II. Cảm biến CCD và CMOS
2.2 Cảm biến CMOS [2]
2.2.1 Tổng quan CMOS
Hình 13. Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS
Thông thường, hai loại bóng bán dẫn được sử dụng: Loại P và loại N. Hai loại này được kết hợp thành một chất bán dẫn, được gọi là CMOS (Complementary Metal-
27
Oxide Semiconductor). Gán cả MOS-FET kênh P và MOS-FET kênh N trên cùng tấm bán dẫn sẽ làm giảm điện năng tiêu thụ và tăng tốc độ hoạt động.
Hình 14. Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel
CMOS thì khác, cạnh mỗi điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch bổ trợ. Do đó, người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi Analog/Digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng điểm ảnh đơn lẻ. Các điểm ảnh đa chức năng này (ở CMOS thế hệ mới còn được gọi là các điểm ảnh chủ động APS – Active Pixel Sensor) đều có khả năng tự làm việc. Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã đọc là đọc hết toàn bộ bức ảnh. Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ. CMOS lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình sản xuất chip máy tính hay các chip trong các thiết bị điều khiển khác, không cần phải đầu tư thêm phòng lab mới, giá thành sản xuất được giảm đáng kể.
28
Nhưng lợi thế lại trở thành nhược điểm. Do mỗi một điểm bắt ảnh trên CMOS lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khi khuếch đại. Điều này làm cho các bức ảnh xuất ra luôn có một độ nhiễu nhất định (không mịn). Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng khiến cho độ sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và mạch khuếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của mạch vì thế sẽ không được tái hiện. Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao.
Sự xuất hiện của công nghệ CMOS cảm biến hình ảnh được cho là phát triển quan trọng trong hình ảnh trạng thái rắn từ các sáng chế của CCD. Ngày nay hầu hết các cảm biến CMOS đều là CMOS Active Pixel Sensor (APS), khai thác cùng một công nghệ chip silicon sử dụng trong các hệ thống vi xử lý.
Điểm nổi trội chủ yếu do tính chất của công nghệ CMOS trong đó nhiều triệu lions của các transistor có thể được tích hợp trên một mạch silicon duy nhất.Với mỗi photodiode riêng và transistor readout, cùng với tất cả các thiết bị điện tử phụ trợ cần thiết để xử lý các mảng lưu trữ photon, các bộ đệm tín hiệu video tương tự và thậm chí số hóa nó đã sẵn sàng để xử lý, lưu trữ hoặc hiển thị.
Cảm biến CMOS, như một mạch CMOS tích hợp hoạt động ở điện áp thấp hơn đáng kể điện áp của CCD, thường là từ 1,8V và 5V tùy thuộc vào từng tiến trình hay cấu trúc riêng của các loại CMOS. Việc tích hợp chức năng lớn, quy mô và hoạt động điện áp thấp rõ ràng tối ưu trong thị trường người tiêu dùng về nhu cầu sử dụng pin lâu dài và chi phí sản xuất thấp. Như một hệ quả, nhiều máy ảnh kỹ thuật số và điện thoại di động, điện thoại bàn khai thác CMOS thay vì cảm biến CCD.
Trong dạng đơn giản nhất các điểm ảnh CMOS APS gồm một photodiode và ba transistor: một photodiode, một cảm nhận điện áp tín hiệu trên photodiode và một để chọn hàng. Một mảng điểm ảnh thường sẽ được giải quyết bằng xy ghi dịch mặc dù một
29
số triển khai sử dụng bộ giải mã địa chỉ để cho phép điểm ảnh truy cập ngẫu nhiên. Các mảng điểm ảnh APS được truy cập một hàng tại một thời gian bằng cách tạo điều kiện
Hình 15. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b)
Hình 16. Layout điểm ảnh CMOS điển hình
cho tất cả các transistor hàng đã chọn trong một hàng duy nhất của điểm ảnh. Ở dưới cùng của mảng, điểm ảnh trong hàng được lựa chọn và đọc ra theo từng cột một. Các tín hiệu video có thể được truyền qua một kênh ra một bộ khuếch đại đầu ra tương tự,
30
qua bộ nối tiếp analog-to-digital converter (ADC) hoặc một mảng của ADCs cột song song.
Một nhược điểm của mô hình ba transistor điểm ảnh cơ bản là có nhiễu điểm ảnh trên readout. CDS đã được tìm thấy để làm việc với mức độ khác nhau bằng cách lưu trữ một "thiết lập lại" khung ở chế độ tắt trước đó vớ imột tiếp xúc và sau đó loại bỏ đi nó từ các "tín hiệu" khung readout. Để kích hoạt trên chip CDS, các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã phát triển bốn-transistor pixels trong đó các transistor mới được sử dụng như là một cổng giữa các photodiode và transistor. Khái niệm có nghĩa là ở đầu ra có thể được lấy mẫu sau khi thiết lập lại và trước khi tín hiệu từ các photodiode được bật lên tại đầu ra. Điều này dường như tương tự với việc khuếch đại đầu ra CCD nhưng đòi hỏi các photodiode cần được "gắn" vào những thời điểm thích hợp. Điều này đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu đến được đầu ra và hạn chế nhiễu. Những bất lợi của pin photodiode là pinning làm giảm đáng kể khả năng lưu trữ các điểm ảnh và do đó đường truyền cũng hạn chế.
