Màn hình CCD
MỤC LỤC I. C M BI N NH CCDẢ Ế Ả .1 II.NGUYÊN T C V T LÝẮ Ậ 2 III. NGUYÊN T C HO T NG C A CCDẮ Ạ ĐỘ Ủ .3 1.Chu i c m bi n CCDỗ ả ế 3 2.Ma tr n CCDậ 4 III. CCD MÀU 5 IV. NG D NG C A CCDỨ Ụ Ủ .6 1.Quan tr c thiên v nắ ă .6 2.Quan sát h ng ngo iồ ạ 6 3.Nhi p nh sế ả ố .6 IV. SO SÁNH CCD VÀ CMOS .6 1. Gi i thi u qua v CMOSớ ệ ề .6 2. So sánh hai lo i CMOS v CCDạ à 7 V.K T LU NẾ Ậ 7 I. CẢM BIẾN ẢNH CCD Ngày nay, các thiết bị cảm biến ảnh đã thành một bộ phận không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực trong các lĩnh vực như : thiên văn, quan sát đêm và đặc biệt là nhiếp ảnh số. Khi tiến vào thời đại số thì ngành nhiếp ảnh đã phát triển theo hai Hình 1: Cấu tạo 1 phần tử CCD hướng lấy cảm biến CCD và CMOS làm trọng tâm cho sự phát triển. Hai loại cảm biến này đều có những ưu, nhược điểm riêng đều do bản chát của các mạch logic tổ hợp, nhưng các kỹ sư đã cải tiến liên tục làm cho các cảm biến của cả hai loại này khác rất nhiều so với thời điểm ra đời. CCD là tên viết tắt tiếng anh có nghĩa là thiết bị tích điện kép có khả năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và được đưa tuần tự ra ngoài dưới sự điều khiển của tín hiệu đồng hồ hệ thống. Eugence F.Lally của phòng thí nghiệm Jet Propulsion viết một báo cáo xuất bản vào năm 1961, “ Mosaic Guidance for Interplantery Travel “ , minh hoạ một na trận khảm những bộ thu quang học để tạo một ảnh chụp sử dụng xử lý số. Nhiếp ảnh số khởi đầu từ báo cáo này và mở ra giai đoạn phát triển mới của camera số. Ma trận CCD được phát minh vào 1969 bởi Willard Boyle và George E.Smith tại phòng thí nghiệm AT&T Bell. Phòng thí nghiệm này đã nghiên cứu sự truyền ảnh và sự phát triển của bộ nhớ bán dẫn bọt từ. Bản chất của thiết kế là khả năng dịch chuyển điện tích dọc theo bề mặt chất bán dẫn. CCD bắt đầu như một thiết bị lưu trữ , phun điện tích vào một bọ ghi. Tuy nhiên, ngay lập tức người ta nhận ra rằng CCD có thể nhận được sự tích nạp qua hiệu ứng quang điện và những ảnh điện tử có thể được tạo ra. Năm 1969, những nhà nghiên cứu tại Bell đã có thể bắt ảnh với những thiết bị tuyến tính đơn giản như vậy CCD đã sinh ra. II.NGUYÊN TẮC VẬT LÝ Vùng cảm quang của CCD thường là 1 lớp eptaxy của sillic. 2 Nó như một lớp pha tạp p bám vào một lớp pha tạp mạnh p++. Những vùng nhất định của bề mặt sillic là ion được khuếch tán phopho, được tạo thành 1 lớp pha tạp n-. Vùng này xác định kênh tạo điện tích truyền. Cổng oxit là chất điện môi tụ điện, được bám chắc vào đỉnh của lớp epitaxy và đế. Sau này trong quá trình polysilicon cổng được thiết lập bởi sự biến thiên hơi hoá học, lấy mẫu với phép in ảnh thạch bản ( sự tráng phim) và được bằng axit. Những kênh xa hơn nữa được xác định bằng sử dụng quá trình LOCOS để tạo vùng dừng kênh. Kênh dừng là những oxit khuếch tán nhiệt để cô lập điện tích. Những kênh dừng này được tạo thành trước cổng polisilicon, trong khi LOCOS dùng một nhiệt độ cao mà phá huỷ vật chất cổng. Kênh dừng có một vùng p++ nằm ở dưới, tạo thành một hàng rào với những điện tử trong những gói. Một điều cần lưu ý sự định thời của cổng, giữa mức cao và mức thấp là do kênh chôn n và lớp epitaxy p. Điều này sẽ khởi tạo CCD, gần tiếp giáp p-n và di chuyển những gói tích nạp dưới cổng và bên trọng những kênh của thiết bị. III. