CẢM BIẾN HÌNH ẢNH CMOS, CCD VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN HÌNH ẢNH CMOS, CCD VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG Nhóm: STT Họ tên lót Phạm Anh Nguyễn Minh Lê Minh Tên Đạt Cường Quân MSSV 1911025 1912512 Email dat.pham2001@hcmut.edu.vn TP HCM, ngày 28 tháng 11 năm 2021 Lời nói đầu: Hình ảnh nguồn thông tin vô quan trọng người, thơng tin mà người trực tiếp tiếp thu từ môi trường bên ngồi Từ lâu, nghiên cứu cơng cụ để giúp ta lưu trữ hình ảnh mà ta tiếp nhận Ban đầu, người biết đến việc lưu giữ hình ảnh mà họ thấy thơng qua hình vẽ Các hình vẽ khơng mang độ xác cao, cơng cụ lưu giữ hình ảnh hữu hiệu lúc Đến kỉ XI, máy ảnh định hình Trải qua nhiều thời kì, người cải tiến máy ảnh nhằm thu hình ảnh chất lượng, mang thơng tin xác Đến tại, thị trường hình ảnh bị thống trị máy ảnh kỹ thuật số Ảnh kỹ thuật số có mặt hầu hết thiết bị thu phát hình ảnh Đây cách mạng mặt hình ảnh, mà máy ảnh kỹ thuật số thu thơng tin xác đối tượng cho phép phát triển vơ số cơng nghệ dựa hình ảnh Giờ đây, hình ảnh khơng dùng để người lưu giữ thông tin, mà cịn đóng vai trị vơ quan trọng lĩnh vực cơng nghệ có u cầu kỹ thuật cao Yếu tố quan trọng để làm nên máy ảnh kỹ thuật số cảm biến hình ảnh tích hợp máy ảnh Qua q trình phát triển khơng ngừng, cảm biến hình ảnh phát triển nhiều mức độ Tuy nhiên, phân loại chúng thành loại chính: Complementary metal –oxide – semiconductor (CMOS) Charge Coupled Device (CCD) Đây hai loại cảm biến quan trọng, chiếm lĩnh thị trường cảm biến hình ảnh khơng dân dụng mà cịn cơng nghiệp Chính phổ biến hai loại cảm biến hình ảnh này, để làm rõ khả ứng dụng chúng vào công việc khác nhau, nhóm chúng em định thực đề tài: “Cảm biến hình ảnh CMOS, CCD ứng dụng chúng” Mặc dù nhóm cố gắng hết khả mình, sai sót q trình thực khơng thể tránh khỏi, nhóm chúng em mong nhận nhận xét, đánh giá từ thầy để làm rõ đề tài Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Mục lục: Mục lục ảnh: Hình 1: Cảm biến hình ảnh CMOS gắn chipset camera Hình 2: Quá trình hình thành phát triển dịng MOS imagers Hình 3: Cấu tạo bên CMOS Hình 4: Sơ đồ nguyên lý Passive pixel sensor Hình 5: Sơ đồ nguyên lý active pixel sensor Hình 6: Khả chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện photodiode Hình 7: Cấu tạo điểm ảnh Hình 8: Phương thức lưu trữ tín hiệu thu Hình 9: Bộ lọc màu Bayer Hình 10: Các hình LED lớn đường phố New York, Mỹ Hình 11: Khái quát hệ thống gắn thẻ ID quang học Hình 12: Hệ thống giao tiếp khơng dây quang học Hình 13: Các ví dụ điển hình hệ thống phát chip cảm biến CMOS Hình 14: Viên nén nội soi với chiều dài 26mm đường kính 11mm Hình 15: CMOS chipset cấy sau võng mạc để dựng lại hình ảnh Hình 16: CMOS Chipset Hình 17: Hình ảnh bên ngồi cảm biến CCD Hình 18: Sơ đồ cấu tạo chung cảm biến CCD Hình 19: Sơ đồ mơ tả chuyển dịch điện tích chiều Hình 20: Sơ đồ mơ tả chuyển dịch điện tích chiều Hình 21: Sơ đồ ba cách phổ biến mà điện tích chuyển từ CCD Hình 22: Deep - Depletion CCD dị bước sóng cận hồng ngoại so với loại thơng thường  Hình 23: Ứng dụng CCD chụp cắt lớp tia X Hình 24: Hình ảnh thời gian tồn huỳnh quang tế bào Hình 25: Cấu tạo kính hiển vi quang học có gắn CCD camer Hình 26: Hình ảnh Deep-Sky thu từ kính