theo nhóm hai, ba hoặc bốn giai đoạn, hình thành nên một mảng giếng điểm ảnh để thu thập electron photon Sau khi tiếp xúc, các điện tích hình ảnh được chuyển giao xuống mảng lưu trữ, với các dòng thấp nhất được chuyển vào thanh ghi readout nối tiếp Quá trình này cho phép mỗi điểm ảnh được đọc tuần tự qua bộ khuếch đại phát hiện, và chuỗi này tiếp tục cho đến khi tất cả các dòng hình ảnh được đọc xong.
Hình 1 10 Electron trong các điện cực
Các tín hiệu hình ảnh thu nhận từ cảm biến di chuyển theo hướng mũi tên như trong Hình 1.10 [3] Kiến trúc CCD được mô tả thường là mảng CCD full-frame, phổ biến trong các ứng dụng hình ảnh khoa học cả trên không gian và mặt đất trong lĩnh vực thiên văn học Tuy nhiên, một hạn chế đáng chú ý là hình ảnh có thể bị mờ nếu CCD vẫn tiếp xúc trong quá trình đọc ra, đặc biệt khi khung thời gian không được quản lý hợp lý.
Một giải pháp cho việc phơi sáng lâu trong quá trình đọc hình ảnh là sử dụng màn trập cơ khí trước CCD, cho phép tích hợp hình ảnh trong bóng tối Một lựa chọn khác là thêm ánh sáng che chắn cho mảng lưu trữ, giúp chuyển giao nhanh chóng các mô hình tích hợp sau thời gian tiếp xúc Các mảng lưu trữ có thể được đọc ra trong khi hình ảnh mới tiếp tục được tích tụ Có hai loại cơ bản của CCD: CCD chuyển frame và CCD chuyển đa dòng.
Hình 1 11 Hai dạng cơ bản của CCD
Trong công nghệ CCD, khi chuyển frame, các mảng lưu trữ được bổ sung dưới các mảng hình ảnh, trong khi CCD chuyển đa dòng tích hợp các mảng lưu trữ như các cột đèn che chắn bên cạnh các cột hình ảnh Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là độ nhạy bị giảm một nửa Khoa học cũng đã phát triển CCD TDI, được sử dụng trong điều kiện ánh sáng yếu để thu nhận tín hiệu, với cấu trúc tương tự như mảng CCD full-frame nhưng có định dạng hình ảnh xy, trong đó chiều rộng x thường lớn hơn nhiều so với chiều cao y CCD hiện đã có khả năng thu nhận hàng triệu điểm ảnh, với hiệu suất lượng tử cao trong một dải quang phổ rộng, đồng thời giảm thiểu nhiễu readout và mở rộng dải động.
11 download by : skknchat@gmail.com
Sự phát triển của CCD bao gồm việc thêm một lớp silicon n-type lên bề mặt của chất nền p-type, nằm ngay dưới lớp cách điện silicon dioxide Lớp silicon n-type này tạo ra một giếng điện thế trong chất nền, giúp ngăn cách với lớp silicon dioxide.
1.2.1.3 Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)
Các mạch đầu ra của CCD bao gồm một bộ khuếch đại phát hiện, với một khuếch tán ngoài trời, một liên kết ký sinh nút điện dung, và hai transistor: một để thiết lập lại điện dung nút và một để đầu ra theo cảm biến điện áp Để thực hiện quá trình đọc pixel, nút đầu ra điện dung cần được thiết lập lại đến mức "Vrd" thông qua việc bật transistor thiết lập lại.
Tín hiệu nạp từ cổng cuối cùng của thanh ghi readout serial (Vg) được chuyển vào nút kết quả đầu, tạo ra một xung thiết lập lại (∅r) như minh họa trong hình 1.12b.
Hình 1.12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu
Các transistor đầu ra phát tín hiệu video (Vos) và để giảm nhiễu trong quá trình đọc, kỹ thuật hủy tương quan lấy mẫu đôi (CDS) được sử dụng CDS thực hiện việc lấy hai mẫu đầu ra từ CCD: một mẫu trước (S1) và một mẫu sau (S2) tín hiệu đã được chuyển vào nút đầu ra.
So sánh CCD và CMOS
Cảm biến CMOS tích hợp bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC và mạch xử lý, trong khi cảm biến CCD cần nhiều chức năng xử lý tín hiệu bên ngoài Với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, cảm biến CMOS giúp giảm nhiệt độ bên trong máy ảnh và thiết bị, trong khi cảm biến CCD gặp phải vấn đề nhiệt có thể được khắc phục qua nghiên cứu trong tương lai Tuy nhiên, cảm biến CMOS có thể gặp phải nhiễu từ cấu trúc.