2.2.2 Hiệu suất lượng tử
Hiệu quả của bộ cảm biến CMOS được biểu hiện khi được chiếu sáng ngoài thu được những pixel còn phải giảm "nhân tố bù vào chỗ trống" (fill factor), phần diện tích của điểm ảnh đó thực sự là nhạy cảm với ánh sáng. Cách bố trí của một điểm ảnh CMOS điển hình được thể hiện trong hình 6. Trong ví dụ này, các photodiode chiếm chỉ có 19% diện tích pixel (như được xác định bởi các đường đứt nét) nhưng thông thường sẽ mang lại fill factor ≈ 30%.
2.2.3 Nhiễu readout và phạm vi hoạt động
Một lĩnh vực thứ hai của nghiên cứu là để giảm thiểu nhiễu và tối đa hóa khả năng nạp vào readout , khả năng lưu trữ và tuyến tính. Một hạn chế là điện áp xoay chiều tuyến tính mà có thể thu được ngoài vùng ngưỡng transistor trong các CMOS sử dụng điện áp thấp. Phạm vi hoạt động tuyến tính của bộ cảm biến CMOS tốt nhất hiện nay là ≈ 5000,
31
ít hơn đáng kể so với một CCD. Một số phương pháp để khắc phục vấn đề bao gồm các khái niệm điểm ảnh và cảm biến cho phép các điểm ảnh riêng để có tiếp xúc trong những giai đoạn khác nhau . Những kiến trúc phức tạp hơn : năm , sáu transitor cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất. Chúng ta có thể chờ đợi những tiến bộ hơn nữa trong tương lai khi các nhà nghiên cứu thích ứng với khai thác lợi thế của công nghệ CMOS hơn là cố gắng phát triển CCD.
2.2.4 CMOS trong không gian và ứng dụng
Cảm biến CMOS đã được sử dụng trong không gian, có ứng dụng trong các đường bus vệ tinh, các thiết bị đo đạc như theo dõi ngôi sao và máy ảnh kiểm tra. CMOS là chưa có một tác động đáng kể trong khoa học trong khi CCD vẫn chiếm ưu thế. Các lợi thế chính của CMOS so với CCD trong không gian thiết là cấu trúc chắc chắn, điện năng thấp và độ cứng bức xạ. Những ảnh hưởng của bức xạ trong CMOS và cảm biến CCD giống nhau ở chỗ cả hai bị bức xạ ion hóa. Cảm biến CMOS chắc chắn sẽ đóng một vai trò ngày càng tăng trong không gian thiết bị đo đạc, nhưng ngày nay chúng có nhiều khả năng xuất hiện trong những ứng dụng có kích thước lớn, khối lượng hoặc năng lượng hạn chế, ứng dụng yêu cầu với phương thức hoạt động phức tạp như ngẫu nhiên truy cập pixel, hoặc trong những nhiệm vụ mà thiệt hại bức xạ sẽ ít hơn CCD.
Những CMOS nói một cách khác được sản xuất xử lý một cách truyền thống, cũng phương pháp xử lý sản xuất các bộ vi xử lý. Bởi vì quá trình sản xuất khác nhau nên những cảm biến CCD và CMOS cũng có một số vấn đề khác nhau:
- Những cảm biến CCD, như đã đề cập ở trên được sản xuất với chất lượng cao để đạt được độ nhiễu thấp nhất. Những cảm biến CMOS được sản xuất bằng phương pháp truyền thống cho chất lượng hình ảnh thấp do bị ảnh hưởng nhiễu cao - Bởi vì mỗi pixel trong cảm biến CMOS có vài transistor do đó độ nhậy sáng của
chip CMOS thấp hơn
32
- Những cảm biến CCD tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình xử lý, cảm biến CCD tiêu thụ điện gấp 100 lần so với cảm biến CMOS tương đương.
Dựa trên những sự khác nhau đó mà có thể xem như bộ cảm biến CCD trong máy ảnh kỹ thuật số cho chất lượng hình ảnh cao với nhiều pixel với độ nhạy sáng cao. Những cảm biến dùng công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp hơn, độ phân giải thấp hơn và độ nhạy sáng kém nhưng bên cạnh đó nó dùng được pin lâu hơn vì tiêu thụ năng lượng thấp. Ngày nay những máy ảnh kỹ thuật số dùng công nghệ CMOS đã được cải tiến và chất lượng gần đạt được so với CCD.
Hình 17. Thiết kế điển hình của CMOS trong camera