viễn vọng sử dụng cảm biến CCD Chương 1: Cảm biến hình ảnh CMOS Giới thiệu CMOS image sensor: Cảm biến hình ảnh Complementary metal – oxide – semiconductor (CMOS) dạng cảm biến hình ảnh chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện, đối tượng phát triển mạnh mẽ, với cảm biến hình ảnh charge couple device (CCD), dẫn đầu ngành cảm biến hình ảnh thời gian dài Giờ đây, CMOS không sử dụng rộng rãi ngành điện tử dân dụng là: máy ảnh kỹ thuật số (DCS), máy ảnh điện thoại, máy quay cầm tay, máy ảnh DSLR, mà cịn sử dụng cho thiết bị ghi hình (cameras) dùng tự động hóa, nghiên cứu, robot, v.v Khơng vậy, ứng dụng chuyên sâu CMOS lĩnh vực công nghệ sinh học y học phát triển mạnh mẽ, nhiều số ứng dụng đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao như: dải tầng nhạy sáng rộng (wide dynamic range), tốc độ cao độ nhạy cao Trong ứng dụng khác lại yêu cầu chức khác như: theo dấu đối tượng thời gian thực, tìm kích thước khơng gian ba chiều,… Hình 1: Cảm biến hình ảnh CMOS gắn chipset camera Sự đời dịng MOS imagers: Q trình hình thành phát triển dịng cảm biến hình ảnh MOS lúc cảm biến hình ảnh bán dẫn (solid – state images) sử dụng để thay ống tăng cường hình ảnh (image tubes) Với cảm biến hình ảnh bán dẫn, có bốn chức dễ dàng nhận biết: phát ánh sáng (light detection), lưu trữ ánh sáng để tạo tín hiệu (accumulation of photo – generation signals), đọc tín hiệu thu nhận (switching from accumulation to readout) quét hình ảnh (scanning) Chức quét sử dụng hệ trục tọa độ X-Y với cảm biến hình ảnh sử dụng liên kết silicon (silicon-junction photosensing device) đề xuất vào thời kì đầu thập niên 1960 S.R Morrison Honeywell với tên “photoscaner” J.W Horton cộng IBM với tên “scansistor” P.K Weimer cộng đề xuất cảm biến hình ảnh bán dẫn với mạch điện dùng để quét sử dụng transistor màng mỏng (thin – film transistor) Trong thiết bị này, cuộn phim quang dẫn sử dụng cho cảm biến quang Tại NASA, M.A Schuter G Strull sử dụng phototransistor (PTrs) cảm biến quang, công tắc để nhận dạng vị trí X Y Họ thành công thu ảnh với tạo từ cảm biến có độ lớn 50 × 50 điểm ảnh (pixels) Chức lưu trữ ốt quang chức quan trọng cảm biến hình ảnh MOS Chức ban đầu đề xuất G.P Weckler Fairchild Semiconductor Trong đề xuất mình, nguồn MOSFET sử dụng ốt quang, cấu trúc thường sử dụng để giới thiệu cảm biến CMOS Weckler sau xây dựng chứng minh cấu trúc sử dụng cảm biến hình ảnh 100 × 100 điểm ảnh Kể từ đó, nhiều loại cảm biến hình ảnh bán dẫn đề xuất cải tiến Cảm biến hình ảnh bán dẫn cải tiến P.J Noble Plessey xem gần tương đồng với cảm biến hình ảnh MOS cảm biến điểm ảnh thụ động ( passive pixel sensor), bao gồm ốt quang công tắc bán dẫn MOS (switching MOS transistor) điểm ảnh X – Y khuếch đại điện tích Noble phát biểu tính khả thi việc tích hợp mạch logic vi mạch nhận dạng mẫu, tiên đốn cảm biến CMOS thông minh (smart CMOS sensor) Hình 2: Quá trình hình thành phát triển dòng MOS imagers Cấu tạo CMOS: Một cảm biến hình ảnh CMOS thường vùng ảnh (imaging area), bao gồm ma trận điểm ảnh (array of pixel), mạch liên kết hàng cột (access circuitry), mạch đọc (readout circuit) mô tả hình đây: Hình 3: Cấu tạo bên CMOS Vùng ảnh ma trận hai chiều điểm ảnh, với điểm ảnh bao gồm cảm biến