Cảm biến CMOS cho phép khả năng 'windowing' và đa xem trực tuyến, điều này không thể thực hiện với cảm biến CCD Trong khi cảm biến CCD có một điện áp chuyển đổi cho mỗi cảm biến, thì cảm biến CMOS có một điện áp trên mỗi pixel, giúp đầu đọc nhanh hơn Điều này làm cho cảm biến CMOS trở thành lựa chọn lý tưởng cho máy ảnh đa-megapixel Công nghệ tiến bộ gần đây đã thu hẹp khoảng cách về độ nhạy sáng giữa cảm biến CCD và CMOS với mức giá hợp lý.
Cảm biến CCD thường được ưu tiên cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng hình ảnh cao Với hiệu suất lượng tử đạt 85% và dải động 16 bit, CCD đã có những cải tiến đáng kể trong khả năng thu nhận ánh sáng và độ chi tiết hình ảnh.
Cảm biến CMOS là lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn và chiếm hơn 90% sản lượng trong các thiết bị như điện thoại di động, đồ chơi và máy ảnh giá rẻ Bảng 1.1 nêu rõ mối tương quan về đặc điểm và chất lượng giữa công nghệ CMOS và CCD.
21 download by : skknchat@gmail.com
Cảm biến + Chip hỗ Cảm biến + Chip hỗ trợ
Thành phần trợ quang học + Thành quang học phần quang học
Tốc độ Trung bình đến nhanh Nhanh Độ nhạy Cao Thấp
Nhiễu Thấp Trung bình Độ phức tạp hệ thống Cao Thấp Độ phức tạp cảm biến Thấp Cao Đầu ra Tín hiệu tương tự Tín hiệu số
Tín hiệu điểm ảnh Điện tử Điện thế
Xung clock Đa xung nhịp Đơn xung nhịp
Bảng 1.1 So sánh giữa CCD và CMOS
Hình 1 17 Xu hướng phát triển của CMOS và CCD
22 download by : skknchat@gmail.com
Bộ cảm biến CMOS có nhiều lợi thế, bao gồm việc tiêu thụ ít điện năng và khả năng tích hợp các mạch khác trên cùng một chip Ngoài ra, loại chip này còn có thể tích hợp thêm các tính năng như bộ chuyển đổi tương tự - số, điều khiển camera, nén hình ảnh và chống rung.
Những mạch bổ sung này chiếm dụng không gian thường dành cho thiết bị đo sáng, dẫn đến việc bộ cảm biến trở nên kém nhạy sáng hơn Hệ quả là chất lượng ảnh chụp bị giảm sút, đặc biệt trong môi trường trong nhà hoặc khi thiếu ánh sáng.
Một CCD điển hình tiêu thụ 2 đến 5W, một chip CMOS thường tiêu thụ 20mW đến 50mW.
CMOS được phát triển nhanh chóng cũng cho các ứng dụng cao cấp:
- Bộ cảm biến CMOS đã đạt độ phân giải 12Mpixel
- Thiết kế cải tiến rút ngắn khoảng cách chất lượng
Kết luận chương
Trong chương I, bài viết đã giới thiệu chi tiết về hai loại cảm biến phổ biến hiện nay: cảm biến CCD và CMOS, cùng với những ưu nhược điểm của từng loại Tuy nhiên, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu sâu về camera CCD và cảm biến camera tốc độ cao ISIS trong chương tiếp theo.
23 download by : skknchat@gmail.com
THIẾT KẾ CAMERA CCD
Giới thiệu
CCD là công nghệ hình ảnh lâu đời, nổi bật với chất lượng ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ khả năng nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn Chương II sẽ phân tích chi tiết về cấu trúc và thiết kế của một camera CCD điển hình.
Cấu trúc camera CCD [10]
Hình 2.1 Sơ đồ khối camera CCD điển hình
Sơ đồ khối của camera CCD bao gồm các thành phần chính như chip CCD, bộ tiền khuếch đại, bộ tương quan lấy mẫu kép, và bộ khuếch đại điều khiển Những tiến bộ trong công nghệ CCD đã giúp tăng độ phân giải mà vẫn giữ chi phí sản xuất thấp, thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử hình ảnh Tuy nhiên, CCD vẫn gặp phải một số hạn chế như tín hiệu đầu ra thấp và nhiễu vốn có Hơn nữa, việc tăng độ phân giải thường đi kèm với tốc độ đọc ra cao hơn, từ đó đặt ra yêu cầu cho các thiết bị điện tử tiếp theo.