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CCD 1.Chuỗi cảm biến CCD Khi gắn một chuỗi các phần tử cảm biến CCD. Ban đầu khi chiếu một bức xạ lên bề mặt phần tử CCD gây ra hiện tượng quang điện. Trong phần tử CCD xuất hiện các điện tích và lỗ trống. 3 Hình 2: Cách dịch chuyển tín hiệu theo dãy Khi thiên áp đặt lên cực cổng các lỗ trống khuếch tán vào đế đi ra ngoài nhưng lại giam hãm các điện tử ở bên dưới của lớp oxit . Bức xạ chiếu đến càng lớn thì càng nhiều điện tử bị giam ở đây giống như một giỏ đựng điện tử vì các cực cổng bên cạnh có thiên áp ngược đống vảitò giào thế.Nói cách khác các điện tử sinh ra bị nhốt ở đây đã ghi lại thông tin về cường độ bức xạ chiếu tới. Bây giờ ta sẽ xem quá trình chuyển thông tin ra ngoài cho quá trình xử lý dữ liệu. Giản đồ mô tả 3 pha của quá trình này.Nhìn vào giản đồ thời gian ta có thể phân tích như sau. Ở thời điểm ban đầu phần tử CCD2 và CCD4 không chưa điện tích và đóng vai trò rào thế, còn phần tử CCD1 và CCD3 có điện tích bị giam lại sau khi đã xảy ra hiện tượng quang điện. Sau xung thứ 2 rào thế giữa CCD1 và CCD2, CCD3 và CCD4 được hạ thấp. Các điện tích sẽ được dịch chuyển sang từ CC1 sang 2, CCD3 sang CCD4. Sau xung thứ 2 thì điện tích từ CCD1, CCD3 chuyển hoàn toàn sang CCD2, CCD4. Như vậy ta thấy các điện tích đã dịch chuyển tuần tự dọc theo các CCD dưới sự tác dụng của xung hệ thống. 2.Ma trận CCD 4 Sensor ảnh thiết bị điện tích kép Sensor ảnh thiết bị điện tích képMáy quay ( mạch in ) Chuyển đổi photon – điện tử Chuyển đổi điện tử - điện thế Chuyển đổi tương tự - số Khuếch đại Điều khiển xung Tạo thiên áp Điều khiển dòng Bộ tạo khung Bộ tạo xung Bộ dao động Chỉ một chuỗi phần từ CCD thì không có ứng dụng thực tế. Người ta đã bố chí nhiều chuỗi CCD để được ma trận. Khi có xung hệ thống các điện tích sẽ được dịch chuyển tuần tự các điện tích trên các CCD ra hang ngoài cùng để từ đó các điện tích được đưa vào các tụ điện. Sau đó , tín hiệu của toàn bộ ma trân CCD sẽ được tái hiện trong bộ nhớ thiết bị. III. CCD MÀU Ở trên ta chỉ xét các cảm biến CCD nói chung và phần lớn đấy chỉ là cảm biến tín hiệu quang thể hiện dưới dạng sáng tối, hay nói cách khác nó chỉ cho ảnh đen trắng. Thực tế yêu cầu cần có các bức ảnh màu, để giả quyết vấn đề này người ta đã tạo ra các lớp có khả năng lọc màu sắc trên ma trận CCD.Như ta biết trong tái tạo màu sắc thì chỉ cần 3 mầu cơ bản đỏ, lục và lam khi tổ hợp với nhau theo một cách nào đó là có thể thể hiện được tất cả màu con người đã biết trong tự nhiên. Ánh sáng có màu khác nhau là có bước sóng khác nhau. Người ta đã chế tạo các lớp mà chỉ có thể giải phóng điện tử sinh ra khi chiếu một trong ba màu trên 5 Sensor CCD/CMOS truyền thống Sensor CCD/CMOS truyền thống Một điểm ảnh Một điểm ảnh Một điểm ảnh Một điểm ảnh Ba điểm ảnh Ba điểm ảnh Một điểm ảnh Một điểm ảnh Sensor