quang vài transistor Ma trận thành phần quan trọng cảm biến hình ảnh chất lượng hình ảnh tạo định tính chất vùng Mạch liên kết sử dụng nhằm liên kết điểm ảnh lại với đọc giá trị thu pixel Thông thường, máy quét (scanner) hay máy ghi thay đổi (shift registor) sử dụng có mục đích rõ ràng dịch mã sử dụng để kết nối pixels cách ngẫu nhiên, thường phổ biển cảm biến thông minh Mạch đọc ma trận chiều bao gồm công tắc mạch lấy mẫu giữ (sample and hold circuit) Mạch lọc nhiễu (noise cancel circuit) tương quan hai mẫu (correlated double sampling) tích hợp trọng mạch Các loại CMOS image sensor: Có hai loại CMOS bản, là: passive pixel sensor active pixel sensor 4.1 Passive pixel sensor (PPS): Cảm biến chứa điểm ảnh thụ động (Passive pixel sensor,PPS) Weckler giới thiệu vào năm 1967 Điểm ảnh PPS bao gồm ốt quang MOSFET Trong đó, MOSFET đóng vai trị transistor vị trí mà mang chức định vị điểm ảnh ma trận Các điểm ảnh đọc cách dùng giải mã hàng cột Hình 4: Sơ đồ nguyên lý Passive pixel sensor 4.2 Active pixel sensor (APS): Vào năm 1992, phịng thí nghiệm Jet Propulsion NASA, Fossum giới thiệu cảm biến điểm ảnh chủ động (active pixel sensor) APS có nhiều transistor nhằm phục vụ mục đích làm ổn định (buffer) khuếch đại (amplify) tín hiệu đọc tín hiệu ngõ thơng qua tín hiệu điện áp Các transistor chủ động làm tăng cường tín hiệu ốt quang thu đến cột tổng hợp, giải vấn đề nhiễu loại PPS Do vậy, APS sử dụng nhiều PPS ưu điểm nhiễu mà mang lại Hình 5: Sơ đồ nguyên lý active pixel sensor Nguyên lý hoạt động CMOS: Để thấy hình ảnh, mắt cần phải tiếp nhận ánh sáng Như vậy, đặc trưng cần có hình ảnh ánh sáng Để lưu trữ hình ảnh, ta cần phải biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, chức cảm biến hình ảnh CMOS Để chuyển đổi được, ta cần phải xác định đâu tín hiệu ánh sáng chuyển đổi thành tín hiệu điện Trong hầu hết CMOS, việc dò ánh sáng thường dựa hoạt động ốt quang (photodiode) Dựa khả cho dòng điện qua tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng, photodiode tỏ hiệu việc biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, mà cách thức ánh sáng tiếp cận mắt thông qua cường độ ánh sáng Hình 6: Khả chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện photodiode Nguyên lý hoạt động trình chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện CMOS điểm ảnh diễn tả sau:  Khi bắt đầu chụp ảnh, tiếp nhận ánh sáng từ bên ngoài, photodiode phân cực ngược (nhằm thực chức mình) đến mức điện áp định (ví dụ: 3,3V)  Trong khoảng thời gian thu nhận ánh sáng, photon tác động đến photodiode, làm giảm từ từ hiệu điện phân cực ngược photodiode  Sau khoảng thời gian định, trình thu nhận ánh sáng kết thúc, lượng điện áp lại photodiode đo lường Dựa giá trị điện áp lại đó, người ta tính tốn lượng photon mà photodiode tiếp nhận khoảng thời gian thu nhận ánh sáng, từ biết cường độ sáng điểm ảnh  Để chu kì đo ánh sáng bắt đầu, photodiode cần phải khởi động lại lần Đây nguyên lý hoạt động chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện PPS Tuy nhiên, trình thường thu lại kết có nhiều nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Để hạn chế nhiễu trên, cải tiến điểm ảnh giới thiệu: điểm ảnh có riêng khuếch đại có nguồn kèm theo Cải tiến