2.2.1 Lý thuyết cơ bản CCD
24 download by : skknchat@gmail.com
CCD đóng vai trò quan trọng trong hệ thống hình ảnh, đòi hỏi hiểu biết về các yêu cầu tín hiệu đặc biệt để tối ưu hóa hiệu suất Tín hiệu đầu ra của CCD là dòng liên tục các điểm ảnh riêng biệt, tạo ra điện áp DC có mức định thiên khoảng vài volt Tín hiệu này được truyền qua tụ điện để loại bỏ điện áp DC trước khi vào bộ tiền khuếch đại Để duy trì mối quan hệ giữa thông tin pixel và đường cơ sở, mạch kẹp hoặc DC-restore thường được sử dụng trong giai đoạn xử lý đầu tiên Tiếp theo, mạch giảm nhiễu CDS giúp cải thiện chất lượng tín hiệu, sau đó là tầng khuếch đại có thể là AGC hoặc khuếch đại cố định với dịch chuyển điều chỉnh Cuối cùng, tín hiệu thường đi qua bộ đệm hoặc mạch điều khiển trước khi chuyển đổi A/D, với khả năng ổn định cao hơn nhờ bộ D/A trong vòng lặp điều khiển kỹ thuật số.
Hình 2.2 Mô hình ánh sáng rơi xuống bề mặt CCD
Quy trình xử lý ảnh của CCD có thể được hình dung như một nhóm người cầm xô nước, trong đó mỗi điểm ảnh tương ứng với một người Khi ánh sáng (giống như cơn mưa) chiếu vào, mỗi người sẽ hứng được một lượng nước khác nhau tùy thuộc vào cường độ ánh sáng Sau khi ghi nhớ lượng nước, hàng đầu tiên sẽ đổ nước vào một rãnh để lưu trữ thông tin Tiếp theo, hàng thứ hai truyền nước cho hàng đầu tiên, và quá trình này tiếp tục cho đến khi thông tin về toàn bộ bức ảnh được ghi nhận Cuối cùng, tất cả các điểm ảnh đều sẵn sàng cho một "cơn mưa" mới, tương ứng với một bức ảnh khác.
Chip CCD gặp bất lợi về tốc độ xử lý hình ảnh do phải đọc thông tin theo từng hàng, dẫn đến hiện tượng thừa sáng hoặc thiếu sáng Để khắc phục, một bộ đọc ảnh với cấu trúc xen kẽ đã được phát triển, giúp tăng tốc độ xử lý mà không làm giảm chất lượng Tuy nhiên, cải tiến này yêu cầu thêm không gian trên chip và thiết bị sản xuất chuyên dụng, làm tăng giá thành CCD Ánh sáng được thu thập đồng thời trên toàn bộ khung hình, sau đó được chuyển xuống các cột, với mỗi dòng dữ liệu được gửi đến một thanh ghi riêng Khi chụp ảnh, cửa trập mở ra cho phép ánh sáng qua ống kính lưu lại trên bề mặt chip, và thông tin về lượng ánh sáng được chuyển ra ngoài theo từng hàng để đọc giá trị.
Sau khi tải xuống từ địa chỉ skknchat@gmail.com, các giá trị của từng điểm ảnh sẽ được gửi qua bộ khuyếch đại tín hiệu Tiếp theo, chúng sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi A/D, và sau đó được xử lý để tái tạo hình ảnh đã chụp.
Hình 2.3 Cấu hình mảng CCD
Các mảng CCD được cấu hình thành nhiều thanh ghi dịch chuyển thẳng đứng và một thanh ghi dịch chuyển ngang, mỗi loại yêu cầu mẫu xung nhịp khác nhau Điểm ảnh chuyển đổi ánh sáng thành điện tử và lưu trữ dưới dạng điện Tín hiệu này được truyền xuống thanh ghi thẳng đứng theo cách băng chuyền đến thanh ghi dịch chuyển ngang, nơi thu thập các dòng điểm ảnh theo thứ tự để đưa ra giai đoạn đầu ra trên chip Tại đây, tín hiệu điện được chuyển đổi thành điện áp, sẵn có ở đầu ra trong chu kỳ xung nhịp CCD Với CCD tiêu chuẩn, hầu hết các điểm ảnh có khả năng phát hiện ánh sáng, tuy nhiên có hiện tượng "quang học mồ hóng" do sự chia cắt nhỏ ở đầu và cuối mỗi đoạn đường đứng Điểm ảnh này luôn có mức điện áp đại diện cho màu đen, trong khi một số mạch điện ảnh sử dụng các điểm ảnh tham chiếu để điều chỉnh dịch chuyển tín hiệu.
27 download by : skknchat@gmail.com
Tốc độ đọc kết quả cho hệ thống đạt 12 bit độ phân giải lên đến 10MHz, trong khi với độ phân giải cao 16 bit, tốc độ giảm xuống khoảng 1MHz Kích thước điểm ảnh tiêu chuẩn là khoảng 27 mm² cho mảng 512x512.