Foveon X3 ảnh trực tiếp Sensor Foveon X3 ảnh trực tiếp Hình 4: Cấu trúc các điểm ảnh Hình 3: Cách tạo ảnh Có hai giải pháp để chế tạo các lớp nhận biết các màu. Cách thứ nhất là trên mỗi điển ảnh là ba CCD nhận 3 mày đỏ, lục, lam xếp trồng lên nhau. Cách thứ 2 là có 3 CCD riêng biệt để nhận biết 3 màu nhưng đặt kề nhau. Các thông tin trên cũng được đưa tuần tự ra ngoài để xử lý. IV. ỨNG DỤNG CỦA CCD 1.Quan trắc thiên văn Khi hạ nhiệt độ của CCD xuống nhiệt độ rất thấp khoảng 160K nó có thể quan sát được các vật thể vũ trụ có ánh sáng rất yếu do đã hạn chế nhiễu nhiệt độ, còn gọi một cách khác là dòng tối. 2.Quan sát hồng ngoại Đa số các CCD đều nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại, phù hợp với nhiếp ảnh hồng ngoại, thiết bị nhìn đêm, nhiếp ảnh video. 3.Nhiếp ảnh số Cảm biến ảnh là con mắt của máy ảnh số và camera số ngày nay. Nó là nhân tố quan trọng quyết định chất lượng bức ảnh. Ngoài ra còn kể đến cách chụp ảnh của người chụp ảnh. IV. SO SÁNH CCD VÀ CMOS 1. Giới thiệu qua về CMOS CMOS là một mạch tổ hợp dựa trên sự tổ hợp của loại transitor pMOS và nMOS . Trong cổng logic CMOS, các nMOS sắp thành dạng mạch kéo xuống nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấp nguồn điện áp thấp, thường được kí hiệu là Vss. Thay vì dùng tải là điện trở như phần tử logic nMOS, phần tử logic CMOS lại dùng một số pMOS thành mạch kéo lên giữa đầu ra của cổng với đường cung 6 cấp nguồn điện áp cao, thường ký hiệu là Vdd. Mạch kéo lên gồm các mạch kéo lên bỏ túc cho mạch kéo xuốngm sao cho khi nMOS tắt thì pMOS hoạt động hoặc ngược lại. Mạch logic CMOS tiêu tán công suất ít do chỉ tiêu tán công suất trong thời gian chuyển đổi trạng thái. Một ASIC điển hình được chế tạo với công nghệ 90nm thay đổi trạng thái đầu ra trong thời gian 120 ps, sự chuyển đổi xảy ra trong mỗi thời gian 10ns. Do mỗi pixel trong cảm biến CMOS có vài transitor nên có độ nhạy thấp, mật độ thấp hơn, nhưng chỉ hoạt động khi chuyển trạng thái nên tiêu thụ công suất thấp hơn CCD 2. So sánh hai loại CMOS và CCD Đặc tính CCD CMOS Dạng tín hiệu xuất ra Các gói năng lượng Điện áp Tín hiệu Dạng tương tự Dạng số Nhiễu hệ thống Thấp Trung bình Chi phí nghiên cứu Thấp Cao Tốc độ đáp ứng Thấp Cao V.KẾT LUẬN Trong khuôn khổ tìm hiểu các cảm biến ảnh CCD thì em cũng đã tìm hiểu thêm về cảm biến ảnh CMOS. Qua quá trình so sánh hai loại cảm biến này thì, chúng có những ưu điểm, nhược điểm riêng của bản chất cấu trúc, do sự hậu thuẫn của các tập đoàn nên các ưu điểm của chúng được nâng lên , điều này rất khó để kết luận là loại nào ưu điểm tuyệt đổi. CCD có xu hướng dùng trong các máy ảnh rẻ tiền, không đòi hỏi chất lượng cao trong khi CMOS lại dùng trong các máy ảnh chất lượng cao và đắt tiền. 7 . giữa CCD1 và CCD2 , CCD3 và CCD4 được hạ thấp. Các điện tích sẽ được dịch chuyển sang từ CC1 sang 2, CCD3 sang CCD4 . Sau xung thứ 2 thì điện tích từ CCD1 , CCD3 . như sau. Ở thời điểm ban đầu phần tử CCD2 và CCD4 không chưa điện tích và đóng vai trò rào thế, còn phần tử CCD1 và CCD3 có điện tích bị giam lại sau khi