APS 10 PPS APS Hình 7: Cấu tạo điểm ảnh Sau tín hiệu điện thu nhận, việc CMOS sensor cần phải đọc tín hiệu Trong q trình này, tín hiệu điện hàng chuyển đổi chuyển đến tụ điện lưu trữ tín hiệu này, nhờ vào công tắc xác định vị trí pixel, pixel di chuyển hàng đến chuyển đổi ADC (analog digital converter) lưu trữ nhớ máy ảnh Hình 8: Phương thức lưu trữ tín hiệu thu Tuy nhiên, photodiode đo cường độ ánh sáng nhận được, để chụp ảnh màu, người ta sử dụng lọc màu, có nhiều thiết kế, kể đến Bayer với hệ màu RGB (red green blue) Trên pixel có lọc màu riêng, ba màu RGB Trên pixel phối trí màu, màu xanh nhạy cảm với mắt người nên có pixel màu xanh Sau nhận sáng, pixel gửi thông tin hệ thống xử lý, hệ thống xử lý xuất ảnh gốc gồm nhiều pixel màu ghép lại với nhau, sau qua thuật tốn nội suy màu thật pixel toàn ảnh 12 phát triển ứng dụng đèn LED vào thu phát hệ thống thông tin quan học không gian Giao tiếp quang học trực quang hệ thống Hình 10: Các hình LED lớn đường phố New York, Mỹ Hình 11: Khái quát hệ thống gắn thẻ ID quang học Trong LED hình LED lớn sử dụng làm thẻ ID quang học Đơn cử hệ thống Phicon, Aimulet Hệ thống phát triển để gửi nhận liệu cho người dùng Người dùng có thiết bị đầu cuối để theo dõi vị trí họ gửi nhận liệu từ trạm máy chủ Hệ thống sử dụng đèn LED hồng ngoại đèn tín hiệu quang học để chuyển tiếp vị trí người dùng gửi liệu Hệ thống thường dụng phương tiện thơng tin hữu ích để người dùng tìm kiếm thông tin viện bảo tàng triển lãm Mơ hình phát triển thử nghiệm triển lãm Aichi Expo Nhật Bản 6.1.2 Giao tiếp không dây quang học: Giao tiếp không dây quang học có lợi nhiều so với giao tiếp thông thường sợi quang Việc lắp đặt hệ thống giao tiếp không dây quang học cần khoảng đầu tư nhỏ sử dụng giao tiếp, truyền thơng tin tịa nhà với Hệ thống có khả truyền thông tin tốc độ cao với tốc độ Gbps mang lại sử hiệu cực cao Hệ này không bị ảnh hưởng nhiều can 13 thiệp từ tín hiệu thiết bị điện tử nên dùng bệnh viện nơi quan trọng Hình 12: Hệ thống giao tiếp khơng dây quang học Hệ thống an tồn tính đa dạng hẹp Hệ thống giao tiếp khơng dây quang học phân thành nhiều loại mục đích sử dụng Tuy nhiên rộng rãi hết hệ thống giao tiếp không dây quang học sử dụng trời khoảng cách xa 10m Mục đích ứng dụng dành cho mạng LAN tòa nhà Các chùm tia quan học khơng gian trống dễ dàng kết nối hai điểm tòa nhà với tốc độ truyền tải liệu cao Mạng LAN nhà máy ứng dụng hệ thống tính nhiễu điện từ thấp cài đặt dễ dàng phù hợp với việc sử dụng môi trường ồn Nhiều sản phẩm thương mại hóa cho ứng dụng Việc sử dụng khoảng cách gần nhà phát triển nhiều hạn chế 6.2 Ứng dụng CMOS lĩnh vực công nghệ sinh học: Trong lĩnh vực này, ứng dụng cảm biến hình ảnh CMOS phát điểm sáng huỳnh quang (Fluorescence) Ban đầu thực camera CCD cài đặt bên hệ thống kính hiển vi quang học, sau thay cảm biến CMOS hiệu nhiều Việc đưa cảm biến CMOS vào cơng nghệ sinh học mang lại lợi ích định chức tích hợp thu nhỏ chúng Những cải tiến hệ thống tích hợp chip phát hiện, có nghĩ mẫu vật đặt trực tiếp lên bề mặt chip đo lường thống số huỳnh quang, điện thế, pH,… điện hóa thống số đo lường Chức tích hợp chức gần quan trọng cảm biến hình ảnh CMOS Đồng thời với tính thu nhỏ cảm biến CMOS làm giảm đáng kể kích