Hình 2.4 Sơ đồ khái niệm của giai đoạn đầu ra bên trong phần tử CCD
Giai đoạn đầu ra trong phần tử CCD chịu trách nhiệm cho việc phát hiện phí, nơi mà phí điện tử được chuyển vào thanh ghi dịch ngang Mỗi điểm ảnh có một phí riêng biệt, được điều khiển bởi bộ tạo nhịp ngang và lưu trữ trong tụ điện (C s) Giá trị của tụ điện thường dao động từ 0.1pF đến 0.5pF, với công thức V=Q/C, giúp phát triển điện áp trên tụ Cs, đại diện cho cường độ ánh sáng của các điểm ảnh Tín hiệu hình ảnh sau đó được thu thập qua một bóng bán dẫn MOSFET cấu hình như một bộ theo nguồn đệm tụ, kết nối với điện trở tải RLOAD, và tín hiệu này trở nên có sẵn tại VOUT để tiếp tục điều chế.
Điện áp đầu ra được biểu thị qua một chuỗi điện áp bước DC, như đã trình bày trong hình trên Mỗi kỳ điểm ảnh bao gồm ba mức độ khác nhau: (1) "thiết lập lại feedthrough", (2).
"mức tham chiếu", (3) "mức độ điểm ảnh".
Một chuỗi đọc dữ liệu bắt đầu bằng việc thiết lập lại Khi công tắc FET được đóng, tụ điện được định hướng để tạo ra điện áp tham chiếu ban đầu.
Việc tải xuống 28 từ skknchat@gmail.com có thể đạt mức cao lên đến +12V Đóng cửa chuyển đổi gây ra hiện tượng feedthrough thiết lập lại, kết quả của các khớp nối điện dung qua MOSFET Sau khi phân rã, feedthrough tụ điện sẽ phản ánh mức điện áp tham chiếu.
Khi các tụ điện được thiết lập lại, quá trình chuyển đổi sẽ diễn ra, cho phép pixel được chuyển giao cho các tụ điện, từ đó biến đổi điện áp của chúng.
Độ nhạy là một đặc điểm kỹ thuật quan trọng của các yếu tố CCD, được đo bằng điện áp đầu ra đạt được cho mỗi electron, với công thức S V = V OUT /e Đối với tụ điện 0.1pF, điện áp đầu ra tương ứng là -1.6V cho mỗi electron Tuy nhiên, theo nguồn thông tin, mức tăng này chỉ đạt dưới 1, khoảng 0,8.
2.2.2 Hạn chế hiệu năng hệ thống
Giới hạn dưới của dải động trong hệ thống hình ảnh bị ảnh hưởng bởi tầng nhiễu, vì vậy việc hiểu rõ các nguồn nhiễu là rất quan trọng để tối ưu hóa phạm vi hoạt động và đầu vào của bộ chuyển đổi A/D Các nguồn nhiễu chính bao gồm kỹ thuật số feedthrough và nhiễu KT/C từ chuyển đổi thiết lập lại FET MOSFET cũng tạo ra nhiễu nhấp nháy (1/f) và nhiễu trắng (nhiệt), trong khi mỗi điện trở là nguồn phát sinh nhiệt/nhiễu trắng Hạn chế khác đến từ nhiễu lượng tử hóa của bộ chuyển đổi A/D, được tính bằng phương trình q/12, với q là kích thước bit Ví dụ, bộ chuyển đổi 10 bit với vùng đầu vào 2V có kích thước bit 1.953mV, dẫn đến nhiễu lượng tử hóa là 564µVrms Để giảm thiểu hạn chế này, việc sử dụng bộ chuyển đổi A/D có độ phân giải cao hơn, như 12 bit, là một giải pháp hiệu quả.
Một ví dụ khác cho một nguồn nhiễu là dòng tần số 50Hz hoặc 60Hz.
29 download by : skknchat@gmail.com
Hình 2.5 Nhiễu giai đoạn đầu ra
Nhìn một lần nữa trong giai đoạn đầu ra của CCD, chúng ta có thể xác định các nguồn nhiễu khác nhau đã thảo luận trước đó.
Nhiễu Reset, hay còn gọi là nhiễu KT/C, là nhiễu nhiệt từ các kháng kênh (RON) của switch FET (SW) Nhiễu này thường có giá trị tiêu biểu từ 100-300 electron (rms) và là giới hạn quan trọng trong việc phát hiện các tín hiệu nhỏ.
Kết luận
Camera CCD cơ bản có thiết kế cho thấy nhiều chức năng xử lý tín hiệu diễn ra bên ngoài cảm biến, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng lớn Mặc dù vậy, camera CCD vẫn được ưa chuộng nhờ chất lượng hình ảnh vượt trội.
48 download by : skknchat@gmail.com
