Hình 3 .11 Bốn ảnh liên tiếp của một xung ánh sáng LED
Hình 3. 13 Cấu trúc pixel của CCD thông thường
Cảm biến CCD được phát triển đầu tiên vào cuối những năm 60 và công nghệ là tương đối thành công lúc bây giờ. hiệu suất CCD đã đẩy ranh giới trong hiệu quả của phát hiện ánh sáng và việc giảm nhiễu từ một trong hai tín hiệu thiếu sang hoặc khuếch đại readout. Một điểm yếu của CCD là một thực tế rằng CCD bản chất là một thiết bị đọc số liệu nối tiếp và hiệu suất giảm nhiễu không cao chỉ đạt được tại các kênh có tốc độ đọc ra chậm. Hình 3.2 và Hình 3.14 cho thấy sự khác biệt liên quan đến cấu trúc giữa CCD thông thường và cấu trúc bộ nhớ CCD bởi Elloumi et al đề xuất vào năm 1994 [8].
Khi đề cập đến cấu trúc được phát triển bởi Elloumi, tín hiệu hình ảnh của khung hình được lưu trữ và đọc bằng phương pháp đường thẳng song song. Thiết kế này đã được cải thiện bằng cách thêm mảng các phần tử nhớ, readout VCCD và
HCCD. Tuy nhiên, với cấu trúc phức tạp của khu vực lưu trữ trong Hình 3.14b tín hiệu hình ảnh có thể chuyển nhiều hướng. Điều này khó đảm bảo trật tự của các điện cực dẫn đến những lỗi sai trong quá trình thu nhận và giải mã tín hiệu ở các khối sau.
Để đối phó với vấn đề này, trong năm 2001, Etoh et al phát triển một cảm biến hình ảnh CCD, trong đó đăng ký một CCD tuyến nghiêng được gắn liền với mỗi điểm ảnh được trình bày trong Hình 3.2 [7]. Nó trở thành một cấu trúc truyền electron một chiều tuyến tính đơn giản nhất. Hơn nữa, các tín hiệu hình ảnh của một điểm ảnh được lưu trữ trong nhiều lưu trữ tuyến tính và VCCD readout khác nhau cùng một lúc. Điều này dẫn đến tăng tốc độ của hình ảnh cũng như tốc độ khung hình. Các cảm biến ghi lại 103 hình ảnh liên tiếp, với 81.120 pixel ở tốc độ khung hình của 1Mfs [9]. Đối với các phiên bản sau này, số lượng tỷ lệ khung hình đã được tăng lên bởi sự cải thiện liên quan đến phần cứng và chương trình điều khiển trên chip.
3.3. Kết luận chương
Toàn bộ chương III đã trình bày về cấu trúc ISIS CD camera được phát triển tại phòng thí nghiệm Hydraulic- Kinki University, Osaka-Japan. Camera có thể đạt tốc độ tối đa tới 16 triệu hình trong một giây. Tuy nhiên, một số kết quả đánh giá cũng như một số hạn chế do các loại nhiễu khác nhau gây ra cũng được trình bày cụ thể trong chương III.
63
KẾT LUẬN
Camera trên các smartphone, các máy ảnh số hay camera quan sát đang dần trở thành chuẩn mực để người dùng và giới công nghệ đem ra so sánh mỗi khi các hãng ra mắt sản phẩm mới, các cải tiến cảm biến ảnh (sensor) liên tục được nâng cấp cả về cấu trúc và độ phân giải. Vì vậy tìm hiểu về công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.
Trong luận văn này trình bày một cách tổng quan về cảm biến hình ảnh với các trọng tâm:
Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh.
Thiết kế camera CCD.
Nghiên cứu về cảm biến camera tốc độ cao ISIS dựa trên công nghệ cảm biến CCD.
Tuy nhiên vì thời gian có hạn và khả năng của người thực hiện còn hạn chế nên luận văn mới chỉ bước đầu tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ cảm biến hình ảnh CCD. Rất mong được sự đóng góp quý báu của các thày cô. Hy vọng trong thời gian tới công nghệ cảm biến hình ảnh có thể đạt được sự cải thiện đáng kể mặt về tốc độ, diện tích hay độ nhiễu từ sự kế thừa những kết quả đã đạt được, những nghiên cứu trước của các đề tài liên quan. Với nghiên cứu trên đây về cảm biến CCD tốc độ cao ISIS hoàn toàn tin tưởng rằng tương lai cảm biến CCD sẽ ngày càng phát triển hơn nữa.
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. G. Etoh et al., A CCD image sensor of 1 Mframes/s for continuous image capturing of 103 frames, Digest of Technical Papers, ISSCC’02, pp.46-47, 2002.
[2] T. G. Etoh, V. T. S. Dao, H. D. Nguyen, K. Fife, M. Kureta, M. Segawa, M. Arai and T. Shinohara, Progress of Ultra-high-speed Image Sensors with In-situ CCD Storage (2011), INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP.
[3] Nick Waltham, CCD and CMOS sensors (2013), Volume 9 of the series ISSI Scientific Report Series pp 423-442.
[4] Lecture 11: CMOS Imaging Sensor, George Yuan, Hong Kong University of Science and Technology Fall 2010.
[5] T. Goji Etoh, et al, “Ultra-high-speed Bio-nano scope” for Cell and Microbe Imaging (Plenary paper), Proc. of SPIE Vol. 7126 712605-1.
[6] Nguyen, H. D., Etoh, T. G., Dao, V. T. S., Vo, L. C., Tanaka, M., 16-Mfps extremely high sensitivity video camera (2010), Proceedings of the 29th International Congress on High-Speed Imaging Photonics, pp. A04-1-6.
[7] T. Goji Eto, D. Poggemann et al, A CCD Image Sensor of 1Mframes/s for Continuous Image Capturing of 103 Frames (2002), IEEE International Solid-State Circuits Conference 2002/ Session 2/ Image sensor/2.7.
[8] Elloumi, Fauvet et al, P. The Study of a Photosite for Snapshot Video (1994), In Proceeding of SPIE: International Congress on High Speed Imaging and Photonics (ICHSIP) Taejon, Korea, Volume 2513, pp. 259-267.
[9] Tochigi, Y., et al, A Prototype high-speed CMOS image sensor with 10,000,000 fps burst-frame rate and 10,000 fps continuous-frame rate (2011), in Proceeding of SPIE-IS&T, Vol. 7876, pp. 78760-1-8.
[10] CCD Imaging Systems, Stephan Baier.
65