thước hệ thống cho việc cấy hệ thống cảm biến thực phép đo nơi tính di động sau thu nhỏ 14 Hình 13: Các ví dụ điển hình hệ thống phát chip cảm biến CMOS Trong hình 13 (a), tế bào thần kinh “nhuộm”, tế thần kinh bị kích thích từ bên ngồi “thuốc nhuộm” phát huỳnh quang Từ đó, cảm biến CMOS nhận dạng vị trí tế bào thần kinh Trong hình 13 (b), hiển thị nhận dạng DNA cảm biến CMOS Trong hình 13 (c), trường hợp cảm biến tối ưu đủ nhỏ để cấy ghép vào não chuột để phát huỳnh quang nhận dạng tế bào thần kinh xung quanh 6.3 Ứng dụng CMOS lĩnh vực y tế: Trong lĩnh vực y tế cảm biến hình ảnh CMOS ứng dụng nhiều mặt nhiên nói đến ứng dụng viên nén nội soi phục hình võng mạc Tính khả thi cho việc sử dụng CMOS ống nội soi dạng viên nén yêu cầu hệ thống với khối lượng nhỏ khả tiêu thụ điện thấp ứng dụng phục hình võng mạc cần chip có khả kích thích điện tử để tạo dựng lại hình ảnh CMOS đáp ứng yêu cầu nêu Trong tương lai gần, lĩnh vực y tế ứng dụng quan trọng cảm biến hình ảnh CMOS Nội soi cơng cụ y tế để quan sát chuẩn đốn tình trạng quan dày ruột cách đưa vào thể theo đường tiêu hóa Ống nội soi dạng đẩy cấu tạo camera CCD với sợ thủy tinh dẫn ánh sáng để chiếu sáng vào khu vực quan sát Tuy vậy, ống nội soi dạng đẩy giới hạn ruột non đến dày ruột già Nội soi dạng viên nén sử dùng để tự 15 động di chuyển dọc theo quan tiêu hóa So với việc nội soi thơng thường nội soi dạng viên nén gây đau cho người sử dụng Hình 14: Viên nén nội soi với chiều dài 26mm đường kính 11mm Hình 15: CMOS chipset cấy sau võng mạc để dựng lại hình ảnh 6.4 Các ứng dụng khác cảm biến hình ảnh CMOS: Ngành công nghệ CMOS chip set sử dụng nhiều để sản xuất, chế tạo vi xử lý, CPU, chip vi điều khiển, nhớ RAM tĩnh mạch logic kỹ thuật số khác Trong ngành cơng nghiệp ứng dụng mạnh mẽ CMOS Chipset ngành máy ảnh kỹ thuật số, máy quay video kỹ thuật số camera quan sát kỹ thuật số Do chi phí sản xuất tương đối thấp, cảm biến CMOS ứng dụng phổ biến để tạo thiết bị tiêu dùng giá rẻ 16 Hình 16: CMOS Chipset Ngồi ra, cảm biến hình ảnh CMOS tìm thấy kính thiên văn, máy quét đầu đọc mã vạch Công nghệ quang học sử dụng thị giác máy cho robot, nhận dạng ký tự quang học (OCR), xử lý ảnh vệ tính tăng cường hình ảnh radar, đặc biệt khí tượng học 17 Chương 2: Cảm biến hình ảnh CCD: Giới thiệu cảm biến hình ảnh CCD: Cảm biến CCD (viết tắt Charge Coupled Device tiếng Anh có nghĩa “linh kiện tích điện kép“) cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện máy thu nhận hình ảnh, hai loại cảm biến dùng phổ biến máy thu ảnh kỹ thuật số CCD sử dụng camera video, webcam, máy ảnh kỹ thuật số, kính nhìn đêm (Night vision),… Phần tử quan trọng cảm biến CCD photodiode thực chuyển đổi ánh sáng sang điện tích Nó loại với photodiode Pin mặt trời Điểm khác chỗ chế dạng siêu nhỏ để thu nhận điểm ảnh ảnh chung, giải pháp kỹ thuật ảnh trung thực có thể, điểm quan trọng nhất: hoạt động theo chế ghi dịch mà nhờ thu hình ảnh dịng khơng cần nhiều đầu dây nối Hình 17: Hình ảnh bên ngồi cảm biến CCD Lịch sử hình thành phát triển CCD: CCD AT&T Bell Labs phát triển năm 1969 làm nhớ dạng ghi dịch Tuy nhiên, người ta nhanh chóng nhận linh kiện nhạy cảm với ánh sáng dễ dàng dùng cho thu nhận hình ảnh hai chiều Năm 1970, Michael F Tompsett Philips Research Labs phát triển cấp sáng chế (Patent 4.085.456) cảm biến CCD thu nhận hình ảnh Từ năm 1975 cảm biến CCD với số lượng pixel đủ cho camera TV sản xuất Từ 1983 cảm biến CCD sử dụng cho thu hình ảnh thiên văn học cho camera vệ tinh viễn thám Các nhà phát minh cảm biến CCD Willard Boyle George E Smith trao giải Nobel Vật lý năm 2009 Cấu tạo cảm biến CCD: Cảm biến CCD thực biến đổi ánh sáng tới thành tín hiệu điện nhờ photodiode mạch hỗ trợ Nó thiết kế chế tạo theo cơng nghệ vi mạch 18 hay công nghệ microchip, đơn tinh thể silicon, tương tự chip khác xử lý trung tâm (CPU) máy tính, chip nhớ,… Bề mặt chip CCD mảng pixel điện tử để thu nhận hình ảnh Ví dụ chip CCD có kích thước 2.5 x 2.5 cm có 1024×1024 2048 x 2048 pixel bề mặt Cảm biến CCD gồm pixel dùng để lưu giữ điện tích sinh hiệu ứng quang điện, pixel đặt vào nguồn điện (cổng), điện áp nguồn thay đổi để di chuyển điện tích bên pixel, điện tích di chuyển vào tụ, tạo thành điện áp, sau khuếch đại lên khuếch đại, trở thành tín hiệu tương tự sau chúng đưa vào chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (digital-to-analog converter (DAC)) thu ảnh Hình 18: Sơ đồ cấu tạo chung cảm biến CCD (các vng pixel, cịn chấm trịn điện tích) Nguyên lý hoạt động cảm biến CCD: Khi bề mặt kim loại chiếu xạ điện từ có tần số lớn tần số ngưỡng (tần số ngưỡng giá trị đặc trưng cho chất làm nên kim loại này), sau hấp thụ lượng từ photon từ sinh điện tích, số lượng điện tích tùy vào mức photon Nhờ có bố trí trình tự cấp điện hợp lý chuyển chùm điện tích Ví dụ hình xét chiều, để đưa điện tích từ cổng I (hình 1a bên trái) sang cổng III (hình 1c bên trái), cổng II tích điện dương với cổng I tích điện dương trước đó, điện tích ban đầu cổng I phân bố cổng I II (hình 1a bên phải), cổng I ngừng tích điện tồn điện tích chuyển cổng II(hình 1b bên trái) Quá trình diễn tương tự điện tích qua cổng III (hình 1c bên trái) 19 Hình 19: Sơ đồ mơ tả chuyển dịch điện tích chiều Trưởng hợp điện tích phân bố mặt phẳng hai chiều, quy tắc di chuyển điện tích tương tự với chiều thơng qua việc cấp điện cách hợp lý Nguyên lý hoạt động mơ tả hình Các điện tích di chuyển dọc xuống cảm biến đến đọc (vị trí nằm bên trái output)(từ Hình 2A đến Hình 2C) Tại đọc, điện tích di chuyển theo chiều ngang vào output (Hình 2D) Sau đó, chuyển sang tụ điện, khuếch đại chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (digital-to-analog converter (DAC)), cuối thu ảnh               20 Hình 20: Sơ đồ mơ tả chuyển dịch điện tích chiều     Khi nhờ thứ tự điện tích thu đầu mà thu hình ảnh xác vật thể, nhiên CCD có số hạn chế như:  Chỉ có output nhất, điện tích bắt buộc phải qua vị trí output để từ đến tụ điện, khuếch đại DAC, điện tích từ pixel thu bị nhiễu  Điện tích di chuyển q nhanh đẩy nhau, làm cho thông tin thu bị sai lệch, để khắc phục điều điện tích di chuyển chậm lại nhiên tốc độ giảm  Cứ lần lấy tín hiệu ảnh, CCD phải điện tích tín hiệu ảnh xác được, để khắc phục hạn chế CCD có lắp thêm che để ngăn việc tiếp tục nhận photon q trình xóa điện tích cũ Một số dạng khác Từ hạn chế số biến thể khác CCD đời, hình loại CCD khác Full Frame (hình 3A) đề cập trước nên nhóm mơ tả hai loại cịn lại 21 Hình 21: Sơ đồ ba cách phổ biến mà điện tích chuyển từ CCD  Frame Transfer: Cấu tạo (Hình 3B) vùng xám (vùng lưu trữ) vùng trơ với ánh sáng, vùng gây điện tích khơng hấp thụ photo, Sau vùng trắng (vùng nhận tín hiệu) tiếp xúc với photon, tồn điện tích nhanh chóng chuyển xuống vùng xám (mũi tên màu đen) để lưu trữ, tín hiệu bảo vệ khơng hấp thụ photon Khi đó, tín hiệu vùng xám (vùng lưu trữ) phiên dịch, vùng sáng tiếp thu tín hiệu photon sau chuyển hết điện tích cho vùng xám Cho phép hoạt động thu nhận tín hiệu tốc độ cao mà không cần che Full Frame Nhược điểm loại di chuyển điện tích nhanh từ trắng xuống xám khiến điện tích đẩy nhau, khiến chúng bị trộn lẫn  Interline Transfer: Cấu tạo hình 3C, pixel phân đơi thành hai vùng: vùng trắng (vùng nhận tín hiệu) xám (vùng lưu trữ), tín hiệu sau thu từ vùng trắng (vùng nhận tín hiệu), điện tích thu di chuyển sang vùng xám (vùng lưu trữ) theo chiều mũi tên màu đen, việc di chuyển nhanh diễn pixel nhỏ so với Frame Transfer nên khắc phục nhược điểm mà Frame Transfer mang lại  Deep-Depletion CCD: khác với CCD thơng tường nhận biết photon có có bước sóng nhìn thấy (khoảng từ 380nm đến 760nm), bước sóng photon nhỏ, lớn thay đổi chiều sâu mà photon đến được, vùng tích điện khơng kịp nhận photon photon di chuyển q sâu trước kịp nhận Khi đó, CCD với cấu tạo silic dày giải vấn đề Ứng dụng Deep-Depletion CCD dùng để nhận biết ánh sáng khơng nhìn thấy 22 Hình 22: Deep - Depletion CCD dị bước sóng cận hồng ngoại so với loại thông thường  Ứng dụng Do tốc độ xử lý thông tin chậm tiêu thụ điện cao cảm biến CMOS, nên ngày nay, CCD khơng cịn ứng dụng camera điện thoại smartphone hay máy ảnh kỹ thuật số Mặc dù vậy, nhờ vào việc tạo hình ảnh chất lượng cao với nhiễu méo mó, cảm biến CCD ứng dụng nhiều cho việc nghiên cứu khoa học lĩnh vực: khoa học sống, thiên văn học, y học, Những máy ảnh hay máy dò dựa cảm biến CCD ứng dụng nhiều hệ thống kính hiển vi Một vài ví dụ lĩnh vực khoa học sống là: khả chụp ảnh tế bào với cải tiến tương phản áp dụng, khả thu thập mẫu hình ảnh pha tạp chất hóa học huỳnh quang (fluorophores), Ngồi cịn sử dụng hệ thống chụp cắt lớp tia X tiên tiến để chụp ảnh cấu trúc xương mẫu mô mềm Bên cạnh lĩnh vực khoa học sống, kính hiển vi quang học dựa CCD cịn dùng lĩnh vực hóa học, kỹ thuật, chí cơng nghệ nano Hình 23: Ứng dụng CCD chụp cắt lớp tia X Thiết lập công cụ cho hệ thống chụp cắt lớp quang học khuếch tán (DOT) hình ảnh DOT thu từ phụ nữ 53 tuổi bị ung thư biểu mô ống dẫn trứng xâm lấn 2,2 cm (kích thước dài nhất) Dưới bên trái mô 23 tả vùng khối u ba chiều (màu đỏ) Hình ảnh rHb, rHbO rStO tương đối (tức tỷ lệ khối u bình thường) deoxyhemoglobin nồng độ oxyhemoglobin oxy hóa mơ, tương ứng Đường liền nét màu đen hình ảnh cho biết khu vực xác định khối u Miền tần số FD, camera thiết bị tích hợp sạc CCD  Hình 24: Hình ảnh thời gian tồn huỳnh quang tế bào Dữ liệu hình ảnh thời gian tồn huỳnh quang hai dòng tế bào người: CCD 841 CoTr (bên trái) HT-29 (bên phải), nuôi cấy không bổ sung bổ sung AmB nồng độ 2,5 µg / ml 10 µg / ml (đã đánh dấu) Tế bào nuôi cấy phủ thủy tinh chụp ảnh lam tương tự (tại chỗ) Các bảng bên trình bày kết phân tích chi tiết thời gian tồn huỳnh quang hình ảnh trình bày Chiều cao thể phần đóng góp theo tỷ lệ thành phần tuổi thọ Các mã màu tương ứng với địa hóa thành phần lâu dài hình ảnh: xanh lục 1,1 ns, đỏ 3,3 ns xanh lam 0,6 ns.  CCD sử dụng kính hiển vi quang học chúng sở hữu 10 triệu điểm ảnh, cho phép nhìn rõ nhiều mẫu, tỷ lệ nhiễu thấp, khả hiển thị màu sắc, độ nhạy cao độ phân giải khơng gian cao, tất góp phần vào hình ảnh chất lượng cao cần thiết cho khoa học đại Một tính quan trọng khác CCD nhanh chóng chụp ảnh mẫu, điều cần thiết để phân tích q trình vi mơ xảy mẫu, mẫu Trong kính hiển vi ngày nay, camera CCD sử dụng thường có dải tần từ 0,1 đến 20 MHz 24 Hình 25: Cấu tạo kính hiển vi quang học có gắn CCD camera Cũng nhìn nhỏ, CCD sử dụng thiết bị chụp ảnh thiên thể lớn xa CCD sử dụng ứng dụng thiên văn từ năm 1970 Một ví dụ nói điều sử dụng để chụp ảnh thiên hà Andromeda (cũng thiên thể khác vùng lân cận với Andromeda) Tuy nhiên, khơng có giới hạn chụp ảnh phương pháp này, tất sao, hành tinh, thiên thạch vật thể nhỏ khác phản chiếu ánh sáng chụp ảnh CCD sử dụng lâu khơng gian thiên văn chúng có hiệu suất lượng tử cao phát mức độ nhiễu cực thấp, có nghĩa chất lượng hình ảnh tạo lớn nhiều so với phương pháp khác Nhiều công nghệ dựa CCD phát tia X tia hồng ngoại (IR), làm cho chúng trở nên lý tưởng cho ứng dụng thiên văn học nơi ánh sáng nhìn thấy bị hạn chế có sóng điện từ khác Hình 26: Hình ảnh Deep-Sky thu từ kính viễn vọng sử dụng cảm biến CCD 25 Chương 3: So sánh cảm biến CMOS cảm biến CCD Đặc điểm CMOS Tích hợp CMOS chế tạo theo cơng hệ thống nghệ mạch tích hợp nên tích hợp thành phần ngoại vị mạch Do làm kích thước nhỏ gọn so với CCD CCD Do công nghệ chế tạo lâu đời, nên CCD khơng thể tích hợp thêm thành phần ngoại vi: ADC, timer, Vì CCD cần phải gắn thêm chip, điều làm tăng kích thước cảm biến Tiêu thụ Chỉ cần nguồn cấp Cần nhiều nguồn khác có điện Điện áp cấp cho CMOS: 3.3 - 5V nhiều chip Điện áp thường cấp cho CCD lớn: - 10V Tốc độ xử lý Mỗi pixel CMOS tự biến Do trình chuyển đổi điện tích từ đổi điện tích thành điện áp nên pixel thành điện áp thực tốc độ xử lý CMOS nhanh nên tốc độ xử lý CCD chậm Độ nhiễu Do pixel CMOS có Độ nhạy cao nhiễu độ tích hợp ADC khuếch đại nhạy nên độ nhạy CMOS thấp có thêm nhiễu Độ bóp Khi chụp vật di Khi chụp phơi sáng hình ảnh méo hình chuyển tốc độ cao thấy bị nhịe (blooming) ảnh vật bị biến dạng hay méo Đây tượng rolling shutter 26 Tài liệu tham khảo: Smart CMOS Imager Sensors and Application – Jun Ohta CCD and CMOS sensor technology – Technical white paper CMOS Imager Sensor: State – Of – The – Art and Future Perspectives - Albert THEUWISSEN CMOS active pixel sensors for digital cameras: Current State – Of – The – Art ... ngoại vị mạch Do làm kích thước nhỏ gọn so với CCD CCD Do công nghệ chế tạo lâu đời, nên CCD tích hợp thêm thành phần ngoại vi: ADC, timer, Vì CCD cần phải gắn thêm chip, điều làm tăng kích thước... hình ảnh radar, đặc biệt khí tượng học 17 Chương 2: Cảm biến hình ảnh CCD: Giới thiệu cảm biến hình ảnh CCD: Cảm biến CCD (viết tắt Charge Coupled Device tiếng Anh có nghĩa “linh kiện tích điện... hình ảnh dịng khơng cần nhiều đầu dây nối Hình 17: Hình ảnh bên ngồi cảm biến CCD Lịch sử hình thành phát triển CCD: CCD AT&T Bell Labs phát triển năm 1969 làm nhớ dạng ghi dịch Tuy nhiên, người